Pedosphäre Bodenbildung: Faktoren und Prozesse

biologische Aktivität führt zu einem Krümelgefüge
Quellung und Schrumpfung führt zu einem Polyeder- und Subpolyedergefüge

Dadurch entstehen wichtige ökologische Eigenschaften des Bodens:Grobporen bilden Lebensraum für Organismen, Durchlüftung, Schnelle Infiltration von Wasser

Tonverlagerung = Lessivierung

Abwärtsverlagerung der Tonfraktion in kolloidalem Zustand (in Wasser dispergierte Partikel) dadurch verarmt derAl-Horizont an Ton und darunter wird der Bt Unterbodenhorizont mit Ton angereichert

==>Wasserleitfähigkeit sinkt durch Einlagerung von Ton in grossen Poren (Bildung von Tonhäutchen)

a)Dispergierung der Partikel im Oberboden -->starke Niederschläge, geringe Aggregatsstabilität, niedrige Konzentration von mehrwertigen Kationen(Ca²⁺, Al³⁺), pH 5-7
b)Transport von Partikeln mit dem Sickerwasser -->Verlagerung vo Feinton (Tonminerale, Fe-, Al-, Si-Oxiden, gebundene Huminstoffe) durch rasche Versickerung von Wasser
c)Ablagerung von Partikel im Unterboden (Bt-Horizont) -->Grund: steigende Ca²⁺-Konzentration, sinkende Fliessgeschwindigkeit

• obere Horizonte verarmen an Ton und Eisenoxiden, vorallem Al-Horizont
• untere Horizonte werden mit Ton und Eisenoxiden angereichert -->Im Bt-Horizont bilden sich Tonhäutchen an Porenwänden
• Einlagerungsverdichtung des Unterbodens-->Wasserleitfähigkeit sinkt-->Staunässe-->Pseudogley

(L)-Ah-Al-Bt-Cv -->Mull ((L)-Ah); A-Horizont lessiviert (Al); B-Horizont tonverlagert (Bt); C-Horizont verwittert (Cv)

BSP: Parabraunerde

Abwärtsverlagerung von gelösten organischen Substanzen zusammen mit komplexiertem Al und Fe und deren Anreicherung im Unterboden.

Für eine Podsolierung muss ein/eine

1.Auswaschung von gelösten org. Säuren stattfinden --> Voraussetzung: niedriger pH, gehemmter Abbau (kühles Klima), als Humusform Moder oder Rohhumus
2.Transport von Stoffen mit  Sickerwasser --> Voraussetzung: humides Klima, ungehemmte Versickerung (sandige Böden)
3.Bleichung im (Ae), Ausfällung im Bh & Bs --> Voraussetzungsandige Textur, niedriger pH, Fe- & Al-Sättigung (Ausflockung), Fe & Al werden noch etwas weiter transportiert (bis rötlich-braunen Bs-Horizont)

Horizonte: Bh = Humifizerte B-Horizont (eintrag von organischen Säuren), Bs = HOrizont mit starch rot brauner färbig, da eintrag von feoxiden, Ae = säuregebleichter, an fe und mn durch podsolierung verarmter Oberboden)

L-Of-Oh-Ah-Ae-Bh-Bs-C

L-Of-Ah -->Moder, L-Of-Oh-Ah --> Rohhumus
Ae -->gebleichter saurer A-Horizont
Bh --> mit org. Substanz angereicherter schwärzlich gefärbter B-Horizont
Bs --> Ausgefälltes Fe und Al bildet rötlich-braunen B-Horizont
C-Horizont --> sandiges Ausgangsmaterial

Bsp: Podsol

Im wasser gelösters Karbonat (sekundäres Karbonat) wir in bestimmten Bodenhorizonten angereichert.

1. Wasserentzug z.B. durhc Pflanzen oder Verdunstung führt zu einer Kozentrationserhörhung und dadruch zu Ausfällung.

2. Verringern des CO2 Partialdruckes in der Bodenluft: dadurch wir die Léslichkeit von CaCO3 verringert und es kommt zu einer Ausfällung

Bildung von Kalkreichen Horizonten mit stabiler Bodenstruktur.

Extremfall: Verhärtung der Kalkanreicherungen --> wurzelbarriere

Durch verdunstung kommt es zu einer anreicherung von leicht wasserlslichen Salzen.

