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Bodenkunde (Fach) / 07. Einführung Bodenphysik (Lektion)

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• 1. Erläutern Sie 4 wichtige bodenphysikalische Voraussetzungen für eine Eignung des Bodens als Wurzelraum und inwieweit eine Konkurrenz zwischen diesen Funktionen entsteht. Wasserspeicherung und Wasserversorgung, Luftversorgung der Wurzeln, Ableitung überschüssigen Wassers, Verankerung der Wurzeln. Wurzeln müssen mit Wasser und Luft versorgt werden. Eine Konkurrenz entsteht dadurch, dass dies annähernd gleichzeitig geschehen muss. Bestimmte Funktionen konkurrieren, da viele nicht parallel gut entwickelt sein können. Während zum Beispiel Verankerung einen festen, dichten Boden als Bedingung hat, ist ein lockerer Boden für die Belüftung und Drainage wichtig. Die Wasserhaltefähigkeit und Wasserversorgung wird über kleinere Poren abgewickelt. Gibt es von ihnen viele und wird somit eine gute Versorgung gewährleistet, ist die Belüftung und Drainage in Gefahr, da es eventuell zu wenig große Poren gibt.
• 2. Aus welchen 3 Hauptkompartimenten setzt sich das Bodenvolumen zusammen? Erläutern Sie die Begriffe „Porosität“, „Volumetrische Bodenfeuchte“, „Trockenzustand“ und „Zustand der Wassersättigung“ in Bezug auf diese 3 Volumenkompartimente. Zusammensetzung des Bodenvolumens: Organische und mineralische Festsubstanzen, Bodenlösung, Bodenluft Porosität: Beschreibt den Volumenanteil von Luft und Wasser im Boden. P = VP (Porenvolumen) / Vt (Fest) Volumetrische Bodenfeuchte: Volumenanteil der Bodenlösung am Gesamtvolumen einer Bodenprobe. ɵ= Vw/Vt Trockenzustand: Zustand des Bodens, wenn das Wasservolumen gleich Null ist. VA=VP ; VW=0 Zustand der Wassersättigung: Wenn alle Porenräume mit Wasser ausgefüllt sind, es gilt: VW=VP ; VA=0
• 3. Welche zwei Formen der Dichte des Bodens werden häufig zur physikalischen Charakterisierung herangezogen? Substanzdichte: Masse des trockenen Bodens durch das Volumen der Festsubstanz abzüglich dem Porenvolumen. Df oder DS = MS  / VS   Trockenraumdichte / Lagerungsdichte: Masse des trockenen, unverdichteten (bzw. im Lagerzustand) Zustand des Bodens durch das Gesamtvolumen des Bodens im selben Zustand. DB = MS / Vt
• 4. In welcher Größenordnung liegt die Substanzdichte der meisten mineralischen Bodenbestandteile, wie der organischen Bestandteile? Mineralische Bodenbestandteile (Silikate) haben eine Dichte von etwa 2,6 – 2,7 g/cm³ Organische Bestandteile (Humus) hat eine Dichte von ca. 1,2 – 1,4 g/cm³
• 5. Wie schätzen Sie die Porosität eines Bodens bei Kenntnis der Trockenraumdichte ein? Welche Fehlerquelle hat diese Methode? Porosität (P) = 1 - DB  / DS , D(b) ist die Trockenraumdichte und D(s) ist die Dichte der Bodensubstanz. Grundsätzlich gilt: Je kleiner die Trockenraumdichte, desto höher die Porosität. Die Porosität lässt sich aus der Trockenraumdichte mithilfe der Dichte der festen Bodensubstanz errechnen. Letztere ist über die konstante Substanzdichte nach Abschätzung des Humusanteils bestimmbar. Trockenraumdichte geteilt durch Dichte der festen Bodensubstanz gibt den Prozentsatz der Festsubstanz an, worüber man den Prozentsatz des Porenvolumens errechnen kann. Fehlerquelle hierbei ist, dass die Masse der Luft gleich null gesetzt wird (was annähernd zutrifft) und die unsaubere Abschätzung des Humusanteils bei der Bestimmung der Dichte der festen Bodensubstanz.
