Bodenkunde 2.2 UI13 2. Semester (FS14)

m = V_m / V_tot

0.0005 / 0.001 = 0.5 

Eine Bodenprobe oder ein Bodenwürfel bestehen zu einem bestimmten Anteil aus Festsubstanz, Bodenwasser und Bodenluft. Die Anteile werden als Masse ausgedrückt, und auf das Masse der Bodenprobe oder des Bodenwürfels bezogen.

Masse der Phase / Masse der Matrix = gravimetrischer Phasenanteil

Mitte beachten: die Masse der Phase wird nicht auf die Gesamtmasse bezogen, sondern auf die Masse der Matrix. Die Gesamtmasse einer Bodenprobe hängt immer vom seinem momentanen Wassergehalt ab und ist deshalb für die Berechnung des Massenanteils einer Phase nicht geeignet. 

Die Lagerungsdichte p_a beschreibt das Verhältnis der Masse der Festphase M_m zum (gesamten) Bodenvolumen V_tot. M_m wird auch als Trockenmasse bezeichnet, da sie die Masse des Bodens ohne das Bodenwasser beschreibt. Der Index „a“ steht für „apparent density“, scheinbare Dichte. 

Masse der Phase / Volumen der Probe = Dichte 

p_a =M_m /V_tot

p_a = 1.3 / 0.001= 1300 kg/m3 = 1.3 g/cm3

Die reelle Dichte p_r beschreibt das Verhältnis der Masse der Festphase zum Volumen der Festphase (= Bodenvolumen minus Porenvolumen): 

Masse der Festphase / Volumen der Festphase (Bodenvolumen minus Porenvolumen) = reelle Dichte 

• Wasserspeicherung : gering
• Belüftung: gut
• Dränung: schnell
• Erwärmung in Frühjahr: schnell
• Nährstoffretention: gering
• Bearbeitbarkeit: leicht

• Wasserspeicherung: mittel
• Belüftung: mittel
• Dränung: langsam
• Erwärmung in Frühjahr: mittel
• Nährstoffretention: mittel
• Bearbeitbarkeit: leicht

• Wasserspeicherung: hoch
• Belüftung: gering
• Dränung: sehr langsam
• Erwärmung in Frühjahr: langsam
• Nährstoffretention: hoch
• Bearbeitbarkeit: schwierig

1.1 - 1.5 g/cm³

1.2 - 1.6 g/cm³

1.3 - 1.6

Für das Wurzelwachstum ist neben der Lagerungsdichte auch die Textur des Bodens wichtig. So ist bei gegebener Lagerungsdichte ein sandreicher Boden besser durchwurzelbar als ein Tonboden, d.h. der optimale Dichtebereich für das Pflanzenwachstum liegt bei einem Sandboden höher als bei einem Tonboden. Der Grund liegt bei den sehr feinen Poren zwischen den Tonteilchen. Der Tonboden hat zwar eine tiefere Lagerungsdichte, aber ein Teil der Poren zwischen den kleinen Tonteilchen sind so eng, dass sie für die Pflanzenwurzeln nicht zugänglich sind. 

Um Lagerungsdichtemessungen von Böden unterschiedlicher Textur vergleichbar zu machen, kann die Lagerungsdichte eines tonigen Bodens mit Hilfe seines Tongehalts korrigiert werden. Dieser lässt sich mit folgender Gleichung ausdrücken: 

Effektive Lagerungsdichte = p_a + 0.009 * Tongehalt (Massenanteil in %)

Die reelle Dichte darf nicht mit der Lagerungsdichte verwechselt werden. Die reelle Dichte beschreibt die Dichte der Bodenpartikel ohne den Porenraum und ist somit höher als die Lagerungsdichte. Wegen Unterschieden in der Porosität variieren die Lagerungs- dichten von Feldböden stark. Im Gegensatz dazu sind die Unterschiede der reellen Dichte von Bodenfestsubstanz sehr klein! Der Grund dafür ist, dass die mineralischen Bodenbestandteile in ihrer Dichte nur leicht variieren. In vielen Fällen kann die reelle Dichte von Bodenmaterial als konstanter Wert von 2600 kg/m3 angenommen werden. Wenn ein Boden viel organisches Material enthält hat er eine kleinere reelle Dichte. Die reelle Dichte von Bodenfestsubstanz variiert zwischen 2400 und 2700 kg/m3. 

Wenn die Bodenpartikel nicht zu Aggregaten zusammengeschlossen sind, sondern gleichmässige im Boden verteilt sind und der Porenraum durch die einzelnen, aneinander grenzenden Körner aufgespannt wird, handelt es sich um Primär- oder Elementargefüge. Die Poren werden entsprechend Primärporen genannt.

Wenn die Bodenpartikel jedoch Aggregate bilden, die unterei- nander stärker verbunden sind und durch grössere Hohlräume voneinander abgegrenzte Struktureinheiten bilden, handelt es sich um Sekundärgefüge oder Aggregatgefüge. Böden mit Aggregatgefüge haben sowohl Primärporen zwischen den Partikeln innerhalb der Aggregate, als auch die gröberen Sekundärporen zwischen den Aggregaten. Dies ist eine der ganz wichtigen positiven Eigenschaften, die für die Versor- gung der Bodenorganismen mit Wasser und Luft von grosser Bedeutung ist. 