Vorallem: NaCl, Na2SO4, Na2CO3

1. Tagwasserversalzung: Salzzufuhr durch Niederschläge --> nur in aridem Klima
2. Grundwasserversalzung: Salzzufuhr über Grundwasser --> nur in Küstennähe
3. antrophogene Versalzung: Salzzufuhr durch Bewässerung oder Streusalz

In nassen Böden mit mangelnder Belüftung werden Fe- und Mn-Hydroxide durch Reduktion von Fe(III) zu Fe(II) und Mn(III)/Mn(IV) zu Mn(II) aufgelöst und durch Diffusion und Massenfluss abgeführt (Bleichung). Die Reduktion erfolgt meist durch metallreduzierende Bakterien, welche Fe(III) oder Mn(IV) als Elektronenakzeptor in der Atmung verwenden können. An Stellen mit höherem O₂-Partialdruck werden Fe(II) und Mn(II) wieder oxidiert und fallen als Hydroxide wieder aus
==>schwarze Mn-Hydroxid-Konkretionen; Fe-Hydroxid-Rostfleckung = hydromorphe oder redoximorphe Merkmale

--> Vergleyung und Pseudovergleyung

Charakteristische Farbmuster im Boden, die man als Hydromorphe ode redoximophre Merkmale bezeichnet --> Lassen auf Staunässe oder Grundwasservernässung schliessen. Kann aber auch irreführen.

1. ständig nasser Unterboden (Gr-Horizont)
2.Fe und Mn werden reduziert
3.Diffusion oder kapilarer Aufstieg der Mn(II)- und Fe(II)-Ionen in darüberligenden zeitweise oxidierten Horizont Go
4.Oxidation und Ausfällung der Mn-/Fe-Oxiden in der Nähe von luftgefüllten Grobporen
==>Rostfleckung und Konkretionen

Wichtig: Gley stehen ständig unter Grundwasser Einfluss

1.Dichter Unterboden mitgeringer Wasserleitfähigkeit (Sd-Horizont)
2.Regenperiode: Grobporen des darüberligenden Sw-horizontes füllen sich
3.Wasser und gelöste org. Substanzen infiltrieren den Boden
4.Fe und Mn werden an Porenwänden und Aggregatoberflächen reduziert und diffundieren in das Innere der Aggregate, wo noch Restsauerstoff vorhanden ist
5.Oxidation und Ausfällung von Fe und Mn

==>Rostfleckung und Mn-Konkretionen im Innern der Aggregate

Gley: Ah - Go - Gr <-- Go: Oxidierter Gleyhorizont, Gr: reduzierter Gleyhorizont

Pseudogley: Ah - Sw - Sd - C <-- Sw: wasserleitend, Sd,: wasserstauend

-Definition:bodenbildende Prozesse, bei denen Bodenmaterial eines oder mehrerer horizonte vermischt wird
- Folgen von Turbation:

• Vermischung von Oberbodenmaterial und org. Substanz mit dem Unterboden
• Entgegenwirkung der Auswaschung von Nährstoffen und der Versauerung des Bodens
• Entgegenwirkung von stark abgegrenzten Bodenhorizonten
• Schafft Poren und Bildung eines Aggregatgefüges -->Grosser Einfluss auf Wasser- und Lufthaushalt von Böden

11a.Bioturbation: Durchmischung des Bodens durch wühlende Bodentiere. Besonders intensiv in feinkörnigen Böden mit guten Wasser-, luft-, Temperatur- und Nährstoffverhältnissen für Bodentiere
-->Krümelgefüge, Gänge und Röhren entstehen

11b.Kryoturbation: in Böden, die regelmässig gefrieren, kommt es zur Bildung von Eislinsen und Eislamellen -->Bodenlagen werden angehoben. Beim Auftauen kommt es zur sackung und vermischung des Bodenmaterials.
besonnders ausgeprägte Kryoturbation im periglazialem Klimaraum

11c.Peloturbation: Mischung von Bodenmaterial durch einen Wechsel von Schrumpfen bei Austrocknung (+hineifallendes lockeres Bodenmaterial) und Quellen bei Befeuchtung
-->Bedeutend bei tonreichen Böden mit quellfähigen Tonmineralen (Smektite) in warmen, wechselfeuchten Klimaten ==>Polyederaggregate mit scharfen Kanten und glatten Flächen