• 6. Was versteht man unter dem „repräsentativen Elementarvolumen“ eines Bodens? In welcher Größenordnung liegt es meist? Das repräsentative Elementarvolumen liegt zwischen 0,1 und 1 Liter. Es ist ein Mindestvolumen, das alle relevanten Eigenschaften des Bodens repräsentativ für den gesamten Boden beinhaltet. Kleiner oder Größer ist schlecht. Es ist der Bereich der geringsten Schwankungen der Bodeneigenschaften. Wählt man ein zu geringes Volumen, erhält man eventuell spezielle Eigenschaften dieses Volumens (hohe Dichte, wenig Minerale…), wählt man ein großes Volumen, nimmt die Fehlerhäufigkeit durch verschiedene Eigenschaften wieder zu.
• 7. Nennen Sie drei Gründe, warum Trockenraumdichte in den meisten natürlichen Böden mit der Tiefe zunimmt. - Zunehmende Normalspannung (Pn): in der Tiefe vertikal wirkender Druck, wird durch Eigengewicht des Oberbodens verursacht und nimmt logischerweise nach unten hin zu. - Höhere Porosität im Oberboden durch höhere biologische Aktivität / Bioturbation im Oberboden → dichtere Lagerung unten - Organische Auflage hat hohen Humusanteil und damit eine geringere Dichte als der vorwiegend mineralische Unterboden.
• 8. Was ist Bodenskelett, was Feinboden? Bodenskelett: Korngrößenanteil, der größer als 2 mm ist (Grus, Kies usw.) Feinboden: Kornfraktion in der Größenordnung < 2 mm (Sand, Schluff, Ton)
• 9. Nennen Sie die Durchmessergrenzen der 3 Hauptkornklassen eines Bodens. Nennen Sie zwei Synonyme für die Korngrößenzusammensetzung eines Bodens. Ton: < 2 μm Schluff: 2 – 63 μm Sand: 63 – 2.000 μm Synonyme: Bodenart, Textur
• 10. Was bezeichnet der bodenphysikalische Begriff „Lehm“? Lehm ist ein Korngrößengemisch aus Ton, Schluff und Sand, dessen Eigenschaften von allen drei Korngrößen definiert und von keiner dominiert wird.
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• 11. Nennen Sie die mineralischen Hauptbestandteile der Sand- und der Tonfraktion in Böden Mitteleuropas. Hauptbestandteil von Sand: Quarz Hauptbestandteil von Ton: sekundäre Tonminerale und Oxide
• 12. Wie wird die Korngrößenverteilung a) im Labor, b) im Gelände bestimmt (ohne Formeln). a) Absieben des Bodenskeletts → Zerstören der organischen Substanz mit Wasserstoffperoxid → Zerlegung der Aggregate in die Primärkörnung → Siebanalyse von Sand oder Grobschlufffraktion → Sedimentationsanalyse b) Schätzung durch Fingerprobe: Sand knirscht, körnig, Schluff staubt, mehlig, Ton ist bindig, zäh, glänzend (hart im trockenen Zustand)
• 13. Skizzieren Sie die Körnungssummenkurve eines Schluffs (Uu). Ton: steigt gleichmäßig von 20 - 80% Feinsand: Steigt gleichmäßig von 25 - 60% Löß: Steigt zwischen Mittel und Grob am schnellsten, vo 5 - 90%
• 14. In welchem Zusammenhang steht die Porosität eines Bodens mit dem Tongehalt? Tonplättchen entsprechen schlechter dem Kugelmodell als rundliche Sandkörner. Sie sind sperriger, plättchenformig, kantig und führen dadurch zu größeren Freiräumen. Ein steigender Tongehalt führt demnach zu einer größeren Porosität. Außerdem bilden Tonteilchen viel mehr kleine Poren und lassen sich schlechter verdichten.
• 15. Um welchen Faktor nimmt die innere Oberfläche einer regelmäßigen Kornpackung vom Grobsand (1mm Durchmesser) bis zum Grobton (1μm Durchmesser) zu? Zwischen den Kornfraktionen liegt der Faktor bei 32. Ein Schluff hat eine ca. 32-mal größere innere Oberfläche als ein Sand, ein Ton eine 1024-mal größere innere Oberfläche.
