Chemische und ökologische Eigenschaften des Bodens

Chemische und physikalisch-chemische Eigenschaften

Die chemischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften sowie der pH-Wert sind von zentraler Bedeutung für den Boden. Die Ionenaustauschkapazität steht im Zusammenhang mit Lehm und Schlamm in der mineralischen Fraktion und ist eine der wichtigsten Bodeneigenschaften. Sie bezieht sich auf den reversiblen Austausch von Kationen und Anionen an Mineralien und organischen Teilchen mit hoher spezifischer Oberfläche, Molekülen und Ionen.

Bedeutung der Ionenadsorption

Die Adsorption von Ionen ist von großer Bedeutung für Reaktionen im Boden (pH-Wert), die Nährstoffversorgung und die Prozesse der Bodenbildung. Austauschbare Ionen sind jene, die in einem begrenzten Zeitraum durch andere Ionen bei standardisierter Konzentration und pH-Wert ausgetauscht werden können (z. B. Ammoniumacetat bei pH 7,0 oder Natriumacetat bei pH 8,2). Nicht direkt austauschbare Ionen befinden sich an unzugänglichen Stellen in Mineralien oder sind chemisch fest gebunden.

Kationenaustauschkapazität (KAK/CEC)

Die Kationenaustauschkapazität (CEC) wird durch anorganische und organische Kolloide bestimmt. Die KAK entspricht der Gesamtzahl der Austauschplätze (negative Ladungen) bzw. dem Gesamtbetrag der adsorbierten Kationen.

Ursprung der negativen Ladungen

• Isomorpher Ersatz: pH-unabhängig; erzeugt eine negative Ladung, wenn ein Kation ohne Ausgleich ersetzt wird (z. B. Austausch von Si⁴⁺ durch Al³⁺ in der Tetraeder-Position oder Substitution von Al³⁺ durch Mg²⁺ oder Fe²⁺ in der Oktaeder-Position).
• Gebrochene Kanten oder freiliegende Flächen: pH-abhängig; ein höherer pH-Wert begünstigt die Dissoziation von H⁺ aus Carboxyl- und Hydroxylgruppen.
• Ionisation von OH- und COOH-Gruppen: pH-abhängig; sehr wichtig in Böden mit hohem Gehalt an organischer Substanz, wie beispielsweise Trumaos (vulkanische Aschenböden).

Mechanismen des Austauschs

Der Austausch erfolgt zwischen einer festen Phase (Kolloid) und einer flüssigen Phase (Bodenlösung). Kationen werden von negativ geladenen Plätzen angezogen; der Mechanismus ist reversibel und strebt immer ein Gleichgewicht an.

Anionenaustauschkapazität (AAK/CIA)

Die Anionenaustauschkapazität im Boden ist meist geringer als die Kationenaustauschkapazität. Böden wie Trumaos weisen eine variable Ladung auf und neigen dazu, auch positive Ladungen zu besitzen. Diese finden sich an Tonmineralen, Hydroxiden und organischen Stoffen.

Ursprung der positiven Ladungen (bei niedrigem pH-Wert)

• Protonierung von Tonmineralen, Fe- und Al-Hydroxiden sowie =NH- und -NH₂-Gruppen der Huminstoffe.
• Dissoziation und Austausch von austauschbaren OH-Ionen an Al-OH-Gruppen der gebrochenen Kanten von Mineralien.

Basensättigungsgrad

Er drückt den Anteil der KAK aus, der durch Austauschbasen belegt ist. In den meisten Böden dominieren dabei Ca²⁺ und Mg²⁺.

Bodenreaktion und pH-Wert

Der pH-Wert ist eine physiologische Funktion der Bodenlösung, gemessen durch die Aktivität der H⁺-Ionen. Er zeigt die Säure oder Basizität des Bodens an.

Ursachen des Säuregehalts

• Klima und Ausgangsmaterial.
• CO₂-Produktion durch Bodenorganismen.
• Produktion von H⁺ durch Pflanzenwurzeln.
• Humifizierung organischer Stoffe und Oxidation.