1. Verwitterung: Physikalische und chemische Verwitterung,Verbraunung/ Verlehmung
2. Umwandlung: Humusbildung, Gefügebildung
3. Verlagerung: Entcarbonatisierung, Tonverlagerung, Podsolierung
4. Anreicherung: Carbonatisierung und Salzanreicherung
5. Redoximorphose: Vergleyung, Pseudovergleyung
6. Turbation: Bioturbation, Kryoturbation, Peloturbation (Wasserturbation)

• Prozesse: Druckentlastung (Tektonik), Temperatursprengung, Frostsprengung (Eisbildung), Salzsprengung, Hydration, Abrasion (bei Transport), Wurzelsprengung
• Auswirkungen auf Bodeneigenschaften: Vergrösserung der spezifischen Oberfläche, Beschleunigung der chemischen Verwitterung, Vergrösserung des Porenraums, Zunahme der Wasserspeicherfähigkeit
• entstehende Bodentypen: Syrosem, Ranker, Schuttfächer in Alpen,
• begünstigt folgende Bodenfaktoren: Frost und Temperaturschwankungen

•  Prozesse:

1. Hydratation und Auflösung: leicht lösliche Salze (NaCl, KCl, MgCl₂) und Gips relativ schnell aufgelöst und mit dem Sickerwasser ausgewaschen.
   Versalzung von Böden in ariden und semiariden Klimazonen.
   Entscheidend ist die Wasserlöslichkeit der Minerale und die Abfuhr der Löslichkeitsprodukte
2. Hydrolyse und Protolyse
   Hydrolyse: Bestandteile von Mineralen reagieren chemisch mit den H⁺ oder OH^- Ionen des dissoziierten Wassers.
   Protolyse: Verwitterungsreaktion unter der Beteiligung von Protonen (H⁺)
   in humiden Klimazonen, da saurer Boden --> je saurer der Boden desto schneller die Verwitterung
   Protolyse von Carbonaten: Kalkauflösung durch Kohlensäure (CO₂ aus Atmosphäre & Regenwasser -->spaltet H⁺ und HCO₃^- ab) ==> CaCO₃ + H⁺ -->Ca²⁺ + HCO₃^- ==> Säurepufferungsprozess
   Protolyse von Silikaten: kalkfreier Boden mit sauren Bedingungen
   Verwitterung von K-Feldspat zu Kaolinit und Kieselsäure:
   2KAlSi₃O_{8 (K-Feldspat)} + 2H⁺ +9H₂O --> 2K⁺ + Al₂Si₂O₅(OH)_{4 (Kaolinit) +} 4H₄SiO₄(aq) (ausgewaschen)
   Verwitterung von Glimmern zu Vermiculit: : Protonen -->Herauslösen von K⁺ aus den Zwischenschichten von Glimmern und führen zu einer Reduktion der negativen strukturellen Ladung im Kristallgitter. Ränder und Zwishenschichten weiten sich auf --> Vermiculit mit austauschbaren hydratisierten Kationen

4.Humusbildung: totes organisches Material wird durch Tiere und Mikroorganismen abgebaut und teilweise in Huminstoffe umgewandelt -->Akkumulation von Humus, bis sich ein Gleichgewicht zwischen Biomasseproduktion und Abbau einstellt
==>Je stärker die Abbauprozesse gehemmt sind, desto mehr organische Substanz reichert sich im Boden mit der Zeit an.
5.Gefügebildung: 
biologische Aktivität-->Krümelgefüge
Quellung und Schrumpfung-->Polyeder- und Subpolyedergefüge
==>wichtig für ökologische Eigenschaften des Bodens:Grobporen bilden Lebensraum für Organismen, Durchlüftung, Schnelle Infiltration von Wasser

• Folgende Eigenschaften der Minerale bestimmen die Verwitterbarkeit:

1. Wasserlöslichkeit (z.B. leicht lösliche Salze>Gibs>Calcit>Dolomit)
2. Struktur (z.B. die Verwitterbarkeit der Silikate nimmt ab in Richtung Insel>Ketten>Band>Schicht>Gerüstsilikate
3. Oxidierbarkeit (z.B. verwittern Fe(II)-reiche Biotite schneller als Fe(II)-arme Muskovite, Fe(II) zu Fe(III) oxidiert und die Kristallstruktur dabei destabilisiert wird)

Verwitterbarkeit von Gesteinen und Mineralen:

Basische Gesteine: höheren Anteil an leicht verwitterbaren Mineralien (Olivine, Amphibole, Pyroxene, Biotite) als saure Gesteine (mehr Quarz und Muskovit) -->verwittern chemisch schneller

Dolomit: viel schwerer löslich als Calcit --> langsamere Bodenbildung, flachgründige Böden

• begünstigt durch folgende Bodenfaktoren: humides Klima, Boden ph < 7

3.Verbraunung und Verlehmung: Braunfärbung des Bodens als Folge der chemischen Verwitterung silikatischer Bestandteile; Freisetzung von Fe(III)-Oxiden und -Hydroxiden. Verbindung mit Verlehmung: sekundäre Tonminerale entstehen durch die chemische Verwitterung von primären Silikaten aus Sand- und Schlufffraktion
==> Diese laufen verstärkt nach diener Entcarbonatisierung und damit verbundenen Versauerung ab.

