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pdftitle = {Pedosphäre Kärtchen, Kapitel: 7, 8, 9, 10},%
pdfsubject = {Die Kärtchen wurden für die Prüfung nach dem SS 2005 bei Ruben Kretzschmar geschrieben.},%
pdfauthor = {Thomas Kuster (4. Semester, D-UWIS)},%
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\markboth{Antwort}{Frage Pedosphäre Kapitel 7-10}
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\setcounter{secnumdepth}{0} %keine titelnummerierung

\begin{document}

\begin{flushleft}
\setcounter{page}{-1}
\huge{}
Pedosphäre

Hinweise zu den Kärtchen
\normalsize{}\newpage
Die Kärtchen wurden für die Prüfung nach dem SS 2005 bei Ruben Kretzschmar geschrieben.

Skript:

Pedosphäre

Einführung in die Bodenkunde
 
Unterlagen zur Vorlesung

Version 1.0

\hyperref{http://www.ito.umnw.ethz.ch/SoilChem/bodenkunde}{}{}{http://www.ito.umnw.ethz.ch/SoilChem/bodenkunde}

Kapitel 7 bis 10 inkl. Glossar

Erstellt von: Thomas Kuster (4. Semester, D-UWIS)

Verfügbar via: \hyperref{http://fam-kuster.ch}{}{}{http://fam-kuster.ch}\newpage

\huge{}
Fluvial

\normalsize{}\newpage
Als fluvial oder fluviatil (lat. fluvius, Fluss, fluvial bedeutet \glqq{}von Flüssen verursacht\grqq{}) werden in den Geowissenschaften Vorgänge und Gesteinsschichten bezeichnet, die mit Flüssen und ihrem Gesteinstransport bzw. Ablagerungen in Zusammenhang stehen.
\newpage

\huge{}
Verlehmung

\normalsize{}\newpage
Anstieg des Tongehalts auf Grund von chemicher Verwitterung des Bodens.

Es sind insbesondere die Silikate Muskovit und Biotit (Glimmer), aus denen die Tonminerale Illit oder Vermikulit entstehen.
\newpage

\huge{}
Äolisch

\normalsize{}\newpage
Allgemein und insbesondere in der Geologie die vom Wind verursachten Erscheinungen wie zum Beispiel der äolische Transport.
\newpage

\huge{}
Schluff

\normalsize{}\newpage
Silt (übernommen aus dem Englischen, auch Schluff) sind Feinböden, unverfestigte, in der Regel klastische Sedimente und Sedimentgesteine, die zu mindestens 95\% aus Komponenten in einer Korngrösse von 2 $\mu$m (0.002 mm) bis 50 $\mu$m (0.05 mm) bestehen.

Weiter Unterteilung in:
\begin{description}
 \item[Grobschluff (gU)] 20 - 63 $\mu$m (0.02 - 0.063 mm)
 \item[Mittelschluff (mU)] 6.3 - 20 $\mu$m (0.0063 - 0.02 mm)
 \item[Feinschluff (fU)] 2- 6.3 $\mu$m (0.002 - 0.0063 mm)
\end{description}
\newpage

\huge{}
Ton

\normalsize{}\newpage
Die Korngröße von siliziklastischen Gesteinen und klastischen Karbonatgesteinen, wobei es sich bei beiden Gruppen um Sedimentgesteine handelt. Korngrösse von $<$ 2 $\mu$m (0.002 mm).

Weiter Unterteilung in:
\begin{description}
 \item[Grobton (gT)] 0.63 - 2 $\mu$m (0.00063 - 0.002 mm)
 \item[Mittelton (mT)] 0.2 - 0.63 $\mu$m (0.0002 0.00063 mm)
 \item[Feinton (fT)] $<$ 0.2 $\mu$m ($<$ 0.0002 mm)
\end{description}
\newpage

\huge{}
Sand

\normalsize{}\newpage
Zerkleinertes Gestein 63 - 2000 $\mu$m (0.063 - 2 mm), das von Wind und Wasserbewegung zu Sandstränden, Dünen u.\,ä. aufgehäuft werden kann. In diesem Fall spricht man von einem Lockersediment. Die mineralische Zusammensetzung von Sand kann je nach Ort sehr stark variieren (z.\,B. weisser Sand am Strand aus Korallenskeletten, Muscheln (Kalziumkarbonat (CaCO$_3$)). Der Grossteil der Sandvorkommen besteht allerdings aus Quarz (Siliziumdioxid SiO$_2$), denn er ist nicht nur häufig, sondern auch mit einer Härte von 7 auf der 10-stufigen Mohs'schen Härteskala besonders verwitterungsresistend.

Weiter Unterteilung in:
\begin{description}
 \item[Grobsand (gS)] 630 - 2000 $\mu$m (0.63 - 2 mm)
 \item[Mittelsand (mS)] 200 - 630 $\mu$m (0.2 0.63 mm)
 \item[Feinsand (fS)] 63 - 200 $\mu$m (0.063 - 0.2 mm)
\end{description}
\newpage

\huge{}
Lehm

\normalsize{}\newpage
Lehm ist ein Sediment, aus chemischer verwittert von Gesteinen. Lehm ist eine feine Mischung unterschiedlicher Mineralien. Man unterscheidet je nach Entstehung Berglehm, Gehängelehm, Geschiebelehm, Lösslehm und Auenlehm .

Er besteht im Wesentlichen aus Ton, Sandund Schluff, dazu kommt noch Kalk. Es gibt keine klare Abgrenzung zum Ton, tonreiche Lehme nennt man fett, tonarme mager. Lehm ist nicht so plastisch wie Ton und auch nicht so wasserundurchlässig, da die Sedimente im Ton kleiner sind als im Lehm. In feuchtem Zustand ist Lehm formbar, in trockenem Zustand fest. Bei Wasserzugabe quillt Lehm, beim Trocknen schwindet er.
\newpage

\huge{}
humides Klima

\normalsize{}\newpage
Humides Klima ist gleichbedeutend mit feuchtem Klima, in dem die jährlichen Niederschläge grösser sind als die Verdunstung.

\textbf{Klima mit einer positiven Wasserbilanz.}
\newpage

\huge{}
Abrasion

\normalsize{}\newpage
Steine werden gegeneinander geschlagen und kleine Partikel werden abgesprengt, die dann mit dem Wasser fortgetragen und flussabwärts sedimentiert werden.
\newpage

\huge{}
Bodenfruchtbarkeit

Wann ist ein Boden fruchtbar, wann unfruchtbar?
\normalsize{}\newpage
\begin{itemize}
\item
\textbf{landwirtschaftlich}\\
Ertragsfähigkeit des Bodens
\item
\textbf{ökologisch}\\
wenig ertragreiche Böden (hohe Artenvielfalt, enthalten oft auch seltene Pflanzenarten), z.\,B. nährstoffarme sehr trockene Standorte (Trockenrassen), sehr nasse Standorte (Hochmoore).
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Bodenfruchtbarkeit

(Definition)
\normalsize{}\newpage
Ein Boden gilt als fruchbar, wenn:
\begin{itemize}
\item
Er eine für seinen Standort typische artenreiche, biologisch aktive Lebengemeinschaft und typische Bodenstrukturen sowie eine ungestörte Abbaufhigkeit aufweist.
\item
Natürliche und vom Menschen beeinflusste Pflanzen und Pflanzengesellschaften ungestört wachsen und sich entwickeln können und ihre charakteristischen Eigenschaften nicht beeintröchtigt werden.
\item
Die pflanzlichen Erzeugnisse eine gute Qualität aufweisen und die Gesundheit von Mensch und Tier nicht gefährden.
\item
Mensch und Tier, die ihn direkt aufnehmen, nicht gefährdet werden.
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Ertragsfähigkeit

\normalsize{}\newpage
\small{}
Global gesehen steht die Ertragsfähigkeit von landwirtschaflich genützen Böden im Vordergrund.

Es müsste zwischen \textbf{aktueller} und \textbf{potentieller} Ertragsfähigkeit unterschieden werden.

\begin{itemize}
\item
Boden hat optimale Eigenschaften (tiefgründig, gut durchlüftet, nährstoffreich,\dots{}) aber zu wenig Wasser $\Rightarrow$ \textbf{aktuelle} Ertragsfähigkeit gering. Bewässern $\Rightarrow$ Ertragsfähigkeit gross $\Rightarrow$ hohe \textbf{potentielle} Ertragsfähigkeit. Z.\,B. Schwarzerden der Steppenregionen).
\item
Falsche Bewässerung $\Rightarrow$ Verdichtung, Verringerung der Wasserleitfähigkeit, Versalzung des Bodens $\Rightarrow$ \textbf{potentielle} Ertragsfähigkeit sinkt.\\
\item
$\Rightarrow$ Ertragsfähigkeit ist \textbf{keine} statische Bodeneigenschaft.
\end{itemize}

Nährstoffreserven (vorallem P, N) vieler Böden (Tropen, Subtropen) sind sehr gering und entsprechend schnell erschöpft.
 
Landnutzungssysteme mit ausreichender Nährstoffrückführung die auch bei zunehmender Bevölkerungsdichte nachhaltig sind müssen entwickelt werden.
\newpage

\huge{}
Böden bestehen aus\dots

(grobe gesehen)
\normalsize{}\newpage
mineralischen und organischen Festphasen (ca. 40-60 Vol \%) und Poren (ca. 60-40 Vol \%), die mit Wasser oder Luft gefüllt sein können.
\newpage

\huge{}
Wodurch wird der Porenraum bestimmt, was wird dadurch beeinflusst?
\normalsize{}\newpage
\begin{itemize}
\item
Porenraum wird durch Korngrössenverteilung (Textur) und die Anordung der festen Bodenteilchen im Raum (Struktur, Lagerungsdichte) bestimmt.
\item
Porengrössenverteilung und Porenvernetzung beeinflussen massgeblich den Wasser- und Gashaushalt des Bodens
\item
Indirekt auch den Wärmehaushalt (Wärmeleitfähigkeit , Wärmespeicherung)
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Körnung

Korngrössenklassen
\normalsize{}\newpage
Die mineralischen Partikel weisen in der Regel eine \textbf{kontinuierliche} Korngrössenverteilung auf ($10^{-9}$ m, $1$ nm bis $10^{-3}$ m, $1$ mm oft auch bis $10^{-1}$ m, $1$ dm)

\begin{description}
\item[Feinerde]($<2$ mm)
 \begin{description}
 \item[Ton]($<2$ $\mu$m)
 \item[Schluff](2 bis 50 $\mu$m)
 \item[Sand](50 bis 2000 $\mu$m)
 \end{description}
\item[Skelett]($>2$ mm)
 \begin{description}
 \item[Kies](2 bis 50 mm)
 \item[Steine](50 bis 200 mm)
 \item[Blöcke]($>$200 mm)
 \end{description}
\end{description}
Die einzelnen Körngrössenklassen werden oft noch weiter unterteilt z.\,B. in Feinsand, Mittelsand und Grobsand, dieses künstliche System ist weltweit nicht einheitlich, aber ähnlich (siehe Abbildung 7.1 S. 85).

\newpage

\huge{}
Körnung/Textur
\normalsize{}\newpage
Die Grössenverteilung der Feinerde ($<$2 mm) eines Bodens bezeichnet man als \textbf{Körnung} oder \textbf{Textur}.

Anstelle der kontinuierlichen Grössenverteilung werden meistens die gravimetrische Gehalte (Massenanteile) an Ton, Schluff und Sand bestimmt (\textbf{Körnungsdreieck}).
\newpage

\huge{}
Körnungsdreieck
\normalsize{}\newpage
\twocolumn
Auf Grund der verschiedenen Gemische an Ton, Schluff und Sand werden die Böden in verschiedene Bodenarten eingeteilt z.\,B. sandiger Lehm (15-20\% Ton, $<$50\% Schluff, ($>$50\% Sand)), sehr nützlich für Bodenbewertung, Bodenklassifikation und Kartierung.
\input koernungsdreieck.pdf_t
\onecolumn
\newpage

\huge{}
Wie kommt eine bestimmte Korngrössenverteilung eines Bodens zustande?
\normalsize{}\newpage
\begin{description}
\item[Ausgangsgestein]
Junge Böden \glqq{}erben\grqq{} ihre Korngrössenverteilung vom Ausgangsgestein.

\item[Physikalische Verwitterung] Feste Gesteine werden durch physikalische Verwitterung zerteilt.

\item[Chemische Verwitterung, Mineralneubildung] vollständige oder teilweise Auflösung von primären Mineralien und Bildung von sekundären Mineralien.

\item[Umlagerung und Sortierung] Der Transport von Partikel durch Wind oder Wasser bewirkt meistens eine Sortierung der Korngrössen.

\end{description}
Je nach Ausgangsgestein und Bodenbildung entsteht also eine unterschiedliche Korngrössenverteilung, die ein wichtiger Parameter für die Bodenfruchtbarkeit bzw. die Standorteigenschaften darstellen.
\newpage

\huge{}
Korngrössenverteilung\\
auf Grund des Ausgangsgesteins
\normalsize{}\newpage

\textbf{Ausgangsgestein} Junge Böden \glqq{}erben\grqq{} ihre Korngrössenverteilung vom Ausgangsgestein:

\begin{description}
\item[Granit] (saures Tiefengestein, grobkörnig) $\rightarrow$ Böden mit höherem Sandgehalt als Böden auf einem Basalt.

\item[Basalt] (basisches Ergussgestein, feinkörnig) $\rightarrow$ Böden mit tieferem Sandgehalt als auf Granit.

\item[Kalkstein] $\rightarrow$ tonreiche (60-70\% Ton) Böden (Tonpartikel bleiben bei der Kalkauflösung zurück)

\item[Löss] (schluffreiches äolische Sediment) $\rightarrow$ Schluffreich (50-70\% Schluff)

\item[Sanderflächen] (sandige, fluviatile Sedimente) $\rightarrow$ sandige (80-90\% Sand) Böden

\item[Moränenmaterial] Böden auf Moränenmaterial enthalten oft alle Korngrössen (grosse Steine bis Ton, oft lehmige Feinerde mit mehr oder weniger Skelett).

\end{description}
\newpage


\huge{}
Korngrössenverteilung\\
auf Grund physikalischer Verwitterung des Ausgangsgesteins
\normalsize{}\newpage
Feste Gesteine werden durch physikalische Verwitterung zerteilt  bis zu den einzelnen Kristallen, die in Tiefengesteinen gröber sind als in Ergussgesteinen, möglich durch:
\begin{itemize}
\item Frostsprengung
\item Temperatursprengung
\item Salzsprengung, auskristallisieren von Salz in Rissen
\item Wurzelsprengung
\item Abrasion, in Bächen, Flüssen und Hanglagen
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Korngrössenverteilung\\
auf Grund chemischer Verwitterung und Mineralneubildung des Ausgangsgesteins

\normalsize{}\newpage
Vollständige oder teilweise Auflösung von primären Mineralien und Bildung von sekundären Mineralien wodurch im Laufe der Bodenbildung der Skelett-, Sand-, und Schluffgehalt ab (primäre Mineralien) und der Tongehalt zu (sekundäre Mineralien).

In stark verwitterten Böden (Tropen, Subtropen) findet man kaum noch primäre Mineralien (ausser Quarz) und einen erhöhten Tongehalt.

Den Anstieg des Tongehalts durch chemische Verwitterung von Silikaten nennt man auch \textbf{Verlehmung}
\newpage

\huge{}
Korngrössenverteilung\\
auf Grund Umlagerung und Sortierung des Ausgangsgesteins

\normalsize{}\newpage
Der Transport von Partikel durch Wind oder Wasser bewirkt meistens eine Sortierung der Korngrössen, weil gröbere Partikel zuerst (bei höheren Fliessgeschwindigkeiten) abgelagert werden und feinere weiter transportiert werden.

Beispiele:
\begin{description}
\item[Löss] Sehr schluffreiches äolisches Sediment (50-80\% Schluff), meist in periglazialen Gebieten.
 
\item[fluviatile Sande] (Flussablagerungen), die oft bis zu 95\% Sand enthalten. In Flussauenlandschaften wird die Textur der Böden oft mit zunehmender Entfernung vom Flussbett feiner, weil die Fliessenergie des Wassers bei Überschwemmungen abnimmt.

\end{description}
\newpage

\huge{}
Bodenstruktur, Gefüge

(Allgemein, Begriffe)
\normalsize{}\newpage
Mineralischen Partikel liegen meistens nicht als lose Schüttung (Sanddüne) oder gleichmässig kompakte Packung (kompaktes Sediment) vor, sondern bilden sogenannte \textbf{Bodenaggregate}.

Die Begriffe \textbf{Gefüge} oder \textbf{Bodenstruktur} bezeichnen die Art der Anordnung der festen Bodenpartikel im Raum.
\newpage

\huge{}
Gründe für die Enstehung der Bodenaggregate

(Beispiele)
\normalsize{}\newpage

Die Entstehung der Bodenaggregate kann auf \textbf{biologische}, \textbf{physikalische} oder \textbf{chemisch-physikalische} Prozesse zurückgeführt werden.

Beispiele:
\begin{itemize}
\item Krümelgefüge
\item Polyedergefüge (tonreich) und Subpolyedergefüge (lehmig-schluffig)
\item Klumpengefüge (gross) oder Bröckelgefüge (klein)
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Krümelgefüge

(Entstehung, Eigenschaften)
\normalsize{}\newpage
Hohe biologische Aktivität in Oberböden mit günstigem pH und Nährstoffbedingungen schafft ein stabiles \textbf{Krümelgefüge} (locker gelagertem rundlich geformte Aggregate), welches durch wühlende und verklebende Tätigkeiten von Bodentieren (z.\,B. regenwürmer) entsteht. Oberböden mit einem Krümelgefüge sind gut druchlüftet, gut durchwurzelbar und erlauben eine rasche Wasserinfiltration bei Niederschlägen.
\newpage

\huge{}
Polyedergefüge, Subpolyedergefüge, Prismengefüge

(Entstehung, Eigenschaften)
\normalsize{}\newpage
Alle diese Gefüge entstehen durch Quellen und Schrumpfen von Böden bei Austrockung und Wiederbefeuchten.

\begin{description}
\item[Polyedergefüge]
In tonreichen Böden entstehende kantige Bodenaggragate.
 
\item[Subpolyedergefüge] In lehmig-schluffigen Böden entstehend, die Kanten sind nicht ganz so scharf wie die der Polyedergefüge.
 
\item[Prismengefüge] (grosse Aggregate die hochkant im Boden angeordnet sind).
Im Unterboden, der nicht oft vollständig austrocknet, die Aggregate sind grösser und die Schrumpfrisse gehen senkrecht in den Boden. Relativ gross Zerfallen in Polyedergefüge.
\end{description}
\newpage

\huge{}
Klumpengefüge, Bröckelgefüge

(Entstehung, Eigenschaften)
\normalsize{}\newpage
Durch die Bodenbearbeitung (Landwirtschaft) werden die Aggregate mechanisch zerkleinert und beliebig gebrochen:
\begin{description}
\item[Klumpengefüge]
gross
 
\item[Bröckelgefüge]
klein
\end{description}
\newpage

\huge{}
Bedeutng des Bodengefüges

\normalsize{}\newpage
\begin{itemize}
\item
Die Bodenstruktur ist extrem wichtig für die Bodenfruchtbarkeit, vorallem in tonigen und lehmigen Böden.

\item 
Falls die Bodenpartikel \textbf{Aggregate} bilden, gibt es meistens zwischen den Aggregaten grössere Poren, diese fördern:
\begin{itemize}
\item Durchlüftung
\item Wasserinfiltration
\item Durchwurzelbarkeit
\end{itemize}

\item
Stabiles Aggregategefüge, vermindert die Neigung des Bodens zu:
\begin{itemize}
\item Verschlammung
\item Verkrustung
\item Bodenerosion
\end{itemize}
erleichtert:
\begin{itemize}
\item Bodenbearbeitung
\end{itemize}

\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Bedeutung der Makroporen
\normalsize{}\newpage
Makroporen ($>$50 $\mu$m) sind besonders wichtig für:

\textbf{Gasaustausch} zwischen Atmosphäre (O$_2$-reich) und Bodenluft (CO$_2$-reich (Atmung Wurzeln, Mikroorganismen)), schnell in Luftgefüllten Makroporen, stark gehemmt in wassergefüllten. 

\textbf{Wasserinfiltration und -speicherung} Infiltration verläuft besonders schnell in gut vernetzten Makroporen. Für die Wasserspeicherung sind vorallem Feinporen ($<$0.2 $\mu$m), Mittelporen (0.2-10 $\mu$m) und enge Grobporen (10-50 $\mu$m) von Bedeutung.

