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Bodenreaktion und Puffer


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Definition Bodenreaktion
Vermögen der Bodenfestsubstanz, H+-Ionen in die Bodenlösung abzugeben
Was ist das Maß für die Bodenreaktion?
H+-Ionenkonzentration in der Bodnelösung [mol H+ / Information]
Was ist die Maßzahl derBodenreaktion?
PH-Wert (= negativer dekadischer Logarithmus der H+-Ionenkonzentration) (Bsp: pH = 3 → 10-3 mol H+ / l → 0,001 mol H+ / l
Was sind die Arten der Bodenazidität? (Bodensäure)
1. aktuelle Azidität (pH-Wert-Messung in H2O) 2. potenzielle Azidität (Messung Kcl oder CaCl2-Lösung) → Desorption von H+ und AL3+ vom Bodenaustauscher #
Warum reagieren unsere Böden sauer? 4 natürliche Ursachen:
1. CO2-Produktion durch die Atmung der Bodenorganismen ( → H2CO3) 2. H+-Ionenausscheidungen der Pflanzenwurzeln bei der Nährstoffaufnahme 3. Humifizierung → Bildung schwacher organischer Säuren 4. Auswaschung von basischen Kationen (vgl. Pufferung)
Warum reagieren unsere Böden sauer? Anthropogene Ursachen:
1. Holzernte (=Entnahme von basischen Kationen) 2. atmogene Säuredeposition („saurer Regen“)
Was passiert bei der Verbrennung fossiler Energieträger?
Freisetzung von SO2 (Schwefeldioxid) und NOx (Stickoxide) → bilden im Niederschlag Schwefel- und Salpetersäure #
Was ist eine Säure?
Eine Säure ist eine Substanz, welche die Wasserstoffionen-Konzentration beim Zugeben zu einer wässrigen Lösung erhöht
je niedriger der pH-Wert, desto ...
saurer
je höher der pH-Wert, desto ...
alkalischer
Was ist weder sauer noch alkalisch und bei welchem pH-Wert?
Reines Wasser: pH-Wert 7,0; kalkaltige Bodenhorizonte auch möglich
Welchen pH-Wert hat natürlicher Regen?
5,5, mittel sauer
Welchen pH-Wert hat Niederschlag in Mitteleuropa?
4,0 – 4,5: stark sauer
welchen pH-Wert hat extrem saurer Nebelniederschlag?
1,5 – 2,8; extrem sauer (na so was)
Welche pH-Wert hat Seifenwasser?
9,5
Was bedeutet Pufferung?
Böden sind in der Lage, der Säurebelastung einen Widerstand entgegenzusetzen. Verschiedene Substanzen im Boden wirken als Säurepuffer. Je besser ein Boden gepuffert ist, desto geringer ist die pH-Abnahme bei gleichem Säureeintrag
Welche Formen der Pufferung gibt es?
Verwitterung von Carbonatgestein im schwach sauren pH-Bereich; Silikatverwitterung und Protonierung von variablen Ladungen als Protonensenke in kalkfreien Böden; Protonenbindung durch Auflösung von sekundären Mineralen im stark sauren pH-Bereich
Was sind Pufferbereiche?
Die pH-Bereiche, innerhalb derer bestimmte Puffersubstanzen für eine pH-Nivellierung sorgen, werden als Pufferbereiche bezeichnet. Nach ULRICH et al. (1979) lassen sich 5 Pufferbereiche unterscheiden, die in relativ abgegrenzten pH-Bereichen wirksam sind
Unterscheide die Pufferbereich nach ULRICH et al. (1979)
Carbonatpufferbereich, Silikatpufferbereich, Austauscherpufferbereich, Al-Pufferbereich, Fe-Pufferbereich
Talk about Carbonatpufferbereich
pH > 6,2 2CaCO3 + 2H+ → Ca(HCO3)2 + Ca2+; allmählicher Verlust von CaCO3 (Entkalkung); optimale Bedingungen für Bodenorganismen
Talk about Silikatpufferbereich
pH 6,2 – 5,0; Verwitterung primärer Silikate (Feldspäte, Glimmer); Entstehung sekundärer Minerale (Verbraunung, Verlehmung); optimale Nährstoffverfügbarkeit durch Freisetzung basischer Kationen (Na+, K+, Mg2+, Ca2+) und deren Adsorption am Bodenaustauscher
Talk about Austauscherpufferbereich
pH 5,0 – 4,2; Verdrängung austauschbarer basischer Kationen durch saure Kationene (v.a. Al3+ aus Silikatresten) und Protonen; durch Auswaschung der basischen Kationen Abnahme der Basensättigung; Protonierung variabler Ladung (abnehmende KAKeff); beginnende Verdrängung säureempfindlicher Organismen
Talk about Al-Pufferbereich
pH < 4,2; Auflösung von Kristallgittern der sekundären Minerale (Tonmineralzerstörung); dadurch Freisetzung von noch mehr Al3+ in die Bodenlösung; Austauscherplätze überwiegend von Al3+ belegt; Basensättigung < 20%; Aluminiumkonzentration in der Bodenlösung zunehmend toxisch (Wurzelschäden)