• 16. Erläutern Sie für drei Bodeneigenschaften den Einfluss der Korngröße. Porosität: Je kleiner die Korngröße, desto höher die Porosität. Wasserhaushalt: Große Korngröße: Gute Drainage, schlechter Speicher (Tonteilchen haben viel Totwasser) Innere Oberfläche / KAK: Je kleiner die Korngröße, desto höher.
• 17. Erläutern Sie den Unterschied zwischen Textur und Struktur eines Bodens. Nennen und erläutern Sie zwei Textur- und zwei strukturtypen wie sie in den Böden vorkommen. Nennen Sie jeweils einen synonymen Begriff für Textur und Struktur. Textur / Bodenart: Größenverteilung der Primärpartikel (Massenverhältnis von Sand, Schluff und Ton) Struktur / Bodengefüge: Räumliche Anordnung der Primärpartikel: Grundgefüge: Nicht aggregierte Gefügetypen Aggregatgefüge: Durch natürliche Clusterung entstehende Zusammenschlüsse
• 18. Was sind „schwere“ und „leichte“ Böden, was meint man mit „Stundenböden“? Beurteilung hinsichtlich der Bearbeitbarkeit. Schwere Böden: Hoher Tonanteil, stark verdichtet, schlechte Bearbeitbarkeit. Leichte Böden: Hoher Sandanteil, gute Bearbeitbarkeit Stundenböden: Durch sehr hohen Tonanteil und Humusverarmung lassen diese Böden sich nur einen kurzen Zeitraum bearbeiten (Hartwerden bei Trockenheit, Schmierig bei Nässe)
• 19. Beschreiben Sie Einzelkorn-, Polyeder – und Krümelgefüge. Einzelkorngefüge: Grundgefüge, nicht aggregiert, keine Clusterung, Körner liegen frei nebeneinander vor. Polyedergefüge: Absonderungsgefüge, natürlich aggregiert, scharfkantige Polyederform, abiotische Bildung (Quellen und Schrumpfen tonhaltiger Substrate und anschließendes Ausbrechen). Krümelgefüge: Aufbaugefüge, natürlich aggregiert, biotische Bildung (z.B. durch Regenwürmer, Aggregatbildung aus Primärkörnern + Bindemitteln aus Ton-Humus-Komplexen)
• 20. Beschreiben Sie das Polyedergefüge, wo entsteht es? Polyedergefüge entstehen durch Absonderung von Polyedern durch Quellen und Schrumpfen feuchter tonhaltiger Substrate. Durch das Herausbrechen entstehen oft scharfe Kanten. Polyedergefüge: Ist ein Absonderungsgefüge, das abiotisch durch Schrumpfung oder Quellung in tonhaltigen Substraten entsteht. Typisch ist eine scharfkantige Form der Aggregate, die an einen Polyeder erinnert. Entsteht hauptsächlich im lehmigen Unterboden.
• 21. Erklären Sie das Modell des dualen Porensystems. Weder Kugel-, noch Volumenkompartimentmodell erklären hinreichend die Koexistenz verschiedener Bodenfunktionen (Wasserspeicher-, Drainage- und Belüftungsfunktion). Die Bodenstruktur ist die Grundlage des dualen Porensystems, nach dem der Boden aus Aggregaten aufgebaut ist, die wiederum aus Primärkörnern aufgebaut sind. Dadurch entstehen 2 Porenarten. Die Feinporen / Mittelporen innerhalb der Aggregate zwischen den Primärkörnern, die für die Wasserspeicherung sorgen und die Makroporen zwischen den Aggregaten, die den Boden belüften und Wasser abführen.
• 22. Was sind Intra- und Interaggregatporen, welche Funktionen haben sie? Intraaggregatporen: Bestehen im Aggregat, zwischen den Primärpartikeln. Funktionen: Speicherung von pflanzenverfügbarem Wasser bei Krümelgefügen, Einlagerung von Todwasser bei Tonpolyedern. Interaggregatporen: Makroporen zwischen einzelnen Aggregaten Funktionen: Belüftung, Wassertransport
• 23. Welche Agentien halten die Bodenaggregate zusammen? Bindemittel, z.B. Ton-Humus-Komplexe Wurzeln Pilze, Pilzhyphen

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