\textbf{Lebensraum} Tiere der Meso- und Makrofauna brauchen Makroporen als Lebensraum. Manche Tiere schaffen sich selbst Poren (z.\,B. Regenwürmer), andere sind auf bestehende Poren angewiesen.

\textbf{Transportvorgänge} Alle Transportvorgänge im Boden (Gase, Wasser, gelöste Stoffe), werden durch das Porensystem massgeblich beeinflusst. Makroporen bilden oft präferentielle Fliesswege für Wasser und gelöste Stoffe.

\textbf{Eindringwiderstand für Wurzeln} wird bestimmt durch die Lagerung der Bodenpartikel und den Porenraum. In sehr dicht gelagerten Böden ist das Wurzelwachstum stark gehemmt.
\newpage

\huge{}
Porosität und Lagerungsdichte
\normalsize{}\newpage
Die Porosität, Porengrössenverteilung und Vernetzung im Boden wird durch die Textur (Korngrössenverteilung) und das Gefüge (Aggregierung) des Bodens bestimmt.
\newpage

\huge{}
Porosität $E$

(Definition)
\normalsize{}\newpage
Porosität
$$E =\frac{V_P}{V} = 1 -\frac{\varrho_a}{\varrho_r}$$
mit
$$\varrho_a =\frac{M_m}{V}$$
$$\varrho_r = \frac{M_m}{V_m}$$

\begin{tabular}{ll}
$E$ & Porosität\\
$V$ & Gesamtvolumen\\
$V_P$ & Porenvolumen\\
$V_m$ & Bodenpartikelvolumen\\
$\rho_a$ & Lagerungsdichte (Dichte mit Poren)\\
$\rho_r$ & relle Dichte (Dichte Festanteil, \glqq{}ohne\grqq{} Poren)\\
$M_m$ & Masse Bodenpartikel in $V$
\end{tabular}
\newpage

\huge{}
Reelle Dichte von:

Quarz, Feldspäten und Böden
\normalsize{}\newpage

\begin{tabular}{ll}
Festphase & Relle Dichte [g/cm$^3$ = kg/l]\\
\hline
Quarz & 2.65\\
Feldspäte & 2.54 - 2.76\\
Böden & 2.55 - 2.75
\end{tabular}

Alle $\approx$ 2.6.
\newpage

\huge{}
Typische Lagrunsdichten von Böden

\normalsize{}\newpage

\begin{tabular}{lll}
$\varrho_a$ [g/cm$^3$ = kg/l] & Beschreibung & Vorkommen\\
\hline
$<$0.9 & extrem locker & Torfe, Tone, vulkanische Böden\\
0.9 - 1.1 & locker & sehr lockere Oberböden\\
1.1 - 1.3 & mittel & Oberböden, Unterböden\\
1.3 - 1.5 & leicht verdichtet & Unterböden\\
1.5 - 1.7 & dicht & verdichtete Unterböden\\
$>$1.7 & extrem dicht & stark verdichtete Sedimente
\end{tabular}
\newpage

\huge{}
Primär- und Sekundärporen
\normalsize{}\newpage
\begin{description}
\item[Primärporen] Die Bodenmatrix besteht aus Partikeln verschiedener Grössen (0.01 - 2000 $\mu$m) und Form $\Rightarrow$ Primärporen zwischen den Partikel unterschiedlicher Grösse und Form (in den Aggregaten).
\item[Sekundärporen] In aggregierten Böden grobe Poren \textbf{zwischen den Aggregaten}.
\end{description}
\newpage

\huge{}
Sickerwasser

\normalsize{}\newpage
Wasser welches auf Grund der Schwerkraft aus dem Boden ausfliessen kann.

Sättigt man einen Boden mit Wasser und lässt ihn anschliessend frei dränen, so füllen sich die grossen Poren wieder mit Luft, weil das Wasser durch die Schwerkraft nach unten absickert. Dieses Wasser nennt man Sickerwasser.
\newpage

\huge{}
Adsorptionswasser

Kapillarwasser

\normalsize{}\newpage
Teil des Wasser der als Wasserfilm um feste Bodenpartikel (\textbf{Adsorptionswasser}) und in feinen oder mittleren Poren (\textbf{Kapillarwasser}) gegen die Schwerkraft zurück gehalten wird und somit im Boden gespeichert.

Wird auch als \textbf{Haftwasser} bezeichnet.

(Adsorptionswasser (und Kapillarwasser?) ist für Pflanzen nicht verfügbar).
\newpage

\huge{}
freies Wasser

\normalsize{}\newpage
Wasser welches nicht durch Kräfte im Boden festgehalten wird, aber trotzdem nicht versickern kann, da die Versickerung gehemmt ist (z.\,B. durch eine Stauschicht).
\newpage

\huge{}
Grundwasser

Stauwasser
\normalsize{}\newpage
\begin{description}
\item[Grundwasser]
Ganzjährig mit Wasser gesättigter Boden.

\item[Stauwassser]
Boden der im Jahresverlauf nur zeitweise gesättigt ist.
\end{description}
\newpage

\huge{}
Matrixpotential

\normalsize{}\newpage
Wasser wird unterschiedlich stark im Boden gebunden. Man kann dies auch als sogenanntes \textbf{Matrixpotential} ausgedrücken.
\newpage

\huge{}
Hydraulisches Potenzial des Wassers

(Formeln und Erklärung)
\normalsize{}\newpage
\begin{tabular}{lll}
\multirow{6}{*}{$\psi_H = \psi_z + \underbrace{\psi_m + \psi_g + \psi_o}_{\psi_W}$}
& $\psi_H$ & hydraulisches Potential\\
& $\psi_z$ & Gravitationspotential\\
& $\psi_m$ & Matrixpotentiel\\
& $\psi_g$ & Gaspotential\\
& $\psi_o$ & osmotische\\
& $\psi_W$ & Wasserpotential
\end{tabular}


\textbf{Wasserspannung} entspricht dem neagtiven Wert des Wasserpotentials, also der Saugspannung (=Unterdruck).

Im Allgemeinen kann das Gaspotential (nur nicht falls Luftdruck im Boden anders als am Bezugspunkt (z.\,B. in Experimenten zur Wasserbindung)) und das osmotische Potential (nur nicht in ariden Gebieten und Böden der Salzmarschen) vernachlässigt werden.

Wasser bewegt sich immer in Richtung des niedrigsten hydraulischen Potentials bis ein Gleichgewicht herrscht:
$$
\psi_H = \psi_z + \psi_m = 0
$$
\newpage

\huge{}
Hydraulisches Potenzial und Wassergehalt

(Grafik)
\normalsize{}\newpage
\input potential.pdf_t

Bezugspunkt: Grundwasserspiegel/Wasseroberfläche (WO) $\psi_z=0$.

Nicht-linearer Wassergehaltverlauf der von der Porosität, Porengrössenverteilung und Textur abhängt.
\newpage

\huge{}
pF-Kurve

(Beziehung, Messart, Beeinflussung, Hysterese)
\normalsize{}\newpage
\begin{description}
\item[Beziehung]
Beziehung zwischen Wasserspannung und Wassergehalt (pF $= \log{(-\psi_W)} = \log{(-(\psi_m + \psi_g + \psi_o))}$).
 
\item[Messung] Wird meist als Desorptionskurve gemessen, d.\,h. eine Bodenprobe wird vollständig mit Wasser gesättigt und dann Schrittweise bei steigendem Druck entwässert.

\item[Beeinflussung] Bodengefüge beeinflusst die pF-Kurve vorallem im Bereich niedriger Wasserspannung (pF $<$ 2), weil das Gefüge vorallem die sekundären Makroporen beeinflusst

\item[Hysterese] pF-Kurve ist keine eindeutige Beziehung für einen bestimmten Boden. Hysterese-Effekt tritt auf wenn z.\,B. vom gesättigten Zustand entwässert wird und dann wieder befeuchtet auf Grund von eingeschlossener Luft, Benetzungseffekte, Flaschenhalseffekte und Matrixdeformation.
\end{description}
\newpage

\huge{}
pF-Kurve \label{pFKurve}

(Grafisch: Einfluss der Textur und des Gefüges)
\normalsize{}\newpage
\input pf_kurve.pdf_t
\newpage

\huge{}
Wasserbewegung im Boden

Warum?

Von was hängt die Wasserbewegung ab?
\normalsize{}\newpage
Das hydraulische Gleichgewicht im Boden wird durch Verdunstung, Niederschläge und Pflanzenwachstum gestört $\Rightarrow$ Wasser ist in Bewegung in Richtung des niedrigsten hydraulischen Potentials.
\newpage

\huge{}
Geschwindigkeit der Wasserbewegung im Boden
\normalsize{}\newpage
Die Geschwindigkeit im Boden hängt ab vom \textbf{hydraulischen Potential} und der \textbf{Wasserleitfähigkeit} des Bodens.

\textbf{Darcy Gleichung}
$$v = \frac{Q}{F} = K_f \frac{d\psi_H}{dx}$$
\begin{tabular}{ll}
$v$ & Flussgeschwindigkeit [cm/s]\\
$Q$ & Wassermenge [cm$^3$/s]\\
$F$ & Querschnittsfläche [cm$^2$]\\
$K_f$ & hydraulische (gesättigte) Leitfähigkeit [cm/s]\\
$\psi_H$ & hydraulisches Potential [cm]\\
$x$ & Distanz in Fliessrichtung [cm]
\end{tabular}

Die hydraulische Leitfähigkeit hängt vorallem von der Grössenverteilung der wasserleitenden Poren ab. Wenn der \textbf{Wassergehalt abnimmt} werden vorallem die grösseren Poren mit Luft gefüllt und die \textbf{Leifähigkeit} nimmt im Vergleich zum gesättigten Boden \textbf{stark ab}.

Wasserleitfähigkeit eines Sandbodens ist niedriger als die eines Lehmbodens wenn die Wasserspannung auf pF $>$ 2 ansteigt! 
\newpage

\huge{}
Werte der Wasserleitfähigkeit von wassergesättigten Böden
\normalsize{}\newpage
\begin{tabular}{lllllll}
Bodenart & \multicolumn{6}{c}{Wasserleitfähigkeit $K_f$}\\
& \multicolumn{3}{c}{[cm/s]} & \multicolumn{3}{c}{[cm/d]}\\
Sande & $\approx 4 \cdot 10^{-1}$ & - & $4 \cdot 10^{-3}$ & $\approx 3 \cdot 10^{4}$ & - & $3 \cdot 10^{2}$\\
Schluffe & $\approx 4 \cdot 10^{-1}$ & - & $5 \cdot 10^{-5}$ & $\approx 3 \cdot 10^{4}$ & - & $4$\\
Lehme & $\approx 4 \cdot 10^{-1}$ & - & $1 \cdot 10^{-5}$ & $\approx 3 \cdot 10^{4}$ & - & $1$\\
Tone & $\approx 4 \cdot 10^{-1}$ & - & $4 \cdot 10^{-7}$ & $\approx 3 \cdot 10^{4}$ & - & $1 \cdot 10^{-2}$
\end{tabular}

Weniger als 4 mm pro Sekunde bzw. 300 m am Tag.

In Tonen sinkt die Fliessgeschwindigkeit bis zu 0.1 mm pro Tag!
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\huge{}
Wasserbilanz und Bodenwasserregime
\normalsize{}\newpage
$$N + Z = ET + V + A + \Delta S$$
\begin{tabular}{ll}
$N$ & Niedrschlag\\
$Z$ & laterale Zufluss (Grund-, Oberflächenwasser)\\
$ET$ & Evapotranspiration (Verdunstung)\\
$V$ & Versickerung\\
$A$ & lateraler Abfluss (Grund-, Oberflächenwasser)\\
$\Delta S$ & Änderung in der Wasserspeicherung im Boden
\end{tabular}

$A$ und $Z$ hängen stark von Hangneigung und Reliefposition ab

$V$ (und damit der Beitrag zur Grundwasserneubildung) wird massgeblich von allen anderen Grössen beeinflusst.

$\Delta S = 0 $ gilt für längere Zeiträume (1 Jahr).

$N \nearrow{} \Rightarrow V \nearrow{}$ oder $ \nearrow{} A$ ($\Rightarrow$ Bodenerosion)

Wasserspeicherung $S$ gross $\Rightarrow V \searrow{}$ und $ET \nearrow{}$, bzw. $S$ klein unter gleichen klimatischen Bedingungen mehr Grundwasserbildung.
\newpage

\huge{}
Klassifizierung des Wasserhaushalts von Böden
\normalsize{}\newpage
Der Wasserhaushalt von Böden wird in verschiedene \textbf{Bodenfeuchte-Regime} eingeteilt. Dazu wird die durchschnittlichen Anzahl von trockenen (pF $>$ 4.2), feuchten (pF $<$ 4.2) oder nassen (pF $\approx$ 0) Tage in einer bestimmten Bodentiefe zugrunde gelegt (US Soil Taxonomy).

\begin{tabular}{p{1.5cm}ll}
Boden-feuchte-Regime & Beschreibung & Vorkommen (Beispiele)\\
Aquic & Ständig nass, reduzierend & Grundwasserböden\\
Udic & Meist Feucht, aber nicht nass & Humide Klimate\\
Ustic & Zeitweise Feucht, aber mit Trocken zeit & Subtropische Zone\\
Aridic & Fast immer trocken & Aride Klimate\\
Torric & Meist trocken & Semiaride Klimate\\
Xerric & Feucht, aber trockener Sommer & Mediterrane Klimate
\end{tabular}
\newpage

\huge{}
Wasserversorgung der Pflanzen
\normalsize{}\newpage
Siehe auch pF-Kurve (Grafisch: Einfluss der Textur und des Gefüges) (\pageref{pFKurve})

\textbf{permanenter Welkepunkt (PWP)} Wenn der Boden trockener als der PWP (pF = 4.2) wird können die meisten Pflanzen kein Wasser mehr aus dem Boden aufnehmen (permanente Welke der Pflanzen).

\textbf{Totwasser}  Wasser welches von der Bodenmatrix festgehalten wird und nicht Pflanzenverfügbar ist.

\textbf{Feldkapazität (FK)} Wasser welches der Boden gegen die Schwerkraft längere Zeit halten kann. In der Praxis zwischen pF 1.8 und 2.5 abgeschätzt.

\textbf{nutzbare Feldkapazität (nFK)} Pflanzennutzbarer Anteil der FK.

\textbf{Pflanzenverfügbaren Wassermenge ($W_{pfl}$)} Abschätzung der maximal gespeicherten Menge aus dem effektiven Wurzelraum ($WR_{eff}$) und nFK:
$$
W_{pfl} \mbox{ [mm] }= nFK \mbox{ [mm/dm] } \cdot WR_{eff} \mbox{ [dm]}
$$

\begin{tabular}{llllll}
Wassergehalt beim PWP & Ton & $>$ & Schluff, Lehm & $>$ & Sand\\
FK & Ton & $>$ & Schluff, Lehm & $>$ & Sand\\
nFK & Ton & $<$ & Schluff, Lehm & $>$ & Sand
\end{tabular}
\newpage

\huge{}
Optimaler Grundwasserstand für die Landwirtschaft
\normalsize{}\newpage
\begin{description}
\item[Sandböden] $\approx$ 50 cm
\item[Schluff- und Lehmböden] 1.4 bis 1.8 m
\item[Tonböden] 0.9 bis 1.3 m
\end{description}
Dies ist durch die Unterschiede hinsichtlich kapillarem Aufstieg und Wasserleitfähigkeit begründet.
\newpage

\huge{}
Lufgehalt von Böden
\normalsize{}\newpage
Tendenziell sind immer die grössten Poren mit Luft gefüllt (die kleineren mit Wasser) $\Rightarrow$ nasse Böden sind schlecht und trockene gut durchlüftet.

Der Luftanteil schwankt je nach aktueller Bodenfeuchte zwischen 0 und 40 Vol-\%

\begin{tabular}{lrcr}
Boden & \multicolumn{3}{c}{Vol-\% Luft}\\
Sandböden & 30 & - & 40\\
Schluffböden & 10 & - & 25\\
Tonböden & 5 & - & 10
\end{tabular}

Dies sind nur grobe Werte da der Anteil stark vom Bodengefüge (grosse sekundär Poren zwischen den Bodenaggregaten) abhängt und somit von allen Faktoren die das Gefüge beeinflussen wie Verdichtung, Bodenbearbeitung, Verschlammung,\dots.
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Zusammensetzung der Bodenluft

Gase und ihre Entstehung sowie Partialdrücke
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Bodenluft enthält immer weniger O$_2$ und mehr CO$_2$ als atmosphärische Luft (Bodenorganismen (Bakterien, Pilze, Tiere) und Pflanzenwurzel atmen).

\textbf{aerobe} Bedingungen:

C$_6$H$_{12}$O$_6$ + 6O$_2$ $\rightarrow$ 6CO$_2$ + 6H$_2$O + 2800kJ/Mol (es werden equimolare Mengen an O$_2$ und CO$_2$ gebraucht Respirationsquotient \textbf{R = 1}).

\textbf{stark anaerobe} Bedingungen:
C$_6$H$_{12}$O$_6$ $\rightarrow$ 3CO$_2$ + 3CH$_4$ + 188kJ/Mol (\textbf{R$>$1}) $\Rightarrow$ erhöhter Gasdruck, Gas entweicht durch konvektiven Transport (aufsteigende Gasblasen in Sümpfen).
 
\textbf{Methan} entsteht z.\,B. in Mooren, Sümpfen (Sumpfgas), Reisfeldern, Müll-, Klär-, Hafenschlammdeponien (Biogas, Deponiegas).

\textbf{Weiter Gase:} \textbf{N$_2$O} (:-)-gas, Beiprodukt der Nitrifikation, vorallem bei Denitrifikation), \textbf{NH$_3$} (Ammoniak, aus NH$^+$ bei hohem pH (kalkhaltigen bzw. alkalischen Böden)), \textbf{H$_2$S} (Schwefelwasserstoff, unter stark aneroben Bedingungen in schwefelreichen Sedimenten).

\textbf{Partialdrücke:} \textbf{pO$_2$:} kann bis auf nahezu 0 verringert sein (z.\,B. wenn Boden nass ist), Atmosphäre: 0.207 \textbf{pCO$_2$:} kann bis auf 0.1 erhöht sein, Atmosphäre: 0.00035
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\huge{}
Gastransport

Arten von Gastransport
\normalsize{}\newpage
\begin{description}
\item[Konvektion] Druckdifferenzen führen zu einem konvektivem Gastransport im Boden.

Druckdifferenzen werden verursacht durch:
\begin{itemize}
\item Entstehen durch Schwankungen des Grundwasserspiegel
\item Verdrängung von Gasen durch infiltrierendes Wasser
\item Temperaturschwankungen
\item Gasentstehung in anaeroben Zonen
\end{itemize}

\item[Diffusion] Sehr wichtig ist der Gastransport durch Diffusion (Diffusion von O$_2$ in Luft ist $\approx$ 1000 mal schneller als in Wasser). Aus diesem Grund ist der Wassergehalt, die Verteilung von Wasser und Luft die Vernetzung von luftgefüllten Poren ausschlaggebend für die Gasdiffusion.
\end{description}
\newpage

\huge{}
Gashaushalt und Pflanzenwachstum

Was führt zu einer Hemmung des Pflanzenwachstums
\normalsize{}\newpage
Wurzelatmung und damit das Pflanzenwachstum kann gehemmt sein wenn:
\begin{description}
\item[Partialdrücke] pO$_2<0.1$ und pCO$_2>0.05$ sind.
\item[Toxische Gase] (Ethylen und H$_2$S) sich anreichern aufgrund einer schlechten Durchlüftung des Boden.
\end{description}
In den meisten Böden ist es ausreichend, wenn \textbf{$\geq{}$ 15\%} des Gesamtvolumen aus Poren besteht die mit Luft gefüllt sind, bei niedrigem Luftgehalt entsteht akute Gefahr für O$_2$-mangel (Luft $\neq$ O$_2$???).

Verdichtete Schichten wie Pflugsohle (nur wenige cm dick) können die O$_2$-Diffusion stark einschränken weil die luftgefüllten Poren unterbrochen sind.