Innerhalb des Wassers, das sich in einer Pore befindet, herrscht gegenüber der angrenzenden Luft ein Unterdruck. Um die Pore zu entwässern, muss gesaugt werden. Der Unterdruck im Bodenwasser wird entsprechend als Saugspannung bezeichnet! Die Saugspannung ist als Druckdifferenz zwischen Wasser und Luft definiert. Unter ungesättigten Bedingungen ist das Wasser im Boden gebunden und es muss Energie aufgewendet werden, um den Boden zu entwässern. Weil die Messwerte meistens negativ sind, wird oft nur noch vom Betrag der Saugspannung gesprochen und das Minuszeichen übergangen. 

Die im Boden herrschende Saugspannung wird über eine poröse Keramikkerze auf die Wassersäule im Innern eines Rohres übertragen und dort als Unterdruck registriert. Dieser Unterdruck kann anhand der Wassersäule in einem U-Rohr am anschaulichsten ge- zeigt werden. Bei Tensiometern werden handelsübliche Unterdruck-Manometer verwendet. Die gebräuchliche Einheit für die Saugspannung ist Centibar (cbar). 

10 cm Wassersäule (WS) =(ca) 10 hPa = 1cbar 

Wenn ein dünnes Glasröhrchen (Kapillare) am unteren Ende ins Wasser getaucht wird, dann steigt das Wasser im Röhrchen auf, bis es eine bestimmte Höhe erreicht. Der Grund dafür ist, dass es für das Wasser energetisch günstig ist, sich an die Glasoberfläche zu schmiegen, was in der Kapillare eine nach oben gerichtete Kraft auf das Wasser bewirkt. Je höher das Wasser in der Kapillare aufsteigt, desto grösser wird die nach unten gerichtete Gewichtskraft des Wassers. Sobald die beiden Kräfte gleich gross sind und sich somit aufheben, steigt das Wasser nicht mehr weiter auf.

Je dicker die Kapillare, desto grösser ist die Gewichtskraft des Wassers pro Steighöhe. Deshalb steigt das Wasser in dünneren Kapillaren höher hinauf als in dickeren 

Die kapillare Steighöhe lässt sich berechnen. Es gibt eine vereinfachte Beziehung zwischen der Steighöhe h und dem Kapillardurchmesser d:

h (cm) = 0.3 / d (cm) 

Die Feldkapazität (FK) entspricht der Saugspannung bei entwässerten Grobporen und wassergefüllten Mittel- und Feinporen. Dieser Zustand stellt sich bei einem zu- erst wassergesättigten Boden nach dem Abfliessen des Gravitationswassers ein (nach ca. 3 Tagen). Die Feldkapazität trennt das Gravitationswasser von Pflanzen- verfügbaren Wasser und ist ein Erfahrungswert, der nicht exakt physikalisch festge- legt wurde. Daher ist sie nicht überall gleich definiert. In der Schweiz wird die Feld- kapazität oft als -60 hPa (pF 1.8) definiert, es könnten aber bis zu 300 hPa (pF 2.5) sein. 

Der permanente Welkepunkt (pWP) beschreibt die Saugspannung, bei der die meis- ten Pflanzen dem Boden kein Wasser mehr entziehen können. Der pWP wurde bei pF = 4.2 ( -16 bar) festgelegt. Das im Boden verbleibende Kapillarwasser ist in den Feinporen stark gebunden. Es gibt allerdings Pflanzen, die dem Boden weiter Was- ser entziehen können, beispielsweise Wüstenpflanzen, die bis zu einer Saugspan- nung um 60 bar zur Wasseraufnahme fähig sind. 

Der maximale Wassergehalt, der sich einstellt, wenn die Saugspannung gegen null geht, entspricht der Porosität. Die Luftkapazität entspricht dem Gravitationswasser und dem Grobporenvolumen und ergibt sich aus dem Wasser, das bei Feldkapazität bereits aus der Probe ausgetreten ist. Wird nun die Saugspannung bis zum permanenten Welkepunkt erhöht, tritt als nächstes jenes Wasser aus der Probe, das in den mittleren Poren gespeichert war. Es wird auch als pflanzenverfügbares Wasser oder als nutzbare Feldkapazität bezeichnet. Es lässt sich aus der Differenz zwischen dem Wassergehalt bei Feldkapazität, und dem Wassergehalt am permanenten Welkepunkt berechnen. Das Wasser, das am permanenten Welkepunkt, bei einem Unterdruck von -16 bar, noch in der Probe ist, ist in den Feinporen des Bodens gebunden und entspricht dem Totwasser.