Talk about Fe-Pufferbereich
pH < 3,0; Pufferung der Protonen durch Auflösung von Eisen(hydr)oxiden; H+- und Fe-Sättigung am Austauscher steigen stark an; Verlagerung von Sesquioxiden als metallorganische Komplexe (Podsolierung); stark eingeschränkte bodenbiologische Aktivität (Rohhumusbildung); säureangepasste Pflanzengesellschaften
Aktuelle Ergebnisse der BZE (Bodenzustandserhebung)
0 – 10 cm T: Fe/Al >>> Al > Aust. = Fe /// 10 – 20 cm T: Al > Aust. > Fe/Al >> Carbonat /// 20 – 140 cm T: Aust > Al-P. >> Carbonat = Fe/Al > Silikat
Einschätzung des Säurerisikos: minimal
gesamter Wurzelraum im Carbonat- oder Silikat-Pufferbereich
Einschätzung des Säurerisikos: gering
Oberboden (bis 30 cm) im Austauscher-Pufferbereich // Folge: Beeinträchtigung säureintoleranter (kalkholder) Arten
Einschätzung des Säurerisikos: mittel
Oberboden im Aluminium- oder Aluminium/ Eisen-Pufferbereich, Unterboden im Silikat- oder Austauscher-Pufferberich // Folge: Verdrängung säureintoleranter Arten
Einschätzung des Säurerisikos: stark
Ober- und Unterboden im Aluminium / Eisen-Pufferbereich, pH-Wert im Oh-Horizont > 3,0 // Folgen: geringe bis sehr geringe Vorräte an austauschbaren basisch wirkenden Kationen; niedrige Ca- und hohe Al-Gehalte in den Feinwurzeln; Schäden im Meristem und gehemmtes Längenwachstum von Feinwurzeln
Einschätzung des Säurerisikos: sehr stark
Ober- und Unterboden im Aluminium- oder Aluminium- / Eisen-Pufferbereich, pH-Wert im Oh-Horizont < 3,0 #
Sag was zum Säurestressrisiko in deutschen Böden:
mittel: 63,6%; hoch: 28,5%; sehr hoch: 3,3%; minimal 2,8%; niedrig: 1,9%
Wie hat sich der pH-Wert der Böden zwischen 1991 und 2006 verändert?
Besonders im Oberboden (0 – 10 cm) ist der pH-Wert stark gesunken (um ca. 0,5), aufgrund der Auswaschung im Unterboden sehr leicht gestiegen
Talk about pH-Wert und Kationenbelag
die variable Ladung sinkt mit dem pH-Wert, Mg2+, Na+, + nehmen zwischen 7 und 5 um 2/3 ab und sinkt dann weiter. Ab pH 5 werden Al3+, H+, Fe2+ und Mn2+ in sich bis pH 4 immens steigernden Mengen freigesetzt
Was sind Einflussfaktoren auf die Bodenversauerung?
1. Silikatverwitterungsrate (→ Ausgangsgestein) 2. Versickerungsrate (→ Klima) 3. Zeit (→ Alter des Bodens) 4. Atmogene Eintragssituation (Säurebildner, basische Stäube) 5. Art/ Intensität der forstlichen Nutzung
Welche forstlichen Maßnahmen beeinflussen Bodenversauerung?
Baumartenwahl, Biomassenexport, Kahlschlag
Inwiefern beeinflusst die Baumartenwahl in der forstlichen Nutzung die Bodenversauerung?
tiefwurzelnde Laubbäume → „Basenpumpe“; Nadelhölzer → niedrigmolekulare saure Huminstoffe (Fulvosäuren)
Inwiefern beeinflusst Biomassenexport Bodenversauerung?
Historische Streunutzung/Waldweide und Ganzbaumernte führt zu Basenverlust (→ Verlust an Pufferkapazität)
Inwiefern beeinflusst Kahlschlag Bodenversauerung?
Durch forcierten Humusabbau infolge angeregter Mikroorganismentätigkeit (Einstrahlung → Wärme) wird verstärkt Nitrat (Anion: NO3-) freigesetzt und zusammen mit daran gebundenen basischen Kationen ausgewaschen
Was gilt allgemein für die Bodenversauerung?
WENN Basenverlust > Silikatverweitterungsrate + atm. Baseneintrag, DANN „Versauerung“ des Systems (Erinnerung: Natürlicher Regen: 5,5 → Silikatpufferbereich
ökologische Bedeutung der Bodenreaktion: hohe pH-Werte? 4 Punkte
1. gute Versorgung mit Ca und Mg 2. schlechte Verfügbarkeit von Fe, Mn, Cu, Zn (evtl. K) 3. hohe Kationenaustauschkapazität 4. hohe biologische Aktivität, günstige Humusform (intakte Stoffkreisläufe)
ökologische Bedeutung der Bodenreaktion: niedrige pH-Werte? 9 Punkte
1. ungünstiges Bodengefüge 2. ungünstige Humusformen (Rohhumus) 3. Oberbodenverdichtung durch verringerte Bioturbation 4. Beeinträchtigung der Stofftransformationsfunktion von Böden 5. Zerstörung von Tonmineralen 6. Toxizität durch Al3+-Ionen (Wurzelschäden) 7. zunehmende Mobilität von Schwermetallen (Cu, Zusatznutzen, Cd, Pb) 8. Gefahr der Quell- und Grundwasserkontamination 9. evtl. Einschränkung der Biodiversität