Nebenbei: Böden sind wichtige Senken und Quellen von klimarelevanten Gasen wie z.\,B. CO$_2$, CH$_4$ und N$_2$O
\newpage

\huge{}
Wärmehaushalt

Bodentemperatur
\normalsize{}\newpage
Bodentemperatur ist ein wichtiger Faktor in der Landwirtschaft und für die Bodenbildung, beeinflusst direkt das Wachstum der Pflanzen und den mikrobiologischen Abbau der organischen Substanzen. Die Bodenoberfläche weisst die grössten Temperaturschwankungen auf (mit einen Teil der Sonneneinstrahlung direkt, strahlt jedoch auch wieder Energie ab).

Die Wärme wird im Boden gespeichert und nach unten (oben) transportiert, dies hängt von der \textbf{Wärmekapazität} und \textbf{Wärmeleitfähigkeit} ab, welche wiederum von der Zusammensetzung und dem Wassergehalt abhängen.

Temperaturschwankungen sind an der Oberfläche am grössten und nehmen mit zunehmender Tiefe ab.
 
\textbf{Tagesschwankungen} nehmen mit der Tiefe stark ab, in 50 cm Tiefe \mbox{$<$1 \textdegree{}C}

\textbf{Jahresschwankungen} nehmen mit der Tiefe stark ab, in 8 m Tiefe herrscht eine Temperatur die etwa dem Jahresmittelentspricht.

Siehe auch Abbildung 7.12 und 7.13
\newpage

\huge{}
Klassifikation des Wärmehaushalts von Böden
\normalsize{}\newpage
soil temperature regimes (nach US Soil Taxonomy)
\begin{tabular}{llllll}
\multirow{2}{*}{$\Delta T$ \label{sw}{$^1$}} & \multicolumn{5}{c}{Jahersmittel der Temperatur in 50 cm Tiefe (\textdegree{}C)}\\
& $<$0 & 0 bis 8 & 8 bis 15 & 15 bis 22 & $>$22\\
$>$5 & pergelic & frigid & mesic & thermic & hyperthermic\\
$<$5 & pergelic & cryic & isomesic & isothermic & isohyperthermic\\
\end{tabular}

\ref{sw}{$^1$} Differenz der Mittelwerte der Sommer- und Wintermonate: Nordhalbkugel: Sommermonate: Juni, Juli, August; Wintermonate: Dezember, Januar, Februar.

Die Böden um Zürich haben also ein \textbf{mesic soil temperature regime}.
\newpage

\huge{}
Physikalische Aspekte der Bodenfruchbarkeit (landwirtschaftlich)
\normalsize{}\newpage
\begin{itemize}
\item Durchwurzelbarkeit
 \begin{itemize}
 \item tiefgründig
 \item nicht stark verdichtet
 \end{itemize}
\item Wasserversorgung
 \begin{itemize}
 \item hohe nutzbare Feldkapazität
 \item event. Kapillarer Anschluss ans Grundwasser
 \end{itemize}
\item geringe Erosion und Verschlammung
 \begin{itemize}
 \item ausreichende Wasserinfiltration
 \end{itemize}
\item O$_2$-Versorgung
 \begin{itemize}
 \item ausreichende Drainage
 \item ausreichende Durchlüftung
 \end{itemize}
\end{itemize}
\textbf{$\Rightarrow$ tiefgründige Lehme mit lockerem Aggregatsgefüge}
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\huge{}
Pflanzennährstoffe

Welche Arten von Nährelementen gibt es?

Einfluss auf Bodenfruchbarkeit?
\normalsize{}\newpage
Pflanzen benötigen zum Wachstum CO$_2$ (Photosynthese) und O$_2$ (Atmung) aus der Luft sowie Wasser aus dem Boden.

\textbf{essentielle Nährelemente} 14 Elemente aus dem Boden, ohne die kein normales Wachstum möglich wäre. Ausser C, das durch Photosynthese assimiliert wird.

\textbf{Makro-Nährelemente} 6 die in grösseren Menge benötigt werden: N, K, Ca, Mg, P, S. 

\textbf{Mikro-Nährelemente} 8 die nur in sehr geringen Mengen benötigt werden: Cl, Fe, Mn, Zn, B, Cu, Mo, Ni, für manche Pflanzen ist auch Na essentiell (z.\,B. Halophyten).

Für \textbf{Tiere und Menschen} essentielle Mikro-Nährelemente Cr, Se, I, Fe, V, Ni, Sn werden von Pflanzen ebenfalls in geringen Mengen aus dem Boden aufgenommen, wodurch sie in die Nahrungskette gelangen.

\textbf{Bodenfruchtbarkeit:} Die Nährelemente müssen \textbf{ausreichend} in \textbf{pflanzenverfügbarer Form} und zum \textbf{richtigen Zeitpunkt} vorhanden sein, sowie im \textbf{günstigen Verhältnis} zueinander (z.\,.B ist Ca aufnahme bei einen zuniedrigen Ca/Mg Verhältnis gehemmt).
\newpage

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Nährstoffvorrat und Verfügbarkeit

Arten der Verfügbarkeit
\normalsize{}\newpage
Pflanzen können Nährstoffe nur aufnehmen wenn sie als bestimmte Spezies vorliegen:
\begin{itemize}
\item als gelöstes freies kation oder Anion (z.\,B. Hauptnährelemente Kationen (Ca$^{2+}$, Mg$^{2+}$, K$^+$, NH$_4^+$) und Anionen (NO$_3^-$, SO$_4^{2-}$, HPO$_4^{2-}$, H$_2$PO$_4^-$)).
\item als gelöster anorganischer Komplex
\item als niedermolekularer organischer Komplex (nur manche)
\end{itemize}
In der Regel liegen nur sehr kleine Teile des gesamten Nährstoffvorrats gelöst in der Bodenlösung vor, der rest ist in Unterschiedlicher From an bzw. in die Festphase des Bodens gebunden.
\newpage

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Nährstoffvorrat und Verfügbarkeit

Nachlieferung

\normalsize{}\newpage
Während der Vegetationsperiode müssen Nährstoffe aus den Festphasen in die Bodenlösung nachgeliefert werden. Die Nachlieferungsrate hängt ab von

$\bullet$ chemischen Bindungsformen

$\bullet$ Bodenfeuchte

$\bullet$ Bodentemperatur

$\bullet$ Aktivität der Mikroorganisem

Beispielsweise werden austauschbar von Tonmineralien adsorbierte Kationen sehr schnell nachgeliefert, während Kationen im Kristallgitter von Mineralien nur sehr langsam durch Verwitterung freigesetzt werden.

Die Nachlieferung von N und P aus der organischen Substanz hängt stark ab von:

$\bullet$ deren Zusammensetzung

$\bullet$ Aktivität von Mikroorganismen und daher auch von

$\bullet$ Temperatur

$\bullet$ Bodenfeuchte
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Nährstoffvorrat und Verfügbarkeit

Unterschiedliche Bindungsformen der Nährstoffe und ihre Verfügbarkeit
\normalsize{}\newpage
Die Nährstoffe können im Boden in unterschiedlichen Bindgunsformen vorkommen, die nicht alle gleich gut pflanzenverfügbar sind, z.\,B.:

$\bullet$ Sehr leicht pflanzenverfügbar:\\
- als freie Ionen oder Komplexe in der Bodenlösung\\
- als lösliche Salze\\
- austauschbar an Mineraloberflächen gebunden

$\bullet$ Mässig leicht pflanzenverfügbar:\\
- spezifisch an Mineraloberflächen adsorbiert\\
- an organische Substanzen komplexiert\\

$\bullet$ Nicht direkt verfügbar, durch Abbau von organischer Substanz aber nachlieferbar:\\
- in Biomasse oder toter organischer Substanz eingebaut

$\bullet$ Nicht verfügbar, nur sehr langsam durch Mineralverwitterung nachlieferbar:\\
- in Zwischenschichten vonTonmineralien\\
- im Kristallgitter von Mineralen\\
- in Fe Oxidpartikeln eingeschlossen (okkludiert)
\newpage

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Bodenreaktion und Nährstoffverfügbarkeit

Was führt zu Versauerung?
\normalsize{}\newpage
Der \textbf{Boden pH-Wert (Bodenreaktion)} hat einen starken Einfluss auf die Verfügbarkeit von Nährstoffen und toxischen Metallkationen im Boden.

\textbf{Regen} führt ständig zu Säuren Eintrag, Wasser in Luft pH= 5.7, da sich CO$_2$ in Wasser löst:
H$_2$O + CO$_{2(g)}$ $\Leftrightarrow$ H$_2$CO$_3$ $\Leftrightarrow$ HCO$^-_3$ + H$^+$

\textbf{Anthropogene Luftverschmutzung} für zu starken Säuren wie HNO$_3$ und H$_2$SO$_4$ $\Rightarrow$ pH 3-5.

\textbf{Pflanzenwurzel und Mikroorganismen} produzieren Säuren (Abgabe von CO$_2$).
 
Pflanzenwurzeln geben zum Ladungsausgleich Protonen an die Rhizosphäre ab, wenn sie mehr Kationen als Anionen aufnehmen (vor allem bei NH$^+$ Ernährung).

Boden muss diesen Säureeintrag abpuffern, unter huminden Klimabedingungen wird er sonst schnell versauern. Viele Böden haben wirksame pH Puffersysteme, bis \textbf{Säureneutralitätskapazität} (SNK) erschöpft ist. 
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Bodenreaktion und Nährstoffverfügbarkeit

Was wirkt der Versauerung entgegen?
\normalsize{}\newpage
Viele Böden haben wirksame pH Puffersysteme, bis \textbf{Säureneutralitätskapazität} (SNK) erschöpft ist.

Böden die fein verteilte Carbonate (z.\,B. CaCO$_3$) enthalten, sind immer neutral bis leicht alkalisch (pH 7.2-8.2), Säure eintrag wird durch Auflösung von Kalk neutralisiert.

CaCO$_3$ + H$^+$ $\rightarrow$ Ca$^{2+}$ + HCO$_3^-$

Unter humiden Klimabedingungen (positive Wasserbilanz) werden die HCO$_3^-$ Ionen zusammen mit Ca$^{2+}$ oder anderen Kationen ausgewaschen $\Rightarrow$ der Boden versauert nicht, jedoch Abnahme von Carbonatgehalt und damit auch seine SNK.

In neutralen bis leicht basischen Böden sind über 80\% der Kationenaustauschkapazität (KAK) mit Ca$^{2+}$ belegt, und der Rest mit anderen \textbf{\glqq{}basischen Kationen\grqq{}} Mg$^{2+}$, K$^+$, Na$^+$ (chemisch gesehen keine Basen, Begriff der Bodenkunden, da die Kationentauscher in neutralen bis alkalischen Boden zu 100\% mit diesen Kationen gesättigt sind).
Die Basensättigung ist der prozentuale Anteil der KAK der mit basischen Kationen belegt ist. Basensättigung ist also nahezu 100\% $\Rightarrow$ oft ausreichend mit Nährstoffen versorgt, zumindest mit Ca$^{2+}$.
\newpage

\huge{}
Bodenreaktion und Nährstoffverfügbarkeit

Wann und wie versauert ein Boden?
\normalsize{}\newpage
Wenn ein Bodenhozizont vollständig versauert ist, kenn er unter humidem Klima versauern. Frei Protonen werden nicht mehr durch die Auflösung von Kalk neutralisiert, sondern zunächst durch Kationenaustauschreaktionen, z.\,B. an Tonmineralien:

Ton $\cdot$ Ca + 2 H$^+$ $\rightarrow$ Ton $\cdot$ H$_2$ + Ca$^{2+}$

Die adsorbierten Protonen greifen die Silikatstruktur an $\Rightarrow$ \textbf{chemische Verwitterung}  wodurch \textbf{Al$^{3+}$ Ionen} frei werden, diese werden an den Kationenaustauscher gebunden und verdrängen somit andere Kationen, die ihrerseits mit dem Sickerwasser ausgewaschen werden. Damit \textbf{steigt} mit zunehmender Versauerung die \textbf{Al-Sättigung} der Kationentauscher. Basensättigung sinkt entsprechend, wodurch Kationenaustauschpuffersystem immer weniger wirksam wird.

Unterhalb pH 5 wird das Al-Puffersystem zunehmend wichtiger, z.\,B. nach der Gleichung:

Al(OH)$_{3(s)}$ + 3 H$^+$ $\rightarrow$ Al$^{3+}$ + 3 H$_2$O

Unterhalb von pH 5 nimmt auch die Al$^{3+}$ Konzentration in der Bodenlösung mit sinkendem pH Wert stark zu.
\newpage

\huge{}
Bodenreaktion und Nährstoffverfügbarkeit

Probleme zu hoher Al$^3+$ Konzentration?

Woher kommt die hohe Al$^3+$ Konzentration?
\normalsize{}\newpage
Zu hohe Al$^3+$ Konzentration in der Bodenlösung (vor allem im Verhältnis zu Ca$^{2+}$ und Mg$^{2+}$) können zu einer starken \textbf{Hemmung des Wurzelwachstums} führen $\Rightarrow$  sekundär zu \textbf{Wasser- und Nährstoffmangel} (P, Mg).
 
Selbst Pflanzen von relativ toleranten Waldbäumen (z.\,B. Fichte) können geschädigt werden wenn Ca$^{2+}$/Al$^{3+}$ $<$ 1 wird.

Saurer Regen $\Rightarrow$ Versauerung schlecht gepufferter Böden $\Rightarrow$ Waldsterben
\newpage

\huge{}
Einstufung des pH Wertes von Böden in Säureklassen
\normalsize{}\newpage
\begin{tabular}{lcllp{7cm}}
\multicolumn{3}{p{1.8cm}}{Boden pH-Wert} & Einstufung & Vorkommen\\
9.1 & - & 10.0 & stark alkalisch & Na$_2$CO$_3$ haltige Böden (aride Gebiete)\\
8.1 & - & 9.0 & mässig alkalisch & \\
7.1 & - & 8.0 & schwach alkalisch & CaCO$_3$ haltige Böden\\
7.0 & & & neutral & \\
6.0 & - & 6.9 & schwach sauer & kalkfreie Böden mit hoher Basensättigung\\
5.0 & - & 5.9 & mässig sauer & kalkfreie, leicht bis mässig versauerte Böden\\
4.0 & - & 4.9 & stark sauer & kalkfreie, stark versauerte Böden\\
3 & - & 4 & extrem sauer & saure organische Auflagen (Rohhumus)
\end{tabular}
\newpage

\huge{}
pH Wert in der Landwirtschaft
\normalsize{}\newpage
pH Wert im mässigen bis schwach sauren Bereich (5-6 pH) wird angestrebt, je nach Tongehalt, Humusgehalt und Kulturpflanze.

In \textbf{sauren Böden} kann eine zu hohe Konzentration an Al und/oder Mn das Pflanzenwachstum durch \textbf{Toxität oder Verdrängung von Nährstoffkationen} beeinträchtigen.

Bei zu \textbf{hohem pH Wert} kann die Verfügbarkeit von einigen \textbf{Mikronährstoffen zu gering} sein (z.\,.B Mn, Cu, Zn, Fe, B,\dots).

Verfügbarkeit von P ist im leicht sauren pH Bereich optimal, weil in sehr sauren Böden schwerlösliche Fe oder Al Phosphate und in neutralen bis alkalischen Böden schwer lösliche Ca Phosphate entstehen.
\newpage

\huge{}
Arten von Adsorbtionsprozesse
\normalsize{}\newpage
Adsorbtionsprozesse spielen eine sehr wichtige Rolle für die Bioverfügbarkeit und Mobilität von Kationen und Anionen in Böden. Grundsätzlich zwei Arten:
\begin{description}
\item[Unspezifische Adsorption] elektrostatische Anziehung zwischen Ionen und entgegengesetzt geladenen Mineralobeflächen bzw. organischen Substanzen (z.\,B. Kationenaustausch).

\item[Spezifische Adsorption] Chemisorption, durch die Bildung von Komplexen an Mineraloberflächen oder Komplexen mit funktionellen Gruppen der organischen Substanz.
\end{description}
\newpage

\huge{}
Kationenaustausch

Kationenaustauschkapazität

Wichtigsten Kationen
\normalsize{}\newpage
Wichtigste Form der unspezifischen Adsorption in Böden, da die meisten Oberflächen in Böden negativ geladen sind. Die negative Ladung wird immer durch eine equivalente Menge an austauschbaren Kationen ausgeglichen.
 
Die Kationenaustauschkapazität (KAK) eines Bodens entspricht der Gesamtmenge der negativer Oberflächenladung seiner Bestandteile [mol$_c$/kg, Mol Ladung pro kg].

Kationenaustauschreaktionen sind in der Regel schnell und reversibel.

Die wichtigsten sind Ca$^{2+}$, Mg$^{2+}$, Na$^+$, K$^+$ (basische Kationen) und Al$^{3+}$, H$^+$ (saure Kationen).
\newpage

\huge{}
Basensättigung, Al-Sättigung

Anteile
\normalsize{}\newpage
\begin{description}
\item[Basensättigung] Ist der prozuentualer Anteil der Kationenaustauschkapazität (KAK) der mit basischen Kationen abgesättigt ist.

\item[Al-Sättigung] Ist der prozentuale Anteil der KAK, der mit austauschbaren Al$^{3+}$ abgesättigt ist.
\end{description}

In Kalkhaltigen Böden beträgt die Basensättigung stets 100\%, die Ca-Sättigung meistens über 90\%.
 
Erst wenn Böden kalkfrei sind können sie versauern. Debei sinkt dann die Basensättigung ab und die Al-Sättigung steigt an.
 
In sehr stark sauren Mineralböden beträgt die Al-Sättigung oft über 80\% und die Basensättigung weniger als 20\%.
\newpage

\huge{}
Kationenaustauschkapazität (KAK) und Sättigung der KAK mit basischen und sauren Kationen

(Grafik)
\normalsize{}\newpage
Mit zunehmender Versauerung nimmt auch die effektive KAK ab, weil die negative Ladung durch Protonierung von Oberflächengruppen abnimmt.
KAK$_{potentiell}$ bei pH 8.2 wird in der Bodenklassifikation verwendet
KAK$_{effektiv}$ beim aktuellen Boden pH
\input kak.pdf_t
\newpage

\huge{}
Spezifische Adsorption
\normalsize{}\newpage
Wichtiges Beispiel:

Spezifische Adsorption von Phosphat Anionen an Oberflächen von Oxiden und Hydroxiden im Boden (z.\,B. an Geothit, FEOOH). Die Stärke der Phospatadsorption an Oxide steigt mit abnehmendem pH Wert $\Rightarrow$ in Sauren Böden wird \textbf{Phosphat} stark an Fe Oxide und Hydroxide \textbf{gebunden} und ist somit schlechter pflanzenverfügbar.

Weiteres Beispiel:
Starke Bindung von Schwermetallen (z.\,B. Pb$^{2+}$, Cu$^{2+}$) an Oberflächen von Fe Oxiden und Hydroxiden und an die organische Substanz. Die Adsorption solcher Kationen sinkt mit abnehmendem pH Wert $\Rightarrow$ Schwermetalle sind in sauren Böden mobiler und pflanzenverfügbarer, als in neutralen bis alkalischen Böden.
\newpage

\huge{}
Makronährelement

Calcium (Ca)

\normalsize{}
Quellen

Bindungsformen
\newpage
\textbf{Quellen:} Ist in vielen Gesteins als Haupt- oder Nebenbestandteil enthalten.
In magmatischen Gesteinen (und entsprechend Metamorphiten) kommt Ca z.\,B. in Plagioklasen (Ca haltige Feldspäte), Pyroxenen und Amphiboten vor.

\textbf{Bindungsformen:} In Sedimentgesteinen (und entsprechenden Metamorphiten) ist Ca vorallem als Calcit (CaCO$_3$), Dolomit (CaMg(CO$_3$)$_2$) oder Gips (CaSO$_4\cdot$2H$_2$O), vorhanden, oft als Hauptbestandteil (z.\,B. in Kalkstein oder Dolomit). Durch Verwitterung wird Ca$^{2+}$ ausgewaschen oder an negative Oberflächen adsorbiert. Ca kann in tiefen Bodenhorizonten als Calcit ausfallen und dort zu Kalkanreicherung führen. Das austauschbare Ca ist gut pflanzenverfügbar, weil es schnell in die Bodenlösung hachgeliefert werden kann.
\newpage

\huge{}
Makronährelement

Calcium (Ca)

\normalsize{}
Konzentrationen in Böden und Pflanzen

Entzüge

Düngungsfromen
\newpage
\textbf{Konzentration:} Ca-Sättigung am Kationenaustauscher in neutralen Böden $>$80\% sinkt mit zunehmender Versauerung. Bodenlösung von landwirtschaftlichen Böden (gekalkt) häufig 40 - 160 mg/l Ca. In stark sauren Böden nur 1 - 5\%, Bodenlösung $<$0.1 - 5 mg/l Ca. Pflanzen enthalten zwischen 0.5 und 50g Ca pro kg Trockensubstanz.
 