Bedeutung des pH-Wertes

Der pH-Wert beeinflusst die Bodenentstehung, die Verfügbarkeit und Aufnahme von Nährstoffen, die Aktivität der Bodenorganismen sowie den Abbau organischer Stoffe. Die aktive Säure wird durch die H⁺-Ionen in der Bodenlösung verursacht.

Pufferkapazität des Bodens

Dies ist die Fähigkeit des Bodens, Änderungen des pH-Wertes in der Bodenlösung zu widerstehen. Die Pufferkraft variiert zwischen den Böden; wichtige Puffer sind organische und anorganische Kolloide. Eine Veränderung des pH-Wertes wird über den Ionenaustausch-Mechanismus erreicht.

Salzbeeinflusste Böden

Diese Böden charakterisieren sich durch:

• Gehalt an löslichen Salzen.
• Austauschbarer Natrium-Prozentsatz (ESP).
• Natrium-Adsorptionsverhältnis (SAR).
• Gehalt an toxischen Elementen (Bor, Chlorid, Natrium etc.).

Salzgehalt ist eine der schwerwiegendsten Einschränkungen in trockenen und halbtrockenen Regionen. Verschiedene Kulturen haben unterschiedliche Toleranzen gegenüber Salzgehalt.

Auswirkungen und Ursprung der Salze

Auswirkungen: Schlechte Keimfähigkeit, beschränktes Pflanzenwachstum durch Wassermangel (osmotischer Stress) und Toxizität (Bor, Natrium, Chlorid).
Ursprung: Akkumulation durch Bewässerungswasser, salzreiches Ausgangsmaterial oder trockenes Klima mit begrenzter Auslaugung.
Effekte von Natrium (Na): Na kann das dominierende Ion in der Bodenlösung werden und unerwünschte chemische sowie ernährungsphysiologische Zustände induzieren.

Bodenökologie

Ein fruchtbarer Boden ist eine biologische Einheit, in der organische Prozesse stattfinden. Die organische Substanz ist eine Mischung aus:

1. Mikroorganismen, Kleintieren und Trümmern der Zersetzung.
2. Produkten verfallender Pflanzen und Tiere.
3. Biologisch oder chemisch synthetisierten Substanzen (Huminstoffe und Nicht-Huminstoffe).

Bedeutung der Bodenfauna und Mikroflora

Die Bodenfauna sorgt für die Mazeration und Mahlung von Pflanzenresten sowie deren Verteilung, was die Be- und Entwässerung fördert. Würmer verbessern durch ihre Grabtätigkeit ("Pflügen") die Bodenstruktur, Belüftung und Drainage.

Die Mikroflora (Bakterien, Pilze etc.) besetzt zwar weniger als 0,0001 % des Volumens, ist aber essenziell für:

• Zersetzung organischer Substanz.
• Humifizierung und Mineralisierung.
• Verbindung mit höheren Pflanzen.

Zusammensetzung von Huminstoffen

Die Mikroflora ist direkt für die Transformation organischer Stoffe verantwortlich. Elementare Zusammensetzung: Kohlenstoff (45–65 %), Sauerstoff (30–48 %), Stickstoff (2–6 %), Wasserstoff (ca. 5 %).

Einflussfaktoren und chemische Auswirkungen

Der Gehalt an organischer Substanz variiert je nach Klima, Vegetation, Topografie, Ausgangsmaterial, Bodenalter und Bewirtschaftung. Er erhöht die Kationenaustauschkapazität und die pH-Pufferung.

Assoziationen zwischen Mikroorganismen und Pflanzen

1. Rhizosphäre: Die Zone, die durch Wurzelausscheidungen beeinflusst wird (z. B. Bakterien der Gattung Azospirillum bei Gräsern).
2. Mykorrhiza: (mykos = Pilz, rhiza = Wurzel). Symbiosen zwischen Pilzen und Wurzeln (ektotrophe, endotrophe und ektoendotrophe Mykorrhiza), die vor allem die Phosphor-Ernährung verbessern.
3. Rhizobium-Leguminosen-Symbiose: Ermöglicht Stickstoffautarkie der Pflanze, liefert Stickstoff für Mischkulturen (z. B. Gräser und Leguminosen) und hinterlässt Stickstoff im Boden für die Fruchtfolge.