Von der Desorptionskurve kann also auf die Anteile unterschiedlich gut verfügbaren Wassers in einem Boden geschlossen werden, und damit auch auf vorherrschenden Porenklassen. Es unterscheiden sich die Desorptionkurven unterschiedlicher Bodenarten zum Teil sehr stark. Der Sandboden verliert schon vor Erreichen der Feldkapazität eine Menge Wasser, was auf einen hohen Anteil an Grobporen schliessen lässt. Im Gegensatz dazu enthält der Tonboden am permanenten Welkepunkt noch sehr viel Wasser, was einen grossen Anteil an Feinporen und damit viel Totwasser anzeigt. 

Das Grobporenvolumen eines Bodens wird auch als Luftkapazität bezeichnet, weil die Grobporen eines gut drainierten Bodens meistens luftgefüllt sind. Die Luftkapazität gilt als Mass für die potentielle Sauerstoffversorgung des Bodens, die sich auf die Atmungs- und Bodenentwicklungsprozesse auswirkt. Je grösser das Porenvolumen und die Luftkapazität, desto besser ist in der Regel die Durchlüftung eines Bodens. Je nach Bodenart und Aggregatstruktur können Böden sehr unterschiedliche Luftkapazitäten aufweisen. Liegt die Luftkapazität eines Bodens unter 10%, dann laufen alle Atmungsprozesse nur gehemmt ab. 

Die Bodenluft enthält grundsätzlich dieselben Komponenten wie die freie Atmosphäre. Bedingt durch chemische und biologische Bodenprozesse kommt es aber zu zeitlich variierenden Abweichungen. In der Bodenluft ist weniger O₂ und mehr CO₂ als in der Atmosphäre. Im Falle anaerober Bedingungen kommt es, neben einer zusätzlichen Er- höhung der CO₂-Konzentration, auch zur Bildung von Schwefelwasserstoff und Methan (CH₄). 

Als Bodenatmung wird die Summe verschiedener CO2-freisetzender Prozesse bezeichnet, die im Boden stattfinden. Beispiele für solche Prozesse sind ist die CO2-Freisetzung durch Wurzelatmung oder der Abbau von Wurzelrückständen und Exsudaten im Bereich der Rhizosphäre. Mit einem Anteil von bis zu 70 % sehr bedeutend ist die Stoffwechselaktivität (Atmung) der Mikroorganismen und der Mikrofauna. Ein geringer Anteil stammt aus der chemisch-physikalisch bedingten CO2-Freisetzung, z. B. durch Gesteinsverwitterung oder die Abgabe von im Bodenwasser gelöstem CO2.  

Die Bodenatmung kann relativ unproblematisch als CO2-Abgabe der Bodenoberfläche bestimmt werden. Die CO2-Exhalation von Bodenproben hoher Aktivität beträgt im Freiland etwa 100 bis 300 mg pro Stunde und m2. Die CO2-Abgabe über die Bodenoberfläche an die Atmosphäre gilt als wesentliche Quelle für die CO2-Assimilation bei der Photosynthese. 

Der Sauerstoff in der Bodenatmosphäre fördert das Wurzelwachstum und verbessert die Lebensbedingungen für aerobe Boden(mikro)organismen, was eine Steigerung der biologischen Bodenaktivität bewirkt. Dadurch wird auch der Abbau von organischem Material und organischen Schadstoffen (Mineralisierung) im Boden wesentlich beein- flusst. Das Vorhandensein von genügend O2 in der Bodenluft führt ausserdem zu einer Erhöhung des Redox-Potenzials. 

• Nasse Böden sind immer weich

• Trockener Ton ist sehr hart während trockener Sand zerrieselt

• Grund: im trockenen Ton ist noch Wasser in sehr feinen Poren sehr stark gebunden, im Sand gibt es keine Feinporen 

Sowohl die Wärmekapazität, als auch die Wärmeleitfähigkeit hängen stark von Wassergehalt eines Bodens ab. Ein nasser Boden braucht mehr Energie um sich aufzuwärmen, als ein trockener Boden. Tonböden haben einen hohen Anteil an Totwasser. Weil sie sich deshalb im Frühling langsamer erwärmen als andere Böden, werden sie oft auch als kalte Böden bezeichnet. Die Wärmeleitfähigkeit steigt ebenfalls mit dem Wassergehalt an. Ein trockener Boden leitet die Wärmeenergie weniger gut in grössere Tiefen als ein feuchter Boden. 

Die Bodentemperatur ist von Bedeutung für folgende Prozesse:

• die Materialeigenschaften der Bodenbestandsteile wie Oberflächenspannung, Viskosität und damit den Fliesswiderstand der Bodenlösung (Bei einer Temperaturerhöhung sinkt die Viskosität und damit der Fliesswiderstand des Wassers.)

• die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen, insbesondere der Bodenatmung. Bei einer Temperaturerhöhung laufen die meisten chemischen Reaktionen schneller ab. 

• den Stoffwechsel und Wachstumsprozesse von Organismen wie Keimung von Samen, Wachstum von Mikroorganismen (bei einer Temperaturerhöhung steigt die Zellteilungs- und Wachstumsrate, aber auch die Konkurrenz wird grösser.)

  Für jede Pflanze gibt es einen optimalen Bereich der Boden- und Lufttemperatur.