\textbf{Entzüge:} Ca Mangel kommt in stark versauerten Böden vor, ausnahmen bei empfindlichen Kulturen. Ca wird nur im Xylem nicht im Phloem transportiert $\Rightarrow$ Stippigkeit (Ca Mangel Erscheinung) bei wenig transpirierende Pflanzenteilen (Früchte).

\textbf{Düngung:} Kalk (CaCO$_3$), Gips (CaSO$_4\cdot$2H$_2$O, besser löslich als Kalk), Superphosphat (CaHPO$_4$),\dots
\newpage

\huge{}
Makronährelement

Magnesium (Mg)

\normalsize{}
Quellen

Bindungsformen
\newpage
\textbf{Quellen/Bindungsformen:} Ist ein struktureller Bestandteil von verschiedenen Silikaten wie z.\,B. Biotite, Pyroxene, Amphibole, Olivine,\dots und ist damit in magmatischen Gesteinen enthalten. Basische Gesteine enthalten wesentlich mehr Mg als saure Gesteine. Sedimente enthalten in Unterschiedlichen Mengen Mg, sandige sind meist Mg-ärmer als tonige. In ultrabasischen Gesteinen Dolomit (MgCa(CO$_3$)$_2$) ist Mg Hauptbestandteil.

\textbf{Herauslösung:} Durch Verwitterung wird Mg$^{2+}$ aus den Mineralien herausgelöst ausgewaschen oder an negative Oberflächen adsorbiert (etwas schwächer als Ca). Das austauschbare Mg ist gut pflanzenverfügbar, weil es schnell in die Bodenlösung nachgeliefert werden kann.
\newpage

\huge{}
Makronährelement

Magnesium (Mg)

\normalsize{}
Konzentrationen in Böden und Pflanzen

Entzüge

Düngungsfromen
\newpage
\textbf{Konzentration:} Mg-Sättigung am Kationenaustauscher in landwirtschaftlichen oft zwischen 5\% und 25\% (15\% gelten als optimal). Die Bodenlösung enthält 0.1 - 60 mg/l Mg. In stark versauerte Waldböden 0.1 bis 1\% Mg Magelsymptome treten auf.

\textbf{Düngung:} Kieserti (MgSO$_4\cdot$H$_2$O) Mg-haltige NPK Dünger leicht löslich, Dolomit (CaMg(CO$_3$)$_2$) schwer löslich
\newpage

\huge{}
Makronährelement

Kalium (K)

\normalsize{}
Quellen

Bindungsformen
\newpage
\textbf{Quellen/Bindungsformen:} Ist struktureller Bestandteil von Glimmer (Biotit, Muskovit), Illiten, Alkalifeldspäten in allen magmatischen Gesteinen in unterschiedlichen Mengen vorhanden. In Sedimentgesteinen kommt K vor allem als Bestandteil von Schichtsilikaten (Glimmer, Illite,\dots) vor.
 
\textbf{Herauslösung:} Im Laufe der Bodenentwicklung wird K$^+$ bei der Verwitterung aus den Mineralien heausgelöst und ausgewaschen (bis ins Meer), ein Teil wird adsorbiert oder in der Vegetationsdecke gespeichert.
\newpage

\huge{}
Makronährelement

Kalium (K)

\normalsize{}
Konzentrationen in Böden und Pflanzen

Entzüge

Düngungsfromen
\newpage
\textbf{Konzentration:} K-Sättigung beträgt häufig 0.5 - 5 \%, die Bodenlösung enhält 2 -20 mg/l K.
 
\textbf{Entzüge:} Vermikulite und randlich aufgeweitete Illite können K$^+$ sehr stark in Zwischenschichten binden (\textbf{K-Fixierung}), nicht mehr pflanzenverfügbar. Spielt nur in Böden mit hohen Illit- oder Vermikulitgehalt und geringem K-Gehalt ein Rolle. Düngen dieser Böden führt zur Erschöpfung der K-Fixierkapazität, weiteres K wird dann in leicht auswaschbarer Form gespeichert, aufgenommen oder ausgewaschen.

\textbf{Düngung:} Kalisalz (KCl), Kainit (KNO$_3$), Kalisulfat (K$_2$SO$_4$),\dots
\newpage

\huge{}
Makronährelement

Phosphor (P)

\normalsize{}
Quellen

Bindungsformen
\newpage
\textbf{Quellen/Bindungsformen:} Die meisten Gesteine enthalten zwischen, 0.05 und 0.3\% P$_2$O$_5$, vorwiegend in Form von Apatiten (Ca$_5$(PO$_4$)$_3$(OH,F,CO$_3$). P liegt immer als Orthophosphat in der Oxidationsstufe +V vor.

\textbf{Herauslösung:} Bei Verwitterung wird es al PO$_4^3+$ freigesetzt, liegt im Wasser als H$_2$PO$_4^-$ oder HPO$_4^2-$ vor (ja nach pH). Phosphat wird von Mikroorganismen oder Pflanzen aufgenommen und in organische Verbindungen eingebaut, an Bodenpartikel adsorbiert, als Fe, Al, Ca Phosphate wieder ausgefällt oder in geringen Mengen ausgewaschen. Alte Böden (Tropen, Suptropen) weissen auf Grund von Auswaschung einen viel geringern gesamt P-Gehalt auf als Junge. Zudem ist in tropischen Böden der P-Verfügbarkeit gering (Phosphat ist stark an Fe, Al Oxide gebunden oder in Oxide eingeschlossen (\textbf{okkludiertes Phosphat})).
\newpage

\huge{}
Makronährelement

Phosphor (P)

\normalsize{}
Konzentrationen in Böden und Pflanzen

Entzüge

Düngungsfromen
\newpage
\textbf{Konzentration:} $<$0.1\% des gesamten P im Boden ist gelöst der Rest an Oberflächen adsorbiert, in organischen SUbstanzen eingebunden oder in der Bodenfestphase eingebunden. Bodenlösung enthält zwischen 0.001 und 5 mg/l P, in ungedüngten meistens $<$0.1 mg/l P
 
\textbf{Entzüge:} Orthophosphatanion (PO$_4^{3+}$) hat eine hohe Affinität zu Ca$^{2+}$, Fe$^{3+}$, Al$^{3+}$ $\Rightarrow$ unter sauren Bedingungen: schwerlösliche Fe Phosphate (Strengit FePO$_4\cdot$2H$_2$O), Al-Phosphate (Variszit, AlPO$_4\cdot$2H$_2$O); unter reduzierenden Bedingungen: Fe(II)-Phosphate (Vivianit, Fe$_3$(PO$_4$)$_2\cdot$8H$_2$O; bei hohem pH: Ca-Phosphate $\Rightarrow$ \textbf{P-Verfügbarkeit in Böden im mässig sauren pH Bereich (pH 5.5 - 6.0) ist am höchsten.}

Im Oberboden liegen 25 - 65\%  des gesamten P in organischen Bindungsformen vor, ca. 50\% davon als Phytate (Salze des Phytins), Rest Phospholipide, Nukleotid-Phosphate,\dots. Phytate sind schwerlöslich könne durch das von Bakterien, Pilzen produzierte Enzym Phytase gespalten werden, wobei das Phosphat wieder pflanzenverfügbar wird.

\textbf{Düngung:} verschieden Ca-Phosphate, Ammoniumphosphat, organische Düngung (Mist Klärschlamm (ab 2006 verboten)),\dots

\newpage

\huge{}
Makronährelement

Stickstoff (N)

\normalsize{}
Quellen

Bindungsformen

Konzentrationen in Böden und Pflanzen
\newpage
\textbf{Quellen:} Im Gegensatz zu allen anderen Nährstoffelementen ist N nicht in den Gesteinen erhalten, muss aus anderen Quellen in den Boden eingebracht werden. Wichtigste Quellen Niederschlag und biologische N$_2$-Fixierung durch freilebende und symbiontisch lebende Mikroorganismen. In der Landwritschaft regelmsässige N-Düngung.

\textbf{Konzentrationen in Böden und Pflanzen:} Ackerböden enthalten oft 1 - 3 g/kg N, organische Böden (z.\,B. Niedermoore) oft deutlich mehr. N liegt im Boden zum überwiegenden Anteil in organisch gebundener Form vor (oft $>$90\%), z.\,B. in Aminosäuren, Aminozuckern, heterozyklischen Ringstrukturen in Huminstoffen,\dots.

\textbf{Bindungsformen:} Anorganisch in Form von Nitrat (NO$_3^-$), Ammonium (NH$_4^+$), beide sehr gut wasserlöslich, NH$_4^+$ wird (da positiv) an Kationenaustauscher wie Tonminerale gebunden, NO$_3^-$ wird kaum absorbiert und deshalb leicht mit dem Sickerwasser ausgewaschen. 
\newpage

\huge{}
Makronährelement

Stickstoff (N)

\normalsize{}
Weshalb ist der Stickstoffhaushalt von Böden wichtig?
\newpage
\begin{itemize}
 \item N ist ein stark ertragsbestimmendes Hauptnährelement und wird in der Landwirtschaft regelmässig gedüngt.
 \item Nitrat kann leicht ins Grundwasser ausgewaschen werden und die Trinkwasserqualität mindern.
 \item ein übermässiger N-Eintrag in Oberflächengewässer kann zur Eutrophierung führen.
 \item Gasförmige N-Verluste (N$_2$O, NH$_3$) habe negative Umwelteinflüsse. N$_2$O ist ein Treibhausgas und trägt zur Zerstörung der Ozonschicht bei. NH$_3$ führt zu erhöhten N-Einträgen in nicht landwirtschaflich genutzte Ökosysteme und Gewässer.
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Makronährelement

Stickstoff (N)

\normalsize{}
Umsetzungsprozesse im Boden (grafisch)
\newpage
\input n-kreislauf.pdf_t
\newpage

\huge{}
Makronährelement

Stickstoff (N)

\normalsize{}
Konzentrationen in Böden und Pflanzen

Biologische N$_2$-Fixierung
\newpage
Verschieden Mikroorganismen könne mit Hilfe des Enzym Nitogenase N$_2$ spalten und reduzieren und damit aus der Atomsphäre binden und in die organische NH$_3$-Formen überführen.

Bakterien der Gattung Rhizobium (gehen mit Leguminosen eine Symbiose ein, Wurzelknöllchen). Maximale jährliche Fixierleistung:
\begin{tabular}{lr}
Erbsen & 120 kg N/ha\\
Ackerbohne & 150 kg N/ha\\
Rotklee & 170 kg N/ha\\
Luzerne & 225 kg N/ha
\end{tabular}

weitere symbiontische Fixierung Strahlenpilze - Symbiose mit Erlen. Neben symbiontischer Fixierung gibt es noch freilebende Mikroorganisem:

$\bullet{}$ Cyanobakterien (im Reisanbau wichtig)
 
$\bullet{}$ Azotobakter (aerob)

$\bullet{}$ Azotomonsa (aerob)

$\bullet{}$ Azospirillum (in Rhizosphäre von Gräsern)

$\bullet{}$ Clostridium (aerob)
\newpage

\huge{}
Makronährelement

Stickstoff (N)

\normalsize{}
Mineralisierung (Mobilisation)
\newpage
Bei der Mineralisierung durch heterotrophe Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Protozoen), die organische C-Verbindungen für den Energiegewinn und N für den Zellaufbau beötigen, wird N als NH$_4^+$ freigesetzt.

NH$_4^+$ geht in Bodenlösung und kann dort von Pflanzen aufgenommen werden, kann aber auch in Tonmineralien gebunden werden (NH$_4^+$-Fixierung).

Bei hohem C/N Verhältnis der abgebauten organischen Substanzen wird NH$_4^+$ zunächst durch die Mikroorganismen selbst genutzt und dadurch in mikrobieller Biomasse immobilisiert (\textbf{N-Immobilisation}), später jedoch freigesetzt.
\newpage

\huge{}
Makronährelement

Stickstoff (N)

\normalsize{}
Nitrifikation
\newpage
Die aerob autotroph lebedenden Bakterien Nitrosomonas, Nitrobakter oxidieren N und wandeln so Ammonium (NH$_4^+$) in Nitrat (NO$_3^-$) um.

NH$_4^+$ $\overset{Nitrosomonas}{\longrightarrow}$ NO$_2^-$ $\overset{Nitrobacter}{\longrightarrow}$ NO$_3^-$

Bedingung ist Anwesenheit von O$_2$ $\Rightarrow$ bei schlechter Durchlüftung des Bodens gehemmt, niedriger pH und kühle Temperaturen hemmen ebenfalls $\Rightarrow$ in schlecht durchlüfteten oder sauren Böden ist der Anteil an NH$_4^+$-N am gesamten anorganischen N grösser als in gut durchlüteten, neutralen Böden.

Nitrifikation läuft in zwei Teilschritten ab:
\begin{description}
\item[Nitrosomonas] NH$_4^+$ + 3/2 O$_2$ $\rightarrow$ NO$_2^-$ + H$_2$O + 2H$^+$ + 352 kJ
\item[Nitrobacter] NO$_2^-$ + 1/2 O$_2$ $\rightarrow$ NO$_3^-$ + 74.5 kJ
\end{description}
\newpage

\huge{}
Makronährelement

Stickstoff (N)

\normalsize{}
Denitrifikation
\newpage
Reduktion zu Nitrat (NO$_3^-$), Nitrit (NO$_2^-$), zu gasförmigen Stickoxiden (NO$_x$), ;-)-Gas (N$_2$O), N$_2$, die als Gase aus dem Boden entweichen.

Läuft vorwiegend biochemisch, teils auch chemisch ab.

Bei schlechter durchlüftung sinkt pO$_2$. Einige Mikroorganismen nutzen dann NO$_3^-$ (als Elektronenakzeptor) zur Atmung.

Leicht verfügbare C-Verbindungen werden zur Energiegewinnung oxidiert. Stickstoff wird dabei schrittweise reduziert.

$\overset{\mbox{V}}{\mbox{N}}$O$_3^-$ $\rightarrow$ $\overset{\mbox{III}}{\mbox{N}}$O$_2^-$ $\rightarrow$ $\overset{\mbox{II}}{\mbox{N}}$O $\rightarrow$ $\overset{\mbox{I}}{\mbox{N}}_2$O $\rightarrow$ $\overset{\mbox{0}}{\mbox{N}}_2$

Durch die Denitrifikation könne bis zu 30\% der gesamten N-Düngung verloren gehen, vor allem in feuchten, schlecht durchlüfteten Böden.

N$_2$O ist ein kilmarelevantes Spurengas!
\newpage

\huge{}
Makronährelement

Stickstoff (N)

\normalsize{}
Gaförmige Verluste (NH$_3$)
\newpage
In neutralen bis alkalischen Böden (pH $>$ 7) kann es zu Ammoniakverlusten kommen.

NH$_4^+$ + OH$^-$ $\rightarrow$ NH$_{3(G)}$ + H$_2$O

Gülle enthält häufig 50-70\% des gesamten N als NH$_4^+$.

NH$_4^+$ Verluste können durch Ausbringtechnik verringert werden z.\,B. direkte Einarbeitung der Gülle in den Boden.
\newpage

\huge{}
Makronährelement

Stickstoff (N)

\normalsize{}
Auswaschung
\newpage
NO$_3^-$ Auswaschung kann zu erheblichen N-Verlusten und zur Belastung des Grundwassers mit Nitrit führen.
 
\textbf{Einflussfaktoren} sind:
\begin{itemize}
\item Wasserspeichervermögen des Bodens
\item Niederschlagsmenge und -verteilung
\item Pflanzenbestand (N-Aufnahme, Transpiration)
\item N-Gehalte, Düngung, Mineralisierung
\end{itemize}

Einarbeitung von Stroh (hohes C/N Verhältnis) kann die N-Auswaschung im Winter verringern (N wird durch Mikroorganismen immobilisiert).

\textbf{Nitrat (NO$_3^-$)} ist ein Anion, wird daher nur schwach adsorbiert und daher \textbf{leicht ausgewaschen}.
 
\textbf{Ammoniak (NH$_4^+$)} wird an Tonminerale und Huminstoffe adsorbiert (da Kation) und daher viel \textbf{weniger schnell ausgewaschen}.
\newpage


\huge{}
Makronährelement

Stickstoff (N)

\normalsize{}
Düngungsfromen
\newpage
\textbf{Düngung:} NO$_3^-$, NH$_4^+$ Salz, Harnstoff, Ammoniak, organische Dünger (Mist, Gülle,\dots)
\newpage

\huge{}
Makronährelement

Schwefel (S)

\normalsize{}
Quellen

Bindungsformen
\newpage
\textbf{Quellen} Schwefel ist in Magmatiten vor allem in Form von Sulfiden (von Fe, Zn, Pb, Cu, Hg, Ni, Ag) enthalten (0.2 - 3 g/kg S).

Sedimentgesteine (und Böden daraus) enhalten ja nach Entstehung unterschiedlich viel S als Sulfate (z.\,B. Gips CaSO$_4\cdot$2H$_2$O) oder Sulfide (z.\,B. Pyrit, FeS).

Eintrag über die Atmosphäre ist eine wichtige S-Quelle (Vulkanausbrüche, Verbrennung von S-haltiger Kohle,\dots). Die Verbrennung von S-haltigen Brennstoffen hat zu hohen SO$_4^{2- }$-Einträgen geführt  $\Rightarrow$ Bodenversauerung (H$_2$SO$_4$ im saurem Regen).

\textbf{Herauslösung:} Bei der Bodenbildung oxidieren die Sulfide und S wird als Sulfat (SO$_4^{2-}$) freigesetzt.

\textbf{Bindungsformen:} 60 - 98\% des S in organischen Bindungsformen, Mineralische S-Formen: Sulfate, Sulfide

\begin{tabular}{lcl}
Sulfide & & Sulfate\\
$\overset{-II}{\mbox{S}}$ & $\longleftrightarrow$ & $\overset{VI}{\mbox{S}}$\\
anaerobe Bedingungen & & aerobe Bedingungen
\end{tabular}
\newpage

\huge{}
Makronährelement

Schwefel (S)

\normalsize{}
Konzentrationen in Böden und Pflanzen

Entzüge

Düngungsfromen
\newpage
\textbf{Konzentrationen in Böden und Pflanzen:} Mineralböden 0.1 - 0.5 g/kg S, Moore bis 10 g/kg S, Sulfatsaure Marschen bis 35 g/kg S. Böden auf Gipsgestein viel höhere Gehalte.

Pflanzen: 1-15 g/kg Trockensubstanz

\textbf{Entzug:} 15-45 kg S/ha

\textbf{Düngung:} CaSO$_4\cdot$2H$_2$O (Gips), K$_2$SO$_4$, MgSO$_4\cdot$2H$_2$O (Kieserit),\dots
\newpage

\huge{}
Ziele der landwirtschaftlichen Pflanzenproduktion und deren Beeinflussung
\normalsize{}\newpage
Ziele

$\bullet$ hohe Erträge

$\bullet$ gute Qualität der Erzeugnisse

$\bullet$ gesunde Nahrungsmittel/Futtermittel

$\bullet$ Vermeidung von Umweltschäden

Alle diese Ziele werden durch Nährstoffgehalte im Boden beeinflusst:
\begin{itemize}
\item Nährstoffmangel kann den Ertrag vermindern
\item Nährstoffüberschuss kann Mängel von anderen Nährstoffen induzieren (z.\,B. durch Aufnahmekonkurrenz zwischen K und Mg)
\item Zu hohe Nährstoffgehalte können die Qualität vermindern (z.\,B. zu hohe N-Gehalte in Zuckerrüben senkt die Zuckerausbeute), Anfälligkeit gegen Schädlinge und Pflanzenkrankheiten erhöhen (z.\,B. zu hohe N Gehalte im Getreide können Blattlaus- und/oder Pilzbefall fördern).
\item Hohe Nährstoffgehalte $\Rightarrow$ verstärkte Auswaschung $\Rightarrow$ Gewässereutrophierung, Trinkwasserbelastung (vor allem P und N).
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Düngungsarten und ihre Ziele
\normalsize{}\newpage
\textbf{Erhaltungsdüngung}

Dient dem Ausgleich der Nährstoffbilanz.