3.Oxidation: Die Oxidation von Fe(II) zu Fe(III), Mn(II) zu Mn(III) oder Mn(IV), S(-II) zu S(VI) kann zur Destabilisierung und Verwitterung solcher Minerale führen.
oxidative Verwitterung von Pyrit: Pyrit entsteht unter anoxischen Bedingungen. Wenn pyrithaltige Materialien unter oxische Bedingungen gebracht werden, verwittern sie unter Oxidation von Fe und S.
4FeS₂ (Pyrit) + 10H₂O + 15O₂ --> 4FeOOH (Goethit) + 8H₂SO₄
==> Problematik: extrem saure Sickerwässer und Schwermetallbelastung
oxidative Verwitterung von Fayalit (Olivin, Inselsilikat):
2Fe₂SiO₄ (Fayalit) + O₂ + 6H₂O --> 4FeOOH (Goethit) + 2H₄SiO₄ (Kieselsäure gelöst)
==>gelblich-braun bis rötlich-braune Farbe durch Oxidation von Fe(II) zu Fe(III); Fe(III) wird frei und als Fe-Hydroxid ausgefällt

4.Komplexierung: niedermolekulare organische Säuren von Pilzen, Bakterien und Pflanzenwurzeln lösen Minerale durch Komplexierung von Al, Fe, Mn durch die organischen Liganden.
==>beschleunigen die Mineralverwitterung und die Bodenbildung

5.Neubildung von sekundären Mineralien

6.Tonverlagerung (Lessivierung): Abwärtsverlagerung der Tonfraktion in kolloidalem Zustand (in Wasser dispergierte Partikel) -->Al-Horizont an Ton verarmt, darunter ein Bt Unterbodenhorizont mit Ton angereichert
==>Wasserleitfähigkeit sinkt durch Einlagerung von Ton in grossen Poren
- Teilschritte der Tonverlagerung:
a)Dispergierung der Partikel im Oberboden -->starke Niederschläge, geringe Aggregatsstabilität, niedrige Konzentration von mehrwertigen Kationen(Ca²⁺, Al³⁺), pH 5-7
b)Transport von Partikeln mit dem Sickerwasser -->Verlagerung vo Feinton (Tonminerale, Fe-, Al-, Si-Oxiden, gebundene Huminstoffe) durch rasche Versickerung von Wasser
c)Ablagerung von Partikel im Unterboden (Bt-Horizont) -->Grund: steigende Ca²⁺-Konzentration, sinkende Fliessgeschwindigkeit

- Folgen der Tonverlagerung:

• obere Horizonte verarmen an Ton und Eisenoxiden -->Al-Horizont
• untere Horizonte werden mit Ton und Eisenoxiden angereichert -->Bt-Horizont und Tonhäutchen an Porenwänden
• Einlagerungsverdichtung des Unterbodens-->Wasserleitfähigkeit sinkt-->Staunässe-->Pseudogley

typische Horizontabfolge: (L)-Ah-Al-Bt-Cv -->Mull ((L)-Ah); A-Horizont lessiviert (Al); B-Horizont tonverlagert (Bt); C-Horizont verwittert (Cv)

Podsolierung:Abwärtsverlagerung von gelösten organischen Substanzen zusammen mit komplexiertem Al und Fe und deren Anreicherung im Unterboden
- Voraussetzungen:
1.Auswaschung von gelösten org. Säuren -->niedriger pH, gehemmter Abbau (kühles Klima), Humusform Moder oder Rohhumus
2.Transport von Sickerwasser-->humides Klima, ungehemmte Versickerung (sandige Böden)
3.Bleichung im Ae, Ausfällung im Bh & Bs-->sandige Textur, niedriger pH, Fe- & Al-Sättigung (Ausflockung), Fe & Al werden noch etwas weiter transportiert (bis rötlich-braunen Bs-Horizont)
- typische Horizontabfolge Podsol: L-Of-Oh-Ah-Ae-Bh-Bs-C
L-Of-Oh-Ah -->Moder
Ae -->gebleichter saurer A-Horizont
Bh --> mit org. Substanz angereicherter schwärzlich gefärbter B-Horizont
Bs --> Ausgefälltes Fe und Al bildet rötlich-braunen B-Horizont
C-Horizont --> sandiges Ausgangsmaterial