\textbf{Meliorationsdüngung}

Dient der Erhöhung der verfügbaren Nährstoffvorräte im Boden.
\newpage

\huge{}
Welche Voraussetzungen müssten erfüllt sein um eine optimale Düngung zu ereichen?
\normalsize{}\newpage
Man müsste\dots
\begin{itemize}
\item \dots die \textbf{Nährstoffbilanz} auf jedem Feld eines landwirtschaftlichen Betriebes kennen.
\item \dots die \textbf{Nährstoffvorräte} und die \textbf{Verfügbarkeiten} der Nährstoffe in den jeweiligen Böden abschätzen können.
\item \dots den \textbf{Bedarf} der angebauten Kulturpflanzen im Verlaufe der Vegetationsperiode kennen.
\item die optimale \textbf{Düngerform}, \textbf{zeitliche Verteilung} und \textbf{Ausbringungstechnik} wählen.
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Ermittlung von Nährstoffbilanzen
\normalsize{}\newpage
Ermittlung einer ganauen Nährstoffbilanz ist sehr aufwändig (grosse Zahl an Messungen und Analysen). In der Landwirtschaft oft Abschätzungen (Faustzahlen und vorhande Analysen).

Es sollte versucht werden eine Nährstoffbilanz so gut als möglich zu erstellen, bevor man einen Düngungsplan erstellt.

Mögliche Quellen für pflanzenverügbare Nährstoffe

$\bullet$ Nachlieferung aus Gesteinen (z.\,B. Ca, K, Mg, P, S)

$\bullet$ Atmosphärische Deposition (z.\,B. S, N)

$\bullet$ Anlieferung mit dem Grundwasser (z.\,B. Ca, Mg, N)

$\bullet$ Biologische N$_2$-Fixierung (N)
 
$\bullet$ Düngung (mineralisch, organisch)

Mögliche Nährstoffentzüge

$\bullet$ Pflanzenwachstum und Abfuhr (Ernte)

$\bullet$ Auswaschung (z.\,B. NO$_3^-$-N, Ca, Mg, Cl)

$\bullet$ Bodenerosion (z.\,B. P)

$\bullet$ Immobilisierung durch starke Sorption oder Ausfällung (z.\,B. K, P)

$\bullet$ Gasförmige Verluste (z.\,B. N$_2$, N$_2$O, NH$_3$)
\newpage

\huge{}
Nährstoffvorräte

\normalsize{}
Verfügbarkeit und Bedarf

Bestimmung der pflanzenverfügbaren Nährstoffe
\newpage
Der Gesamtgehalt kann durch chemische Analyse leicht bestimmt werden.

Die Bestimmung der \textbf{pflanzenverfügbaren} und \textbf{nachlieferbaren} (im Laufe derVegetationsperiode) ist extrem schwierig (selektive Extraktion wäre notwendig).

Dazu kommt das viele Pflanzen die chemischen Bedingungen im wurzelnahem Boden (\textbf{Rhizosphäre}) aktiv verändern um gezielt Nährstoffe zu mobilisieren, z.\,B. Ausscheidung von \textbf{Citrat} durch Lupinen (bei P-Mangel), \textbf{Phytosiderophoren} durch Gräser (sehr spezifische Liganden für Fe).

In der Praxis wird mit einem geeigeneten Extraktionsmittel (z.\,B. Wasser, Salzlösungen (z.\,B. CaCl$_2$, NH$_4$Cl), Säuren (z.\,B. HNO$_3$), Komplexbildnern (EDTA, DTPA), gemischte Extraktionslösungen (z.\,B. CaCl$_2$/DTPA)) extrahiert und der Närhstoffgehalt im Extrakt gemessen. Daraus wird die Menge an extrahierbaren Nährstoffen/ha im Hauptwurzelraum errechnet, dient als Mass für die verfügbare Menge an Nährstoffen.

Optimierung mittels \textbf{Nährstoff-Ertragsbeziehung}, berücksichtigt den Nährstoffbedarf und die Nährstoffaneignungsfähigkeiten einer bestimmten Kulturpflanze (Ermittlung ist sehr aufwendig).
\newpage

\huge{}
Probleme bei der Ermittlung der Nährstoffgehalte auf einer Fläche

\normalsize{}
Gründe dafür (Übersicht)
\newpage
\begin{itemize}
\item Heterogenität des Feldes
\item Wurzelraum
\item Wurzelausscheidungen
\item Mikrobielle Aktivität im Wurzelraum
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Probleme bei der Ermittlung der Nährstoffgehalte auf einer Fläche

\normalsize{}
Heterogenität des Feldes
\newpage
\textbf{Heterogenität des Feldes} $\rightarrow$ wie macht man eine optimale Probennahme?

Übliche Probenahme: 0 - 40 cm Teife auf Ackerböden, 0 - 10 cm Tiefe auf Grünland, mindestens 20 Proben pro ha $\rightarrow$ Mischprobe $\rightarrow$ Labor
\newpage

\huge{}
Probleme bei der Ermittlung der Nährstoffgehalte auf einer Fläche

\normalsize{}
Wurzelraum
\newpage
Verschiedende Pflanzen haben unterschiedliche Wurzelsysteme (Fähigkeit den Boden zu druchwurzeln  (z.\,B. wenn der Boden verdichtet oder sauerstoffarm ist)).

Durchschnittswerte für die Durchwurzelungstiefe:
\begin{tabular}{llrcrl}
Gräser & bis & 30 & - & 50 & cm\\
Getreide & bis & 100 & - & 150 & cm\\
Luzerne & bis & & & 300 & cm\\
Waldbäume & bis & & & 500
\end{tabular}

Pflanzen nehmen daher auch dem Unterboden erhebliche Mengen an Nährstoffen auf (bis 60\% für einige Nährstoffe), so dass eine Bestimmung der Nährstoffe im Oberboden allein oft keine sehr genaue Einschätzung erlaubt.
\newpage

\huge{}
Probleme bei der Ermittlung der Nährstoffgehalte auf einer Fläche

\normalsize{}
Wurzelausscheidungen
\newpage
\textbf{Wurzelausscheidungen}
 
Pflanzen geben auch Stoffe ab (zum Teil gezielt als Reaktion auf Nährstoffmangel):
\begin{itemize}
\item CO$_{2(g)}$
\item H$^+$ oder HCO$_3^-$ (zum Ladungsausgleich bei NH$_4^+$ oder NO$_3^-$ Ernährung)
\item niedermolekulare organische Säuren (z.\,B. zur P-Mobilisierung)
\item Mucilage (Schleimstoffe an den Wurzelspitzen, als Schutz)
\item Phytosiderophore (spezifische Liganden zur Mobilisierung von Fe)
\end{itemize}
Dadurch können Pflanzen aktiv die Nachlieferung von Nährstoffen beeinflussen, z.\,B. durch beschleunigte Auflösung von Mineralien in der Rhizosphäre.
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\huge{}
Probleme bei der Ermittlung der Nährstoffgehalte auf einer Fläche

\normalsize{}
Mikrobielle Aktivität im Wurzelraum
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Mikroorganismen in der Rhizosphäre können zur Mobilisierung von Nährstoffen beitragen. Die Mikroorganismen nutzen Wurzelausscheidungen als C-Quelle und tragen so zur Mineralisierung von Nährstoffen bei, ebenso können sie P aus dem Gestein mobilisieren (steht nach ihrem Absterben den Pflanzen zur Verfügung).

\textbf{Mykorrhiza} bilden Symbiosen  mit Pflanzen (Kohlehydrate von, dafür P, Zn,\dots an Pflanzen). Der Pilz kann mit seinen Hyphen in sehr kleine Poren im Boden eindringen (grosses Bodenvolumen kann erschlossen werden).
\newpage

\huge{}
Anlieferung von Nährstoffen zur Wurzel
\normalsize{}\newpage
\begin{description}
\item[Massenfluss] mit dem Wasser, das die Pflanze aufnimmt
\item[Interzeption] d.\,h. hineinwachsen und direkter Kontakt der Wurzel mit dem Boden
\item[Diffusion] von Nährstoffen als Folge der Verarmung der Bodenlösung in der Rhizosphäre durch aktive Aufnahme in die Wurzel. 
\end{description}

Die 3 Mechanismen sind für verschiedene Nährstoffe unterschiedlich wichtig, je nach wie hoch die Konzentration in der Bodenlösung und der Bedarf der Pflanzen ist.

Für Ca, N überwiegt Massenfluss, für P, K die Diffusion durch Verarmung der Rhizosphäre.

Bei Ca kommt es vor, dass mehr mit dem Massenfluss angeliefert als die Wurzel aufnehmen $\Rightarrow$ Anreicherung in der Rhizosphäre $\Rightarrow$ Kalkausfällungen entlang der Wurzeln. 
\newpage

\huge{}
Gründe für den Rückgang der Bodenfruchbarkeit
\normalsize{}\newpage
Die Zerstörung oder Rückgang der Bodenfruchtbarkeit ist in vielen Regionen der Erde eines der grössten Umweltprobleme. Gründe hierfür:
\begin{itemize}
\item Versalzung
\item Erosion
\item Versiegelung
\item Verdichtung
\item Versauerung
\item Überdünung
\item Verarmung von Böden
\item Kontamination
\end{itemize}
Gleichzeitig führt eine Intensivierung der Landwirtschaft bzw. Umstellung der Landnutzungsysteme zu einer Beschleunigung der Degradierung von Böden.
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\huge{}
Bodenerosion

\normalsize{}
Allgemein
\newpage
Unter Erosion versteht man den lateralen Abtransport von Bodenmaterial, an der Bodenoberfläche durch Wind oder Wasser.

Unter natürlichen Bedingungen ist die Erosionsrate gering.

Entscheidend ist die Reliefposition, Niederschlagsverteilung, Bodenbedeckung mit Vegetation, Art der Vegetation, Wasserinfiltration in den Boden.

Durch menschliche Tätigkeiten (z.\,B. Rodung von Wäldern) kann die Erosion stark/katastrophal gefödert werden.
\newpage

\huge{}
Wassererosion

\normalsize{}
Formen der Wassererosion
\newpage
Verschieden Fromen von Erosion (je nach Schäden):
\begin{itemize}
\item Flächenerosion: flächenhafter Bodenabtrag
\item Rillenerosion: Wasser erodiert schmale Rillen in den Boden
\item Grabenerosion: grosse, oft mehrere Meter tiefe Erosionsgräben werden gebildet
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Wassererosion

\normalsize{}
Folgen der Wassererosion
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\begin{itemize}
\item Umverteilung von Wasser, wo es abfliesst fehlt es später wo es hinfliesst führt es zu Überschwemmungen und Vernässung.
\item Umverteilung von Bodenmaterial: Verschlammung, Verkrustung der Bodenoberfläche, schlechter Durchlüftung des Bodens, Erosionrinnen erschweren die Bearbeitung, Überdeckung der Pflanze, Verlandung von Entwässerungsgräben
\item Ertragsverminderung durch Nährstoffverluste, Verschlämmung (Wegschwemmung), Verkrustung, Schädigung der Keinlinge,\dots
\item Offsite-Schäden: Eutrophierung von Gewässern (P-Eintrag), Verlandung von Stauseen, Kanälen, Verschmutzung von Strassen, Gebäuden bei Überschwemmungen.
\item Lokal auch Nutzen von Erosion: fruchtbares Überschwemmungsgebiet, weil woanders Närstoffreiche Stoffe erodiert werden (z.\,B. Nil, Po, Euphrat, Tigris), saure Nährstoffarme Oberböden werden wegerodiert (an Hängen in Ruanda).
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Wassererosion

\normalsize{}
Weshalb findet Wassererosion überhaupt statt?
\newpage
Es müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:
\begin{itemize}
\item Es müssen sich Bodenpartikel aus dem Gefügeverband ablösen
\item Die Bodenpartikel müssen über grössere Distanzen transportiert werden.
\end{itemize}
Ablösung erfolgt durch Luftsprengung, wenn Wasser in stark ausgetrocknete Bodenaggregate eindringt oder durch den Tröpfchenaufprall bei starken Regengüssen direkt auf die Bodenoberfläche.

Wasser das oberflächlich schnell abfliesst, kann weitere Partikel durch Scherkräfte ablösen und mitreissen, was zu einer Rillen- oder Grabenerosion führen kann.
\newpage

\huge{}
Wassererosion

\normalsize{}
Abschätzung der Wassererosion?
\newpage
Das Ausmass der Wassererosion auf einem Feld quantitativ zu bestimmen ist aufwändig und technisch schwierig. Modelle beruhen auf der Soil Loss Equation (USLE), Allgemeine Bodenabtragsgleichung (ABAG) welche davon ausgeht das Bodenabtrag durch folgende Faktoren massgeblich bestimmt wird:

$\bullet$ Regenerosivität (R-Faktor)

$\bullet$ Bodenerodierbarkeit (K-Faktor)

$\bullet$ Hangneigungsfaktor (S-Faktor)

$\bullet$ Hanglage (L-Faktor)

$\bullet$ Bodennutzung (C-Faktor)

$\bullet$ Kulturunabhängige Schutzmassnahmen (P-Faktor)

Diese Faktoren werden als Funktion von leicht messbaren Paramtere festgelegt und kalibriert (umfangreiche Feldmessungen notwendig). Der zu erwartende Bodenabtrag $A$ [t ha$^{-1}$ a$^{-1}$]:
$$
A = R \cdot K \cdot L \cdot S \cdot C \cdot P
$$
\newpage

\huge{}
Winderosion

\normalsize{}
Was führt zu Winderosion?
\newpage
Wenn die Windgeschwindigkeit 30 cm über Boden mehr als 4 - 5 m/s beträgt, können Bodenpartikel aus dem Aggregatverbund gerissen werden.

Feine Partikel (Ton, Schluff) werden über weite Strecken transportiert. Sandpartikel rollen oder hüpfen über die Bodenoberfläche (Schwerkraft zieht sie immer wieder nach unten), auch \textbf{Saltation} genannt. Die Sandpartikel könne bei jedem Aufprall neue Bodenpartikel ablösen und so die Winderosion verstärken, sie können auch die Pflanzen beschädigen oder überdecken.
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Winderosion

\normalsize{}
Steuergrössen der Winderosion
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\textbf{Windgeschwindigkeit knapp über der Bodenoberfläche} Hängt primär vom Klima und Relief ab. Vegetation hat grossen Einfluss: in ausgeräumten Agrarlandchaften wird der Wind weniger gebrochen (fehlende Windschutzhecken, wenig Wald)

\textbf{Feldlänge} Durch Saltation verstärkt sich die Erosion mit zunehmender Transportlänge der Partikel, wechselnde Bodenbedeckung führt immer wieder zum Erliegen der saltierenden Partikel.

\textbf{Bodenart und Feuchte} Trockene, humusreiche, feinsandige Böden sind am anfälligsten. Wasser hält feine Bodenpartikel durch Kapillarkräfte zusammen. Humusreiche Bodenpartikel sind leicht. Tonarme Aggregate feinsandiger Böden zerfallen leicht durch Saltation werden weitere Partikel abgelöst.

\textbf{Bodenbedeckung und Rauhigkeit} Rauhe Bodenoberfläche bremst den Wind nahe an der Oberfläche, besonders wirkungsvoll Bodenabdeckung durch Vegetation (bremst Wind, verhindert schnelle Austrockung), teildruchlässige Windschutzhecken (bremsen den Wind ab) 
\newpage

\huge{}
Bodenerosion

\normalsize{}
Wie kann man Bodenerosion verhindern?
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Wassererosion
\begin{itemize}
\item Bodenbedeckung (Pflanzenbestand, Mulch (organisches Material zu Abdeckung), Ernterückstände)
\item Bodenbearbeitung und Einsaat quer zum Hang
\item Förderung der Aggregatstabilität (durch organische Düngung)
\item Vermeidung von Bodenverdichtung
\item Terassierung von steilen Hängen
\end{itemize}

Winderosion
\begin{itemize}
\item Bodenbedeckung (Pflanzenbestand, Mulch (organisches Material zu Abdeckung), Ernterückstände)
\item Windschutzhecken
\item Kleine Felder ($\rightarrow$ häufiger Wechsel der angebauten Kultur)
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Bodenverdichtung

\normalsize{}
Ursachen

Wirkung
\newpage
\textbf{Ursachen}

\textbf{Unbeabsichtigt} Befahren des Bodens mit schweren landwirtschftlichen Maschinen bei zu hoher Bodenfeuchtigkeit kann zu erheblichen Bodenverdichtung bis in den Unterboden führen (z.\,B. Zuckerrübenvollernter oft im Herbst bei feuchten Witterungsbedingungen) oder auch mit anderen Maschinen (Gasleitungsbau).

\textbf{Beabsichtig} Beim Bau von Gebäude und Strassen wird der Boden mit Maschinen (Druck (Walzen), Vibration (Stampfer), Kombination (Vibrationswalzen)) verdichtet um ihn tragfähiger zu machen, dabei werden die mit Luft und Wasser gefüllten Porenräume verringert.

\textbf{Wirkung} Besonders schwerwiegend ist eine Verdichtung des Unterbodens da diese nicht reversibel ist. Der Oberboden kann immer wieder aufgelockert werden, dies ist im Unterboden problematisch. Porosität des Boden wird verringert, vor allem der Anteil an groben Poren, die für den Lufthaushalt und die Wasserversickerung wichtig sind.
$\Rightarrow$ hydraulische Leitfähigkeit sinkt, schlechte Durchwurzelbarkeit, verstärkter Oberflächenabfluss ($\rightarrow$ Erosion), Sauerstoffmangel, N-Verlust durch Denitrifikation
\newpage

\huge{}
Bodenverdichtung

\normalsize{}
Gegenmassnahmen
\newpage
\textbf{Gegenmassnahmen}

\begin{itemize}
\item Befahren des Bodens nur bei ausreichender Tragfähigkeit (Abhängig von Bodenart und Feuchte), Vermeidung von schweren Maschinen, Einsatz von breiten Niederdruckreifen (gilt auch für Carchauffeure)
\item Vermeidung von unnötiger Bebauung und Versiegelung von intakten Böden, effiziente Raumplanung, Umnutzung von Industriebrachen als Bauland,\dots.
\end{itemize}
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Bodenversalzung

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Natürliche Ursachen der Versalzung
\newpage
\textbf{Natürliche Versalzung in ariden und semiariden Klimazonen}
\begin{description}
\item[wenig Wasserversickerung,] daher Akkumulation von Salzen aus der Atmosphäre (Tagwasserversalzung)
\item[hohe Evapotranspiration,] daher auch Oberflächengewässer und Grundwasser oft erhöhte Salzgehalte
\item vorwiegend Salze von Na$^+$, Ca$^{2+}$, Mg$^{2+}$, K$^+$, Cl$^-$, SO$_4^{2-}$, HCO$_3^-$, CO$_3^2-$, NO$_3^-$
\item oft auch erhöhte Konzentrationen an B, Sr, Li, Rb, F, Mo, Ba
\end{description}

\textbf{Atmosphärische Einträge von Salzen}
\begin{description}
\item küstennahe Gebiete: 100 - 2000 kg ha$^{-1}$ a$^{-1}$
\item trockene küstenferne Gebiete: 10 - 20 kg ha$^{-1}$ a$^{-1}$
\end{description}
\newpage

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Bodenversalzung

\normalsize{}
Antrophogene Ursachen der Versalzung
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\textbf{Versalzung durch falsche Bewässerung}
\begin{itemize}
\item Bewässerung mit salzreichem Wasser
\item magelhafte Drainage, hohe Evapotransoiration
\item besonders in semiariden oder ariden Gebieten, aber manchmal auch in humiden Gebieten ein Problem!
\end{itemize}

\textbf{Versalzung durch Grundwassereinfluss}

Böden mit hoch anstehendem salzreichem Grundwasser können versalzen. Küstennahe Regionen in denen das Grundwasser mit dem Meer in Kontakt ist (z.\,B. als Folge einer zu starken Grundwasserentnahme)

\textbf{Andere Salzeinträge}

Streusalze: hauptsächlich NaCl

$\rightarrow$ Vegetationsschäden an Strassenrändern (verzögerter Blattaustrieb, vorzeitiger Laubabfall, Extremfall Absterben von Pflanze)

$\rightarrow$ hohe Na$^+$ Sättigung und hohe Salzkonzentration in Strassenrandböden (saline sodic), wenn Salze ausgewaschen werden neigen die Böden zu Dispergierung und Verschlämmung (sodic).
\newpage

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Salinität Sodicität
\normalsize{}\newpage
Unterteilung nach Salzgehalt und austauschbaren Kationen:

\textbf{Saline}
$\bullet$ hohe Konzentration an leicht löslichen Salzen (EC $>$ 4 dS m$^{-1}$ (Leitfähigkeit)) $\bullet$ Na$^+$ Sättigung $<$15 \% $\rightarrow$ hohe Salzkonzentration in der Bodenlösung ist ein Problem für das Pflanzenwachstum (Chloride, Sulfate, Nitrate).

$\rightarrow$ Neigen auf Grund der hohen Salkonzentration nicht zu Dispergierung (???). Die Wasserdurchlässigkeit ist relativ gut.

\textbf{Sodic}
$\bullet$ hohe Na$^+$ Sättigung $>$ 15\%
$\bullet$ geringe Konzentration an leicht löslichen Salzen (EC $<$ 4 dS m$^{-1}$)
$\bullet$ pH 8.5 - 10

$\rightarrow$ Neigen auf Grund der hohen Na$^+$-Sättigung bei gleichzeitig geringer Salzkonzentration sehr stark zur Dispergierung. Folge: dichte Unterböden, instabile Bodenstruktur, gehemmte Wassersickerung.

\textbf{Saline-Sodic}
$\bullet$ hohe Konzentration an leicht löslichen Salzen (EC $>$ 4 dS m$^{-1}$)
$\bullet$ hohe Na$^+$ Sättigung $>$ 15\%
$\bullet$ pH $<$ 8.5

$\rightarrow$ Neigen auf Grund der Salzkonzentration nicht zur Dispergierung. Wasserdurchlässigkeit relativ gut. Aber: wenn Salze ausgewaschen werden, entstehen \textbf{sodic} Böden, mit der Gefahr zu \textbf{dispergieren} (auseinanderfallen der Bodenpartikel) $\rightarrow$ Durchlässigkeit sinkt stark!

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Wirkung der Versalzung
\normalsize{}\newpage
Im Extremfall wird der Boden für die Landwirtschaft unbrauchbar (nur noch Halophyten können wachsen). Eine Melioration (\glqq{}Verbesserung\grqq{}) von versalzten Böden ist meist nicht möglich: Wassermangel, schlechter Drainage, hohen Kosten,\dots

\input salinitaet.pdf_t

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Vermeidung von Versalzung im Bewässerungslandbau
\normalsize{}\newpage
\begin{itemize}
\item Vermeidung von salzreichen Wasser zur Bewässerung
\item Bewässerung muss an den Salzgehalt des Wassers angepasst werden: genug bewässern, damit Salze immer wieder ausgewaschen werden!
\item auf gute Drainage achten!
\item Alternative: Tröpfchenbewässerung
\end{itemize}
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Bodenversauerung und Bodenkontamination
\normalsize{}\newpage
Einträge von Säuren (HNO$_3$, H$_2$SO$_4$), Schadstoffen (Schwermetalle: Pd, Cd), Radionuklide ($^{137}$Cs), organische Verbindungen (PAK, PCBs, Pestizide) führen zu einer chemischen Belastung. Die Quellen können Punktquellen (lokaler Eintrag) oder diffuse Quellen (grossflächiger Eintrag) sein.

Einige Schadstoffe sind sehr persistent (oder nicht abbaubar), reichern sich an (z.\,B. Schwermetalle), andere werden durch Mikroorganismen abgebaut (z.\,B. viele Pestizide) oder in organische Substanz des Bodens eingebaut (gebundene Rückstände).

Säureeintrag (saurer Regen) führt zu beschleunigter, verstärkter Bodenversauerung, landwirtschaftliche Flächen werden zum Ausgleich gekalkt, forstlich genützte Böden in der Regeln nicht $\Rightarrow$ je nach Boden starke Versauerung
\newpage

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Versiegelung
\normalsize{}\newpage
Bedeckung des Bodens mit \textbf{undruchlässigen Schichten} (Teer, Beton, Gebäude) unterbindet die Wasserinfiltration und den Gasaustausch $\Rightarrow$ \textbf{verlieren Funktion} wie Lebensraum für Organismen, Filter für Grundwasserspender. Der Regen fliesst  von solche Flächen sehr schnell über  die Kanalisation in die Flüsse $\Rightarrow$ Hochwasserspitzen und Überschwemmungen in Regenperioden.

Derzeit sind $\approx$ 3\% der Gesamtfläche der Schweiz versiegelt. In Ballungsgebieten  wesentlich höher, 53\% der Siedlungsfläche gelten als versiegelt.
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Böden und Klimawandel

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Böden im globalem C-Kreislauf
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Böden und darauf wachsende Vegetation (z.\,B. Wald) sind ein bedeutender C-Speicher im globalen C-Kreislauf. Jede Nutzungsänderung kann zu einer Erhöhung der C-Speicherung ($\rightarrow$ CO$_2$-Senke) oder zu einer Freisetzung führen ($\rightarrow$ CO$_2$-Quelle). CO$_2$-Senken könne von den Emissionen abgezogen werden (nach Kyoto-Protokoll, Vereinbarung von Bonn).

Problematisch ist, dass im Moment CO$_2$-Senken und Quellen noch nicht richtig quantifiziert werden können.

Auch weiss man wenig darüber wie sich terrestrische Ökosysteme unter verändertem Klima verhalten werden.

Genauere Auseinandersetzung mit der Dynamik organischer Substanz im Boden ist nötig.
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Dynamik der Organischen Substanz

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Allgemein, Quellen
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\textbf{Generell:} organische Substanz wird angereichert wenn Zufuhr (Z) grösser als Abfuhr (A) $\Delta$C = Z - A.

Wenn $\Delta$C positiv CO$_2$-Senke, sonst Quelle.

Der Abbau der organischen Substanz (A) wird von vielen Einflussfaktoren gesteuert, die wiederum zum teil nicht unabhängig voneinander sind:

$\bullet$ Zusammensetzung der Streustoffe
$\bullet$ Bodentemperatur
$\bullet$ Bodenfeuchte
$\bullet$ Durchlüftung
$\bullet$ Boden pH Wert und Nährstoffgehalt
$\bullet$ Einmischung und Zerkleinerung durch Bodentiere
$\bullet$ Aktivität von Bakterien und Pilzen

\textbf{Quantitative Vorhersage} des Abbaus von organischen Substanzen im Boden ist auf Grund der komplexität momentan nicht möglich. Man kann aber generelle Trends beobachten und die Folgen von Veränderung oder Eingriffen abschätzen

In der Landwirtschaft spielt die Dynamik der organischen Substanz eine zentrale Rolle für die Bodenfruchtbarkeit.
 
Massive Rodungen der Wälder (für Ackerbau) $\Rightarrow$ Erosion, Förderung von Humusabbau. Drainieren (und damit belüften) von Niedermoorflächen oder andere nasse Böden $\Rightarrow$ verstärkter Abbau von organischen Substanzen. $\Longrightarrow$ \textbf{Böden wurde zu einer wichtigen} CO$_2$-Quelle.
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Dynamik der Organischen Substanz

\normalsize{}
Senken
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\small{}
Ackerböden enthalten deutlich weniger organische Substanz, als vergleichbare Böden unter Wald oder Grünland.

Durch Düngung, Drainage, Bodenbearbeitung werden optimale Abbau- bedingungen geschaffen (leichtere Bodenbearbeitung, nächste Kultur nicht im Wachstum hindern und ihr die Nährstoffe wieder zur Verfügung stellen) $\Rightarrow$ interessiert an einem möglichst hohem Umsatz an organischen Substanzen.

\textbf{Starke Anreicherung:} Vor allem wenn Streu Abbau gehemmt, gehemmte biologische Aktivität auf Grund von:
$\bullet$ Schwer abbaubare Streu (Nadelhölzer, Eiche, Heidevegetation)
$\bullet$ Nährstoffarmut (Böden auf Nährstoffarmen Gesteinen)
$\bullet$ niedriger pH (stark versauerte Böden)
$\bullet$ Sauerstoffmangel (sehr nasse Böden)
$\bullet$ Kälte (alpine Standorte, Tundra, Steppe im Winter)
$\bullet$ Trockenheit (Steppe im Sommer)

Anmoor, Niedermoor, Hochmoor: Hemmung des Abbaus durch Sauerstoffmangel infolge Vernässung, ausserdem sauer und Nährstoffarm.

Podsol: niedriger pH, Hährstoffarmut, schwer abbaubarer Streu, fehlende Regenwürmer $\Rightarrow$ Rohhumusauflage

Am meisten C-organisch ist in Böden der kühlen bis kalten humiden Zonen gespeichert, bei Klimaerwärmung könnten diese Böden Quellen werden (Zusammenhänge ungenügend erforscht).
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Abbau von zugeführter organischer Substanz

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graphisch
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\input abbaudynamik.pdf_t
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% Glossar Kopie aus Skript
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Al-Toxizität

\normalsize{}
Glossar
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Al kann für Pflanzenenwurzeln toxisch sein und das Wurzelwachstum stark hemmen. Al-Toxizität kommt in stark sauren Mineralböden vor (pH<5), in denen die Al Konzentration in der Bodenlösung hoch bzw. das Ca/Al Verhältnis niedrig ist (kritischer Wert für Fichte: Ca/Al<1).
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\huge{}
Amphibole

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Gruppe von Bandsilikaten, die vor allem in basischen magmatischen und metamorphen Gesteinen vorkommen. Das Gestein Amphibolit besteht zum
grössten Teil aus Amphibolen. Beispiel: Hornblenden mit der Summenformel
Ca$_2$(Mg,Fe$^{2+}$)$_4$(Al,Fe$^{3+}$)Si$_7$AlO$_{22}$(OH)$_2$.

???
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Antigorit

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Serpentinmineral mit der Summenformel (Mg,Fe)$_3$SiO$_5$(OH)$_4$.
Trioktaedrisches 1:1 Schichtsilikat, das gewellte Plätchen bildet (Blätterserpentin).
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\huge{}
Basalte

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Basische Silikatgesteine, mit feiner Textur. In Basalten sind die
wichtigsten Mineralien $\rightarrow$Olivine, $\rightarrow$Amphibole, $\rightarrow$Pyroxene, $\rightarrow$Feldspäte (Ca-reiche Plagioklase).
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\huge{}
Biotit

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Dunkler, leicht verwitterbarer $\rightarrow$Glimmer, mit der Summenformel
K(Mg,Fe$^{II}$)$_3$(Si$_3$Al)O$_{10}$(OH)$_2$ (trioktaedrisch). Glimmer sind primäre 2:1 Schichtsilikate und sind neben Quarz und Feldspäten ein Hauptbestandteil von Graniten und Gneisen.

???
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Bioturbation

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Vermischung des Bodens durch die Aktivität von Bodenorganismen, vor allem von Regenwürmern und Nagetieren.
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\huge{}
Bodenart

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Einteilung der $\rightarrow$Textur eines Bodens nach den prozentualen Anteiten von Ton, Schluff und Sand in der Feinerde. Beispiele für Bodenarten: lehmiger Sand, Lehm, toniger Lehm,\dots
\newpage

\huge{}
Bodenstruktur

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Verbund und Anordnung von Bodenpartikeln im Raum. Man unterscheidet die Grundgefügearten Einzelkorn-, Kohärent- und Aggregatgefüge. Wichtige Aggregatgefüge sind z.\,B. Krümel-, Subpolyeder, Polyeder, Prismengefüge. Das Gefüge hat einen starken Einfluss auf die Durchlüftung, Wasseleitfähigkeit und Lagerungsdichte eines Bodens.
\newpage

\huge{}
Braunerde

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Boden mit einem verbraunten Unterboden (kaklfrei, Bv Horizont). Sehr weit verbreiteter Bodentyp in Mitteleuropa, einschliesslich den Alpen.
\newpage

\huge{}
Calcit

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Carbonatmineral mit der Summenformel CaCO$_3$. Hauptbestandteil von vie1en Sedimentgesteinen, insbesondere von Kalksteinen. Kommt auch in metamorphen Gesteinen und als sekundäre Ausfällung in Böden vor.
\newpage

\huge{}
Calcium (Ca)

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Hauptnährelement, in Gesteinen struktureller Bestandteil von Carbonaten ($\rightarrow$Calcit, $\rightarrow$Dolomit) oder Silikaten ($\rightarrow$Feldspäte, $\rightarrow$Amphibole, $\rightarrow$Pyroxene). Bei der Verwitterung wird Ca$^{2+}$ herausgelöst, welches austauschbar gebunden oder mit Sickerwasser ausgewaschen wird. Ca kann in tieferen Bodenhorizonten als sekundärer Calcit wieder ausfallen.
\newpage

\huge{}
Ca/Mg-Verhältnis

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Ein zu niedriges Ca/Mg Verhältnis ist ungünstig für die meisten Pflanzen, weil die Ca-Aufnahme dadurch erschwert ist (siehe Böden auf Serpentinit). Ein zu hohes Ca/Mg Verhältnis kann umgekehrt zu Mg Mangel fUhren.
\newpage

\huge{}
C/N Verhaltnis

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Ein hohes C/N Verhältnis (C/N $>$ 30) in der Streu bedeutet, dass vor allem C-reiche aber N-arme Verbindungen vorhanden sind (z.\,B. Lignine, Cellulose, Wachse, Harze). Der Abbau durch Mikroorganismen ist erschwert und oft N-limitiert. Ein niedriges C/N Verhältnis (C/N $<$ 15) bedeutet, dass mehr N-reiche Verbindungen vorhanden sind (z.\,B. Proteine, Aminozucker), die den Abbau begünstigen.
\newpage

\huge{}
Chrom (Cr)

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Cr ist für Pflanzen nicht essentiell, aber für Menschen und Tiere ist Cr(III) ein essentielles Nährelement. Cr kommt in Boden in den Oxidationsstufen Cr(III) und Cr(VI) vor. Cr(III) ist wenig toxisch und im Boden immobil, weil es stark Fe(III) Hydroxide gebunden wird. Cr(VI) ist dagegen 100 - 1000 Mal toxischer als Cr(III) und im Boden viel mobiler, weil es als Anion vorliegt.
\newpage

\huge{}
Chrysotil

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Serpentinmineral mit der Summenformel Mg$_3$SiO$_5$(OH)$_4$. Trioktaedrisches 1:1 Schichtsilikat, das Fasern bildet, die aus aufgerollten
Schichten bestehen. Die Fasern sind ca. 20 nm dick und oft mehrere mm lang (Faserserpentin, Faserasbest).
\newpage

\huge{}
Denitrifkation

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Reduktion von Nitrat (NO$_3^-$) und Nitrit (NO$_2^-$) zu gasförmigem N$_2$
und Stickoxiden (NO$_x$, N$_2$O), vorwiegend durch Bodenbakterien (z.\,B. \textbf{Pseudomonas}). Unter anoxischen Bedingungen verwenden denitrifizierende Bakterien Nitrat als Elektronenakzeptor bei der Atmung.
\newpage

\huge{}
Dolomit

\normalsize{}
Glossar
\newpage
\begin{itemize}
\item Carbonatmineral mit der Summenformel CaMg(CO$_3$)$_2$. Die Löslichkeit von Dolomit ist deutlich niedriger als diejenige von $\rightarrow$ Calcit.
\item Sedimentgesteine, die hauptsächlich aus dem Mineral Dolomit bestehen.
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Eisen

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Mikronährelement, in Gesteinen struktureller Bestandteil von primären Silikaten, vor allem als Fe(II). Bei der Verwitterung wird Fe(II) freigesetzt und in belüfteten Böden zu Fe(III) oxidiert, welches schwerlösliche Hydroxide und Oxide bildet. Eisenhydroxide in alpinen Böden sind z.\,B.  Goethit ($\alpha$-FeOOH) und Ferrihydrit, ein schlecht kristallines Fe(III) Hydroxid. Siehe auch $\rightarrow$ Fe$_{\mbox{d}}$ und $\rightarrow$ Fe$_{\mbox{o}}$.
\newpage

\huge{}
Epidot

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Sorosilikat mit der Summenformel Ca$_2$(Al,Fe)$_3$(SiO$_4$)$_3$(OH). Farbe: Flaschengrün.
\newpage

\huge{}
Fe$_{\mbox{d}}$

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Dithionitlösliches Eisen. Dithionit ist ein starkes Reduktionsmittel, mit dem alle freien Eisenhydroxide und Oxide aufgelöst werden. Das Eisen, welches noch in Silikatstrukturen gebunden ist, wird dabei nicht extrahiert. Fe$_{\mbox{d}}$ ist also ein Mass für den gesamten Gehalt an sekundären Eisenoxiden und Hydroxiden eines Bodens.
\newpage

\huge{}
Feldkapazität (FK)

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Wasseervolumen, das ein Boden nach völliger Wassersättigung gegen die Schwerkraft speichern kann. Die FK nimmt mit der Körnung in der Reihenfolge Tone $>$ Schluffe, Lehme $>$ Sande ab.
\newpage

\huge{}
Feldspäte

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Gruppe von Gerüstilikaten, in denen jeder zweite bzw. jeder vierte Tetraeder mit Al$^{3+}$ statt mit Si$^{4+}$ besetzt ist. Der Ladungsausgleich erfolgt durch Einbau von Na, K oder Ca ins Kristallgitter. Endglieder sínd Albit (NaAlSi$_3$O$_8$), Anorthit (CaAl$_2$Si$_2$O$_8$) und Kalifeldspat (KAlSi$_3$O$_8$). Die Mischungsreihe zwischen Albit und Anorthit nennt man Plagioklase (Na-Ca Feldspat). Die Mischungsreihe zwischen Albit und Kalifeldspat nennt man Alkalifeldspäte (Na-K Feldspat).
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\huge{}
Fe$_{\mbox{o}}$

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Oxalatlösliches Eisen. Mit Oxalat löst man alle schlecht kristallinen Eisenhydroxide, wie z.\,B. Ferrihydrit. Gut kristalline Eisenoxide, wie z.\,B. Goethit, werden nicht gelöst. Fe$_{\mbox{o}}$ ist also ein Mass für den Gehalt an schlecht kristallinen Eisenhydroxiden im Boden. Das Verhältnis Fe$_{\mbox{o}}$/Fe$_{\mbox{d}}$ wird oft als Mass für die Kristallinität der Eisenhydroxide interpretiert.
\newpage

\huge{}
Fe$_{\mbox{p}}$

\normalsize{}
Glossar
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Pyrophosphatlösliches Eisen. Mit Natriumpyrophosphat löst man Fe, das an organische Substanz komplexiert ist. Fe$_{\mbox{p}}$ ist vor allem in Bh/Bs Horizonten von Podsolen sehr hoch.
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\huge{}
Gefüge

\normalsize{}
Glossar
\newpage
$\rightarrow$Bodenstruktur
\newpage

\huge{}
Girlanden

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Treppenförmiges Mikrorelief, das sich an Hanglagen durch Gefrieren und Auftauen von flachgründigen Böden (Rendzinen) aus Dolomit oder Kalkstein ausbi1den kann.
\newpage

\huge{}
Glimmer

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Gruppe von (primären) 2:1-Schichtsilikaten. Wichtige Beispiele sind $\rightarrow$ Biotit und $\rightarrow$ Muskovit. Glimmer sind neben Quarz und Feldspäten ein Hauptbestandteil von Graniten, Gneisen und Glimmerschiefern.
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\huge{}
Gneis

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Metamorphes Silikatgestein, oft mit dunklen und hellen Bändern. In sauren Gneisen sind die wichtigsten Mineralien $\rightarrow$Feldspäte, $\rightarrow$Quarz und Glimmer ($\rightarrow$Biotit, $\rightarrow$ Muskovit). Man unterscheidet Orthogneise (aus Magmatiten entstanden) und Paragneise (aus Sdimentiten entstanden).
\newpage

\huge{}
Granate

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Gruppe von Inselsilikaten, die sehr hart und verwitterungresistent sind (Nutzung als Edelstein). Beispiel: Almandin, Fe$_3$Al$_2$(SiO$_4$)$_3$. Granate kommen als Nebenbestandteil in einigen metamorphen Gesteinen vor.
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\huge{}
Huminstoffe

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Natürliche, durch mikrobielle Abbauprozesse entstandene organische Substanzen in Böden und Gewässern. Huminstoffe sind dunkel gefärbt und haben eine komplexe, nicht genau definierte chemische Struktur. Sie werden operationell unterteilt in Huminsäuren, Fulvosäuren und Humine (nach ihrer Löslichkeit in 0.1 M NaOH und HCl).
\newpage

\huge{}
Humusformen

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Die Humusform beschreibt die Verteilung der organischen Substanz in organischen Auflagehorizonten (L, Of, Oh) und dem mineralischen Oberboden (Ah). Sie liefert Informationen über die Dynamik des Abbaus von Streu durch Tiere und Mikroorganismen. Die wichtigsten terrestrischen Humusformen sind $\rightarrow$Mull, $\rightarrow$Moder und $\rightarrow$Rohhumus.
\newpage

\huge{}
Hydromorphie

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Hydromorphe Merkmale (auch redoximorphe Merkmale) sind Fe-Rostflecken (rötlich-braun) und Mn-Konkretionen (schwarz). Sie bilden sich in 8öden die permanent (durch Grundwasser) oder temporär (durch Stauwasser) venässt und dadurch schlecht durchlüftet sind. Unter O$_2$ Mangel kommt es zur mikrobiellen Reduktion von Fe$^{3+}$ zu Fe$^{2+}$ und von Mn$^{4+}$/Mn$^{3+}$ zu Mn$^{2+}$. Fe$^{2+}$ und Mn$^{2+}$ Ionen sind gut wasserlöslich. Sie werden im Boden transportiert und an stellen mit höherem Redoxpotential spontan wieder oxidiert und als Fe(III) hydroxid bzw. Mn(III/IV) hydroxid ausgefälIt.
\newpage

\huge{}
Kalium (K)

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Hauptnährelement, in Gesteinen struktureller Bestandteil von Feldspäten, Schichtsilikaten und anderen Mineralien. In Böden wird es durch Verwitterung freigesetzt und austauschbar an Tonmineralien adsobiert.
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\huge{}
Kationenaustauschkapazität (KAK)

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Die Summe an austauschbaren Kationen in einem Boden, in mmol Ladungen pro kg Boden (mmol$_{\mbox{c}}$/kg), nennt man die effektive KAK. Die wichtigsten Kationentauscher im Boden sind Tonmineralien und Huminstoffe.
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\huge{}
Kryoturbation

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Vermischung des Bodens durch regelmässiges Gefrieren und Auftauen ($\rightarrow$Turbation). Bei starker Kyoturbation werden Steine mit der Zeit nach oben gepresst und bilden Steinringe an der Bodenoberfläche.
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Lizardit

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Serpentinmineral mit der Summenformel Mg$_3$SiO$_5$(OH)$_4$. Troktaedrisches 1:1 Schichtsilikat, das Plättchen bildet.
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Magnesium (Mg)

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Hauptnährelement, in Gesteinen struktureller Bestandteil von verschiedenen Silikaten. Basische und ultrabasische Gesteine enthalten wesentlich mehr Mg als saure Gesteine. In $\rightarrow$Serpentinit und $\rightarrow$Dolomit kommt Mg sogar als Hauptbestandteil vor.
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Moder

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Terrestrische Humusform auf sauren, mässig nahrstoffarmen Böden mit einem Fermentierungshorizont und eher schwachen Aktivität von wühlenden Bodentieren. Der Oberboden besteht aus einem Streuhorizont (L), einem Fermentierungshorizont (Of), einem geringmächtigen Humifzierungshorizont (Oh)
und einem mineralischen Oberbodenhorizont (Ah).
\newpage

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Mull

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Terrestrische Humusform auf neutralen bis schwach sauren, nährstoffreichen, gut durchlüfteten Böden, mit leicht zersetzbarer Streu und grosser biologischer Aktivität. Der Oberboden besteht aus einem Streuhorizont (L) über einem mineralischen Oberbodenhorizont (Ah). Warm-humides Klima begünstigt die Bildung von Mull.
\newpage

\huge{}
Muskovit

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Heller, schwer verwitterbarer $\rightarrow$Glimmer, mit der Summenformel
KAl$_2$(Si$_3$Al)O$_{10}$(OH)$_2$ (dioktaedrisch). K$^+$ in den Zwischenschichten wird nur sehr langsam pflanzenverfügbar.
\newpage

\huge{}
nFK

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Nutzbare Feldkapazität, d.\,h. das Wasservolumen, das ein Boden gegen die Schwerkraft in pflanzenverfügbarer Form speichern kann. Den nicht pflanzenverfügbaren Anteil der gesamten $\rightarrow$Feldkapazität nennt man Totwasser.
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huge{}
Nickel (Ni)

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Mikronährelement, in den meisten Gesteinen nur in kleinen Konzentrationen vorhanden ($<$50 mg/kg). Serpentinite enthalten dagegen hohe Gehalte an Ni (bis 2000 mg/kg). In Böden aus Serpentinit kann Ni toxisch für nicht angepasste Pfanzenarten sein.
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\huge{}
Nitrifkation

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Biologische Oxidation von Ammonium-N (NH$_4^+$) zu Nitrit-N (NO$_2^-$) und Nitrat-N (NO$_3^-$). Nitrifikation führt zu einer Erhöhung der Bodenazidität, weil bei der Oxidation Protonen freigesetzt werden.
\newpage

\huge{}
N-Mineralisation

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Organische N-Verbindungen werden durch Mikroorganismen abgebaut und N wird als NH$_4^+$ freigesetzt. NH$_4^+$ ist ein Kation und wird an Tonmineralien und Huminstoffe durch Kationenaustausch adsorbiert. In aeroben, nicht stark sauren Böden wird NH$_4^+$ durch Bakterien relativ schnell in Nitrat (NO$_3^-$) umgewandelt ($\rightarrow$Nitrifikation).
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\huge{}
Olivine

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Gruppe von Mg/Fe Inselsilikaten, die vor allem in basischen und ultrabasischen Gesteinen als HauptbestandteilI vorkommen. Wichtige Vertreter sind Forsterit (Mg$_2$SiO$_4$) und Fayalit (Fe$_2$SiO$_4$). Im $\rightarrow$Serpentinit wurden die Olivine grössten Teils in Serpentinnmineralien umgewandelt.
\newpage

\huge{}
Permafrost

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Ganzjahriger Bodenfrost, in den Alpen etwa ab 2700 m Höhe, vorkommend. Durch die Klimaerwärmung verschiebt sich die Permafrostgrenze in den Alpen nach oben.
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\huge{}
Phosphor (P)

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Hauptnährelement, in Gesteinen vorwiegend als Apatit (Ca$_5$(PO$_4$)$_3$(OH,F,Cl) vorkommend. In Böden liegt P immer in der Oxidationsstufe +V vor (Phosphat, PO$_4$). Phosphat wird bei der Verwitterung freigesetzt, an Fe-Oxide spezifisch adsorbiert und zum Teil in organische P-Formen eingebaut. Die P-Verfügbarkeit ist im schwach sauren pH Bereich optimal. In stark sauren Böden bilden sich schwerlösliche Fe/Al-Phosphate, in kalkreichen Böden sind Ca-Phosphate (inklusive Apatit) schlecht löslich.
\newpage

\huge{}
pH Wert des Bodens

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Der pH Wert eines Bodens ist entscheidend für die Verfügbarkeit von Nährstoffen sowie toxischen Elementen. Ideal für die meisten Pflanzen ist ein pH Wert im schwach bis mässig sauren Bereich (pH 5-7). In humiden Klimazonen liegen die pH Werte der Böden meistens zwischen pH 3 (sehr stark sauer) und pH 8 (schwach alkalisch). In ariden Gebieten sind auch stark alkalische Böden bis pH 10 möglich. Der Boden pH Wert wird im Labor in einer Suspension von 10 g Boden in 25 ml 0.01 M CaCl$_2$ Lösung gemessen.
\newpage

\huge{}
Podsol

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Bodentyp mit gebleichtem Horizont unter einer sauren Rohhumusauflage, darunter sind $\rightarrow$Huminstoffe (Bh) und Fe Oxide (Bs) wieder angereichert. Siehe auch $\rightarrow$Podsolierung.           .
\newpage

\huge{}
Podsolierung

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Abwärtsverlagerung von gelösten organischen Substanzen mit komplexiertem Al und Fe in sauren, oft sandigen Böden, die sich im Unterboden anreichern. Podsolierung kommt v.\,a. unter Nadelwäldern und Heidevegetation vor ($\rightarrow$Podsol).
\newpage

\huge{}
Pyroxene

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Gruppe von Kettensilikaten, die vor allem in basischen und ultrabasischen magmatischen und metamorphen Gesteinen vorkommen. Beispiele sind Augit ((Ca,Na)(Mg,Fe,Al)(Al,Si)$_2$O$_6$) und Enstatit (MgSiO$_3$).
\newpage

\huge{}
Quarz

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Gerüstsilikat mit der Summenformel SiO$_2$. Sehr verwitterungsresistent,
kein isomorpher Ersaz. Hauptkomponente der Sand- und Schlufffraktionen vieler Böden. Hauptbestandteil vieler saurer Silikatgesteine (z.\,B. Granit, Diorit, Quarzit).
\newpage

\huge{}
Rendzina

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Bodentyp mit einem gut entwickelten, humosen Oberboden (Ah) über Carbonatgestein, z.\,B. Dolomit. Rendzinen sind eher flachgründige Böden mit einem pH Wert im neutralen bis schwach alkalischen Bereich.
\newpage

\huge{}
Rohhumus

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Terrestrische Humusform auf stark sauren, nährstoffarmen Böden mit wenig wühlenden Bodentieren. Es fndet kaum Abbau der Streu statt, so dass es zu einer dicken organischen Auflage kommt. Der Oberboden besteht aus einem Streuhorizont (L), einem mächtigen Fermentierungshorizont (Of), einem mächtigen Humifizierungshorizont (Oh) und einem geringmächtigen mineralischen Oberbodenhorizont (Ah). Kühl-humides Klima begünstigt die Bildung von Rohhumus.
\newpage

\huge{}
Schwefel (S)

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Hauptnährelement, in magmatischen Gesteinen vorwiegend als Sulfide vorkommend. Sedimentgesteine (und daraus entstandene Böden) enthalten je nach Entstehung unterschiedlich viel Sulfate (z.\,B. Gips, CaSO$_4\cdot$H$_2$O) oder Sulfide (z.\,B. Pyrit, FeS). über die Atmosphäre (saurer Regen) wird H$_2$SO$_4$ in die Böden eingetragen.
\newpage

\huge{}
Serpentinit

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Ultrabasisches. metamorphes Gestein das vor allem aus Serpentinmineralien besteht ($\rightarrow$Chrysotil, $\rightarrow$Antigorit, $\rightarrow$Lizardit). In frischem Zustand durch Minerale der Serpentingruppe dunkelgrün gefärbt, verfärbt sich aber bei Verwitterung gelblichbraunn (hoher Eisen-Gehalt; Oxidation des Eisens).
\newpage

\huge{}
Solifluktion

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Durch Wasserübersättigung verursachte, langsame Rutschung des Bodens an steileren Hängen, der wie eine zähe Masse ins Fliessen gerät.
\newpage

\huge{}
Stickstoff (N)

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Hauptnährelement, das für viele Pflanzen limitierend und in Gesteinen nicht enthalten ist. Die wichtigsten natürlichen Quellen sind der Eintrag über Niederschläge und die biologische N$_2$-Fixierung. N wird von den Pflanzen als Ammonium (NH$_4^+$) oder Nitrat (NO$_3^-$) aufgenommen. Im Boden Sind meistens über 90\% des N in organischen Bindungsformen vorhanden. Dieses N wird erst durch $\rightarrow$N-Mineralisation pfanzenverfügbar.
\newpage

\huge{}
Syrosem

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Sehr flachgründiger und schwach entwickelter Rohboden mit einem schwach ausgebildeten Oberboden (Ai) direkt über festem Gestein (C).
\newpage

\huge{}
Tangelrendzina

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Bodentyp mit einer mächtigen, sauren Rohhumusauflage direkt über Carbonatgestein, z.\,B. Dolomit. Tangelrendzinen kommen nur an Schattigen, kalten Lagen in den Alpen vor.
\newpage

\huge{}
Textur

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Grössenenverteilung der Feinerde ($<$2 mm), d.\,h. Anteile von Ton ($<$2 $\mu$m), Schluff (2 - 50 $\mu$m) und Sand (50 - 2000 $\mu$m). Synonym: Körnung.
\newpage

\huge{}
Tonminerale

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Sekundäre Schichtsilikate, Partikel meistens $<$2 $\mu$m. Tonminerale machen in der Regel den grössten Teil der Tonfraktion von Böden aus. Sie haben eine grosse spezifische Oberfläche mit negativer Ladung und spielen deshalb eine wichtige Rolle beim $\rightarrow$Kationenaustausch und der Sorption von organischen Molekülen. Wichtige Gruppen von Tonmineralien sind Illite, Vermikulite, Smektite, Kaolinite und Chlorite.
\newpage

\huge{}
Tonverlagerung

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Abwärtsverlagerung von Partikeln der Tonfraktion (Tonminerale, Oxide) aus dem Oberboden (Ae) in den Unterboden (Bt) mit Sickerwasser. Tonverlagerung kann in kalkfreien, aber noch nicht stark versauerten Boden mit geringer Aggregatstabilität stattfinden.
\newpage

\huge{}
Turbation

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Vermischung von Bodenmaterial durch Tiere ($\rightarrow$Bioturbation), durch Quellun und Schrumpfung (Peloturbation), oder durch Gefrieren und Auftauen ($\rightarrow$Kryoturbation).
\newpage

\huge{}
Verbraunung

\normalsize{}
Glossar
\newpage
Braunfärbung des Bodens durch Entcarbonatisierung (sofern Carbonate vorhanden) und chemische Verwitterung von Silikaten. Bei der Verwitterung von Silikaten wird Fe(II) aus der Silikatstruktur freigesetzt, oxidiert und als Fe(III)-Hydroxid ausgefällt (Ferrihydrit). Fe-Hydroxide kristallisieren mit der Zeit zu Goethit (FeOOH, gelblich braun) um. Die Fe-Hydroxide und Oxide verleihen dem Boden seine braune Farbe. Siehe auch $\rightarrow$Braunerde.
\newpage

\huge{}
Verwitterung

\normalsize{}
Glossar
\newpage
\begin{itemize}
\item Physikalische Verwitterung: Mechanische Zerkleinerung des Gesteins durch Frost, Temperaturschwankung, Abrasion ,\dots. Die spezifische Oberfläche des Materials nimmt dabei zu.
\item  Chemische Verwitterung: Chemische Auflösung und Auswaschung einzelner Elemente (Ionen) bei Anwesenheit von Wasser. Gleichzeitige Umkristallisation oder Ausfällung gelösten Stoffe führt zur Bildung von sekundären Mineralien (z.\,B. Oxide, Tonmineralien).
\end{itemize}
\newpage

%Aufgaben
\huge{}
Aufgabe

\normalsize{}
Ein Boden hat eine Kationenaustauschkapazität (KAK) von 150 mmol$_{\mbox{c}}$/kg. Die K-Sättigung der Kationentauscher beträgt 3\% der KAK. Die Lagerungsdichte der obersten 30 cm des Bodens beträgt 1.3 g/cm$^3$. Berechnen Sie, wieviel kg K pro ha in den obersten 30 cm des Bodens in austauschbarer Form gespeichert sind.
\newpage
1 ha $\rightarrow$ 10$^8$ cm$^2$ $\rightarrow$ in 30 cm: 3$\cdot$10$^9$ cm$^3$

$$
1.3 \mbox{g/cm$^3$} \cdot 3 \cdot 10^9 \mbox{cm$^3$} = 3.9\cdot10^9 \mbox{g} = 3.9\cdot10^6 \mbox{kg}
$$

$$
3.9\cdot10^6 \mbox{kg} \cdot 4.5 \mbox{mmol/kg} = 1.8 \cdot 10^7 \mbox{mmol} \rightarrow 17550 \mbox{mol}
$$

$$
MW(K) = 39 \mbox{g/mol}
$$

$$
17550 \mbox{mol} \cdot 39 \mbox{g/mol} = 682.5 \mbox{kg}
$$
\newpage

\huge{}
Aufgabe

\normalsize{}
Beschreiben Sie, wie und durch welche Prozesse sich eine Vernässung des Bodens auf den N-Kreislauf und die N-Aufnahme der Pflanzen auswirken kann. Zeichnen Sie zuerst den N-Kreislauf im Boden und diskutieren Sie die einzelnen Prozesse.
\newpage

\textbf{Problem 1:}

Nitrifikation: NH$_4^+$ $\rightarrow$ NO$_2^-$ $\rightarrow$ NO$_3^-$
 
O$_2$ ist für diese Reaktion Bedingung. Bei Vernässung fehlt O$_2$ $\rightarrow$ gehemmte Nitrifiaktion.

\textbf{Problem 2:}

Denitrifiaktion: NO$_3^-$ $\rightarrow$ NO$_2^-$ $\rightarrow$ NO $\rightarrow$ N$_2$O $\rightarrow$ N$_2$

Bei Vernässung $\rightarrow$ schlechte Durchlüftung $\rightarrow$ Mikroorganismen nutzen NO$_3^-$ zur Atmung $\rightarrow$ N-Auswaschung wird begünstigt (wenn viel H$_2$O).

Die nicht symbiontische N$_2$-Fixierung ist gehemmt (wegen O$_2$-Mangel).

\newpage

\huge{}
Aufgabe

\normalsize{}
Warum ist die P-Verfügbarkeit in Böden bei mässig sauren pH Werten am höchsten? Formulieren Sie sich die Reaktionsgleichungen, die zur Ausfällung von schwerlöslichen Phosphaten bei sauren oder alkalischen pH werten führen können.
\newpage

P-Verfügbarkeit bei pH-Werten zwischen 5.5 und 6 ist am höchsten (Abbildung 8.8, Seite 111)

\begin{tabular}{lclcll}
PO$_4^{3-}$ & + & Fe$^{3+}$ & $\longrightarrow$ & FePO$_4$ & sauer\\
PO$_4^{3-}$ & + & Al$^{3+}$ & $\longrightarrow$ & AlPO$_4$ & sauer\\
PO$_4^{3-}$ & + & Ca$^{2+}$ & $\longrightarrow$ & Ca$_3$(PO$_4$)$_2$ & basisch
\end{tabular}

\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Erläutern Sie den Unterschied zwischen primären und sekundären Mineralen. Nennen Sie Beispiele! Welche Bodeneigenschaften werden vor allem durch sekundäre Minerale bestimmt, welche durch primäre Minerale? Welche der beiden Gruppen dominieren die Tonfraktion von Böden?

\newpage
\textbf{Primäre Mineralien}

Bestimmen Skelett

Quarz, Feldspäte, Glimmer, Amphibole, Pyroxene, Olivine

$\bullet$ Entstehen unter erhöhtem Druck und/oder erhöhter Temperatur

$\bullet$ Grössere Partikel

$\bullet$ dominieren in gröberen Fraktionen


\textbf{Sekundäre Mineralien}

Bestimmen Feinerde, dominieren die Tonfraktion von Böden

Tonmineralie, Kaolinit, Smektit,Vermikulit, Fe-Oxide, Fe-Hydroxide: Hämatit, Geothit, Al-Hydroxide (Gibbsit)

$\bullet$ Entstehen druch chemische Verwitterung von primären Mineralien unter atmosphärischem Druck und Temperatur

$\bullet$ kleinere Partikel

$\bullet$ dominieren in feinen Fraktionen (vorallem Tonfraktionen)

\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Was ist der Unterschied zwischen Gerüstsilikaten und Schichtsilikaten? Nennen Sie Beispiele. Welche der beiden Gruppen dominieren die Tonfraktion von Boden?

\newpage
\textbf{Gerüstsilikate}
\begin{itemize}
\item SiO$_2$ Beispiel Feldspäte, Quarz
\item 3-D-Struktur: stabiler $\rightarrow$ schlechter verwitterbar
\end{itemize}

\textbf{Schichtsilikate}
\begin{itemize}
\item Si$_2$O$_5^{2-}$ Beispiel Glimmer
\item 2-D-Struktur: $\rightarrow$ grösserer Vernetzungsgrad
\end{itemize}

\textbf{Hauptkomponente der Sand- und Schlufffraktion:}

Tonmineralien sind Schichtsilikate $\rightarrow$ dominieren Tonfraktion
\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Erläutern Sie, warum Tonminerale in der Regel negative strukturelle Ladung besitzen. Wie wird diese Ladung ausgeglichen?

\newpage
Tonmineralien sind Schichtsilikate

Beispiel Glimmer: Si$_2$O$_5^{2-}$

Negative Ladung entsteht durch isomorpher Ersatz (Si$^{4+}$ $\rightarrow$ Al$^3$)

Die überschüssige negative Ladung im Kristallgitter wird durch den Einbau anderer Kationen (K$^+$, Na$^+$, Mg$^{2+}$, Ca$^{2+}$, Fe$^{2+}$) ausgeglichen.
\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Die Silikate stellen, von der Masse her, die wichtigste Mineralgruppe in der Erdkruste dar. Erläutern Sie, Warum bestimmte Silikate leicht, andere Silikate schwer verwitterbar sind. Nennen Sie Beispiele. Welche sekundären Minerale könnten sich bei ihrer Verwitterung bilden?

\newpage
Mit zunehmender Vernetzung der Si-Tetraeder und abnehmendem isomorphen Ersatz nimmt der Gehalt an anderen Kationen ab und die Verwitterungsstabilität nimmt zu.
\begin{description}
\item[Schwer verwitterbar] Quarz, Feldspäte (Gerüstsilikate)
\item[Leicht verwitterbar] Olivine (Inselsilikate)
\end{description}

Es bilden sich Tonminerale (schichtsilikate) z.\,B: Ilite, Vermikulite, Smektite, Sekundäre Chlorite, Kaolinite, Halloysite

\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Erläutern Sie die strukturellen Unterschiede zwischen Quarz und Feldspaten. Warum findet man in stark verwitterten Böden Quarz in der Sandfraktion, aber keine Feldspäte?

\newpage
Gleiche Vernetzung

Isomorpher Ersatz:
\begin{description}
\item[Quarz] keinen
\item[Feldspäte] höher (jede 4. oder 2. Tetraederposition) $\rightarrow$ leicher verwitterbar als Quarz
\end{description}

Bei stark verwitterteb Böden:

Feldspäte sind total verwittert, Quarz noch nicht
\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Warum sind die meisten Tonminerale plättchenförmig? Erlautern Sie den strukturellen, Aufbau (Tetraederschichten, Oktaederschichten, Zwischenschichtkationen, etc.) eines 1:1 und eines 2:1 Tonminerals.

\newpage
Tonminerale sind Schichtsilikate

\begin{description}
\item[1:1]
\begin{itemize}
\item Abwechslungsweise \textbf{Okta}- und \textbf{Tetra}ederschicht
\item Basisabstand: 0.7 nm
\item keine Kationen dazwischen
\item Beispiel: Kaolinit
\end{itemize}
\item[2:1]
\begin{itemize}
\item \textbf{Tetra}-, \textbf{Okata}-, \textbf{Tetra}ederschicht
\item Kationen, manchmal auch Wasser
\item Basisabstand: variabel: 1-2 nm
\item Beispiel: Illit, Smectit
\end{itemize}
\item[2:2]
\begin{itemize}
\item \textbf{Tetra}-, \textbf{Okata}-, \textbf{Tetra}-, \textbf{Okata}ederschicht
\item Beispiel: Chlorit
\end{itemize}
\end{description}
\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Diskutieren Sie die wichtigsten Verwitterungsprozesse in folgenden Klimazonen am Beispiel Granit: (1) kontinentales, semi-arides Klima, (2) warm-humides Klima.

\newpage
\textbf{kontinentales, semi-arides Klima}
Granit ist ein Intrusivgestein: verwittert in der Regel physikalisch leicht, vorallem durch Temperatur- und Frostsprengung sowie auch durch Salzsprengung

\textbf{warm humides Klima}
Granit ist ein saures Gestein: darauf entsteht in humiden Gebieten stark saure und oft relativ nährstoffarme Böden

\begin{itemize}
\item chemische Verwitterung: Hydrolyse und Protolyse
\item in humiden Klima: pH 3 bis pH 7 (oft)
\item Voraussetzung für chemische Verwitterung:
 \begin{itemize}
 \item Vorhandesein von H$_2$O
 \item Abtransport von Lösungsprodukten $\rightarrow$ humides Kilma und ausreichende Drainage begünstigen chemische Verwitterung
 \end{itemize}
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Welchen Einfluss könnten Bodenorganismen auf die Verwitterung von primären Mineralien haben? Diskutieren Sie!

\newpage
\begin{itemize}
\item Bodenorganismen scheiden CO$_2$ und organische Säuren aus $\rightarrow$ beeinflussen Kalkaufläsung und Mineralverwitterung
\item Organismen schaffen Poren, tragen zur Bildung von stabilen Bodenaggregaten bei und durchmischen den Boden (Bioturbation)
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Beschreiben Sie, Wie Bodenorganismen die Bodenbildung beeinflussen können. Denken Sie an die Verwitterung, Kalkauflösung, Gefügebildung, Durchmischung (Bioturbation) und Umsetzung der Streu.

\newpage
\begin{description}
\item[Verwitterung] CO$_2$ und oganische Säuren werden ausgeschieden
\item[Kalkauflösung] organische Säuren (Hydrolyse und Protolyse)
\item[Gefügebildung] hohe biologische Aktivität $\rightarrow$ Ausbildung eines Krümelgefüges (rundliche Aggregate, durch organische Substanzen verkittet und stabilisiert) $\rightarrow$ Schaffung von Grobporen: bessere Druchlüftung, schnellere Infiltraion von H$_2$O (weniger Erosion), (Lebensraum)
\item[Durchmischung Bioturbation] Durchmischung des Bodens durch wühlende Bodentiere $\rightarrow$ Gefügebildung
\item[Umsetzung der Streu] Totes organisches Material (Streu) wird durch Bodenorganismen abgegeben $\rightarrow$ Huminstoffe. Mit der Zeit: Akkumulation von organischen Substanz: Humus
\end{description}

\newpage
\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Beschreiben Sie den Prozess der Peloturbation. Unter welchen Klimabedingungen ist dieser Prozess am ausgeprägtesten? Welchen Einfluss hat der Tongehalt und die Art der Tonminerale auf diesen Prozess?

\newpage
\begin{description}
\item[Peloturbation] Mischung von Bodenmaterial durch einen Wechsel von Schrumpfen bei Austrockung und Quellen bei Befeuchtung
 \begin{description}
 \item[Klimabedingung] warmes, wechselfeuchtes Klima
 \item[Boden] Tonreicher Boden mit quellfähigen Tonmineralien (Smektite)
 \end{description}
\end{description}

\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Sie vergleichen zwei Bäden die sich unter humidem Klima gebildet haben. Einer der Böden hat sich aus Granit gebildet, der andere aus Basalt. Erläutern Sie zu erwartende Unterschiede hinsichtlich Tiefgründigkeit, Kornung, Wasserspeicherfahigkeit. und Nahrstoffgehalt.

\newpage
\begin{tabular}{lll}
 & Granit & Basalt\\
Tiefgründig- & Nicht so tiefgründig wegen & Tiefgründig wegen\\
keit & Gerüst- und Schichtsilikaten & Band-, Insel- und Kettensilikaten\\
Körnung & Granit ist intrusiv & Basalt ist Effusiv (= Extrusiv)\\
 & $\rightarrow$ Grobkörniger &  $\rightarrow$ Feinkörniger\\
Wasser- & H$_2$O: 0.47 & H$_2$O: 0.91\\
speicher- & $\rightarrow$ weniger Wasser & $\rightarrow$ mehr Wasser\\
fähigkeit & gespeichert & gespeichert \\
Nährstoff- & Granit ist sauer & Granit ist basisch\\
gehalt & $\rightarrow$ nährstoffärmer & $\rightarrow$ nährstoffreicher
\end{tabular}

\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Warum setzt die Silikatverwitterung und die damit einhergehende Verbraunung erst nach vollständiger Entkalkung eines Bodenhorizontes ein? Was versteht man unter dem Begriff Verbraunung?

\newpage
Verbraunung ist Braunfärbung des Bodens als Folge des Entkalkung und chemischer Verwitterung silikatischer Bestandteile und die damit verbundene Entstehung oder Freisetzung von Fe(III) Oxiden und Hydroxyden.
\begin{enumerate}
\item Entkalkung (pH $\downarrow$ (unter 7))
\item Verwitterung der Silikate (Freisetzung von Fe)
\item Verbraunung (Fe$^{2+}$ $\rightarrow$ Fe$^{3+}$)
\end{enumerate}
\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Wozu braucht man eine Bodenklassifikation? Diskutieren Sie den Nutzen und mögliche Probleme bei der Klassifikation von Böden. Welche Funktionen sollte Ihrer Meinung nach eine Bodenkarte erfüllen können?

\newpage
Wozu?
\begin{itemize}
\item Landwirtschaft, Forstwirtschaft
\item Orts- und Regionalplanung
\item Natur- und  Umweltschutz
\item Forschung
\end{itemize}

Probleme
\begin{itemize}
\item viele verschiedene Klimaten $\rightarrow$ viele verschiedene Bodenklassifikationen $\rightarrow$ zu viele Details für Weltkarte
\end{itemize}

Funktion
\begin{itemize}
\item Info über Art, Inhalt und Nutzung des Bodens 
\end{itemize}

\newpage
\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Erläutern Sie, warum Lössböden mehr Wasser in pflanzenverfügbarer Form speichern können, als Boden. aus Sandsteinverwitterung oder aus Tonsteinverwitterung. Welcher Anteil des Wassers ist pflanzenverfügbar?

\newpage
Löss ist ein Schluffboden
\begin{description}
\item[Sandboden] 0-3 Vol-\% Wassergehalt für Pflanzen verfügbares Wasser
\item[Schluffboden] 10-30 Vol-\% $\leftarrow$ am besten, da grösste grösster Bereich, nFK am grössten
\item[Tonboden] 32-44 Vol-\%
\end{description}
\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Diskutieren Sie den Einfluss der Bodenstruktur auf Transportprozesse im Boden. Was versteht man unter präferentiellen Fliesswegen? Welchen Einfluss haben sie auf den Transport von Stoffen in Böden?

\newpage
\begin{description}
\item[Präferentielle Fliesswege] gebildet durch Makroporen
\end{description}

Je besser das Bodensystem, desto besser der Transport

\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Welche Rolle spielen Makroporen im Boden hinsichtlich biologischer, physikalischer, und chemischer Prozesse. Diskutieren Sie!

\newpage
\begin{description}
\item[Biologisch] Makroporen sind Lebensraum für Organismen $\rightarrow$ bessere Bioturbation
\item[Physikalisch]

 \begin{itemize}
 \item Frostsprengung
 \item Salzsprengung
 \item Wurzelsprengung
 \item Hydratation (besserer Gasaustausch)
 \end{itemize}
\item[Chemisch] Chemische Prozesse sind begünstigt, da grössere Oberfläche
\end{description}


\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Böden sind in unterschiedlichem Masse gegen Säureeinträge gepuffert. Nennen Sie die wichtigsten Puffermechanismen. Welche der Puffermechanismen sind in neutralen bis basischen, leicht sauren und stark sauren Böden wirksam?

\newpage
Puffersysteme: SNK = Säureneutralisationskapazität

neutral bis leicht alkalisch pH 7.2 bis 8.2:

CaCO$_3$ + H$^+$ $\rightarrow$ Ca$^{2+}$ + HCO$_3^-$

leicht sauer

Ton$\cdot$Ca + 2H$^+$ $\rightarrow$ Ton$\cdot$H$_2$ + Ca$^{2+}$

$<$pH 5, sauer:

Al(OH)$_{3(s)}$ + 3H$^+$ $\rightarrow$ Al$^{3+}$ + 3H$_2$O
\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Für welche Hauptnährelemente spielt der Kationenaustausch eine wichtige Rolle bei der Nährstoffspeicherung?

\newpage
$\underbrace{\mbox{Ca$^{2+}$, Mg$^{2+}$, K$^+$}}_{\mbox{Hauptnährelemente}}$, (NH$_4^+$), $\underbrace{\mbox{Al$^3$, H$^+$}}_{\mbox{saure Protonen}}$ Na$^+$: für Kationenaustausch

\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Erläutern Sie, wie sich die Al-Sättigung an Kationenaustauschern in einem Mineralboden verändert, wenn der Boden zunehmend versauert. Welchen Einfluss kann eine zu hohe Al$^{3+}$-Konzentration in der Bodenlösung auf das Pflanzenwachstum haben? Welche Rolle spielt dabei die organische Substanz im Boden?

\newpage
Je tiefer der pH, desto höher wird die Al$^3+$-Konzentration in der Bodenlösung

$\rightarrow$ hemmt Wurzelwachstum

$\rightarrow$ löst bei empfindlichen Arten Wasser- und Nährstoffmngel aus (P, Mg) (verstärkt durch saurer Regen)

Bei Versauerung wird das organische Material viel schlechter abgebaut
\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Wie verändert sich die Belegung der Kationenaustauscher im Boden mit zunehmender Bodenversauerung (Ca$^{2+}$, Mg$^{2+}$, K$^+$, Na$^+$, Al$^{3+}$, H$^+$)? Welche Konsequenzen kann dies für die Vegetation haben?

\newpage
\begin{tabular}{lcl}
basisch & $\rightarrow$ & sauer\\
K$^+$, Ca$^{2+}$, Mg$^{2+}$, Na$^+$ & & H$^+$, Al$^{3+}$
\end{tabular}

Konsequenz: Puffersysteme arbeiten mit entsprechenden Kationen $\rightarrow$ bei Versauerung: Waldsterben

\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Welche Prozesse beeinflussen den Stickstoffhaushalt eines Bodens? Sehen Sie einen Zusammenhang zwischen der Porenstruktur des Bodens (Durchlüftung!) und dem Stickstoffhaushalt?

\newpage
Prozesse
\begin{itemize}
\item Biologische N$_2$-Fixierung
\item Mineralisierung (Mobilisation)
\item Nitrifikation
\item Denitrifikation
\item Gasförmige NH$_3$-Verluste
\item N-Auswaschung
\end{itemize}

Zusammenhang:

Ja, je besser das Porensystem, umso besser die Durchlüftung, desto besser der ganze N-Kreislauf
\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Wie würden Sie die Vorräte .und Pflanzenverfügbarkeit von Kalzium, Stickstoff und Phosphor auf einer typischen Mullrendzina auf Kalkgestein einschätzen? Was könnten dort wachstumslimitierende Faktoren sein? Begründen Sie Ihre Aussagen.

\newpage
\begin{itemize}
\item Wenn Kalkgestein verwittert $\rightarrow$ Ca$^{2+}$ $\Rightarrow$ viel Ca$^2+$
\item viel PO$_4^{3+}$ (wegen Ca-Phosphate)
\item NH$_4^+$ auch vorhanden, da von aussen eingetragen und im Boden gespeichert wurde
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Was versteht man unter den Begriffen Humus, Huminstoffe, und Nicht-Huminstoffe?

\newpage
\begin{description}
\item[Humus] Gesmatheit der toten organischen Substanz, ausser Streustoffe (Huminstoffe und Nichthuminstoffe)
\item[Huminstoffe] stark umgeformte, dunkle, meist hochmolekulare Produkte des Ab- und Umbaus der Streustoffe durch Mikroorganismen
\item[Nicht-Huminstoffe] alle chemischen Verbindungen mit bekannter Struktur (z.\,B. Aminosäuren, Proteine, Zucker)
\end{description}

\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Welchen Einfluss kann die organische Substanz auf physikalische, chemische, und biologische Funktionen des Bodens haben?

\newpage
\begin{description}
\item[physikalische Funktion] Durchlüftung, Wasserinfiltration, Durchwurzelbarkeit, Wasserspeicherkapazität, Farbe
\item[chemische, biologische Funktion] Komplexierung toxischer Metallkationen, Nahrungsgrundlage, enthält Wirkstoffe (positive und negative), hohe KAK
\end{description}

\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Sind hohe Gehalte an organischer Substanz generell ein Zeichen hoher Bodenfruchtbarkeit? Diskutieren Sie! Unter welchen Bedingungen findet man besonders hohe Gehalte an organischer Substanz?

\newpage
Qualität eines Bodens hängt nicht von der Zusammensetzung der organichen Substanz ab und nicht von der Quantität.

Wenn abbau gehmmmt ist $\rightarrow$ besonders viel organische Substanz im Boden z.\,B. pH tief, zuviel H$_2$O

N ist ein stark ertragsbestimmendes Element
\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Was versteht man unter den Humusformen Mull, Moder und Rohhumus? Wie hängt die Bildung dieser Hurnusformen mit der Art der Streu und der biolbgischen Aktivitat im Boden zusammen?

\newpage
\textbf{Mull}

$\bullet$ gemässigtes Klima, leicht abbaubaure Streu, nährstoffreiche Böden, neutrale bis leicht saure pH-Werte $\rightarrow$ Streu wird schnell zersetzt

$\bullet$ Regenwürmer (aktive Bodenfauna)

$\bullet$ Oberboden gut durchlüftet und durchwurzelbar

$\bullet$ C/N: 7 bis 15

\textbf{Moder}


$\bullet$ kühl-feucht, mässig bis stark versauerte Waldböden, oft auf sandigen Böden (keine Regenwürmer) $\rightarrow$ organische Substanz wird langsam abgebaut, durchmischt

$\bullet$ Pilzhyphen (geben modrigen Geruch)

$\bullet$ C/N: 15 bis 20

\textbf{Rohhumus}

$\bullet$ nährstoffarme Böden

$\bullet$ schlecht abbaubare Streu

$\bullet$ C/N: 30 bis 40

$\bullet$ stark sauer: pH 2 bis 4

$\bullet$ riesige organische Auflage
$\bullet$ fast keine Bodentiere, die wühlen

\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Erläutern Sie den Einfluss der Vegetation auf die Bildung unterschiedlicher Humusformen.

\newpage
\begin{itemize}
\item Art von Streu
\item Regenwürmer: Bioturbation
\item pH-Werte
\end{itemize}

\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Eine Dauergrünlandfläche wird umgepflügt und als Ackerland genutzt. Wie verändert sich der Gehalt an organischer Substanz und die Bodenatmung (Abgabe von CO$_2$) als Folge dieser Umnutzung. Diskutieren Sie mögliche Prozesse und Ursachen.

\newpage
\textbf{Wiese}
\begin{itemize}
\item Bioturbation
\item wenig Streu
\item Nährstoffgehalt \glqq{}normal\grqq{}
\item reich an Zucker, Protein: C/N tief
\end{itemize}

\textbf{Ackerland}
\begin{itemize}
\item 1 bis 5\% organische Substanz
\item C/N hoch
\item Gehalt organische Substanz nimmte ab
\item Bodenatmung (Abgabe CO$_2$ ) da mehr Organismen im Boden
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Ein Niedermoor wird drainiert und als Ackerfläche genutzt. Welchen Einfluss hat dieser Eingriff auf den Kohlenstoffkreislauf im Boden? Wie beurteilen Sie diesen Eingriff hinsichtlich der Freisetzung von Nährstoffen?

\newpage
Niedermoor: nährstoffreich Anschluss an Grundwasser

\begin{itemize}
\item Es werden viele Nährstoffe mit dem drainierten Wasser ausgeschwemmt
\item C-Kreislauf
\end{itemize}

\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

\normalsize{}
Auf welche Weise beeinflusst das Porensystem eines Bodens die biologische Aktivität und den Lebensraum verschiedener Organismengruppen im Boden? Kennen Sie Bodentiere, die aktiv das Porensystem beeinflussen? Wie könnte sich anhaltender Sauerstoffmangel (anaerobe Verhältnisse) auf die Bodenfauna auswirken?

\newpage
Mehr Poren $\rightarrow$ mehr Tiere $\rightarrow$ bessere Bioturbation: Durchlüftung,\dots

\textbf{Aktiv}
\begin{itemize}
\item Regebwurm
\item Maulwurf
\item Mäuse
\item Arthropoden (Milben, Asseln,\dots)
\end{itemize}

\textbf{O$_2$-Mangel}

Aerob lebende Tiere sterben
\newpage

\huge{}
Aufgabe Appendix 2

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Welche Rolle spielen die Bodenorganismen im globalen Kohlenstoffkreislauf? Was versteht man unter den Begriffen Produzenten, Konsumenten und Destruenten?

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\begin{description}
\item[Produzent] Autotrophe Organismen (Pflanzen) die organisches Material durch Photosynthese produzieren
\item[Konsument] Tiere der Makrofauna, die Teile der organischen Streu fressen, es wird unterschieden zwischen Primärzersetzer und Sekundärzersetzer
\item[Destruent] Mikroorganismen (Pilze, Bakterien), die das organische Material weiter zersetzen und zum Teil in anorganische Bestandteile (CO$_2$, H$_2$O, Mineralstoffe) mineralisieren.
\end{description}

\end{flushleft}

\end{document}