REDOXIMORPHOSEPROZESSE:
- Voraussetzungen: In nassen Böden mit mangelnder Belüftung werden Fe- und Mn-Hydroxide durch Reduktion von Fe(III) zu Fe(II) und Mn(III)/Mn(IV) zu Mn(II) aufgelöst und durch Diffusion und Massenfluss abgeführt (Bleichung). Die Reduktion erfolgt meist durch metallreduzierende Bakterien, welche Fe(III) oder Mn(IV) als Elektronenakzeptor in der Atmung verwenden können. An Stellen mit höherem O₂-Partialdruck werden Fe(II) und Mn(II) wieder oxidiert und fallen als Hydroxide wieder aus
==>schwarze Mn-Hydroxid-Konkretionen; Fe-Hydroxid-Rostfleckung = hydromorphe oder redoximorphe Merkmale

10a.Vergleyung: Böden mit Grundwasservernässung: Ah-Go-Gr
- Voraussetzungen:
1. ständig nasser Unterboden (Gr-Horizont)
2.Fe und Mn werden reduziert
3.Diffusion oder kapilarer Aufstieg der Mn(II)- und Fe(II)-Ionen in darüberligenden zeitweise oxidierten Horizont Go
4.Oxidation und Ausfällung der Mn-/Fe-Oxiden in der Nähe von luftgefüllten Grobporen
==>Rostfleckung und Konkretionen

10b.Pseudovergleyung: Böden mit Stauwasservernässung
- Voraussetzungen:
1.Dichter Unterboden mitgeringer Wasserleitfähigkeit (Sd-Horizont)
2.Regenperiode: Grobporen des darüberligenden Sw-horizontes füllen sich
3.Wasser und gelöste org. Substanzen infiltrieren den Boden
4.Fe und Mn werden an Porenwänden und Aggregatoberflächen reduziert und diffundieren in das Innere der Aggregate, wo noch Restsauerstoff vorhanden ist
5.Oxidation und Ausfällung von Fe und Mn
==>Rostfleckung und Mn-Konkretionen im Innern der Aggregate
- typische Horizontabfolge: Ah-Sw (Stauwasser wasserleitend)-Sd (Stauwasser dicht) -C
 

TURBATIONSPROZESSE
-Definition:bodenbildende Prozesse, bei denen Bodenmaterial eines oder mehrerer horizonte vermischt wird
- Folgen von Turbation:

• Vermischung von Oberbodenmaterial und org. Substanz mit dem Unterboden
• Entgegenwirkung der Auswaschung von Nährstoffen und der Versauerung des Bodens
• Entgegenwirkung von stark abgegrenzten Bodenhorizonten
• Schafft Poren und Bildung eines Aggregatgefüges -->Grosser Einfluss auf Wasser- und Lufthaushalt von Böden

11a.Bioturbation: Durchmischung des Bodens durch wühlende Bodentiere. Besonders intensiv in feinkörnigen Böden mit guten Wasser-, luft-, Temperatur- und Nährstoffverhältnissen für Bodentiere
-->Krümelgefüge, Gänge und Röhren entstehen

11b.Kryoturbation: in Böden, die regelmässig gefrieren, kommt es zur Bildung von Eislinsen und Eislamellen -->Bodenlagen werden angehoben. Beim Auftauen kommt es zur sackung und vermischung des Bodenmaterials.
besonnders ausgeprägte Kryoturbation im periglazialem Klimaraum

11c.Peloturbation: Mischung von Bodenmaterial durch einen Wechsel von Schrumpfen bei Austrocknung (+hineifallendes lockeres Bodenmaterial) und Quellen bei Befeuchtung
-->Bedeutend bei tonreichen Böden mit quellfähigen Tonmineralen (Smektite) in warmen, wechselfeuchten Klimaten ==>Polyederaggregate mit scharfen Kanten und glatten Flächen

Bodenbildung

Druckentlastung (Tektonik), Temperatursprengung, Frostsprengung (Eisbildung), Salzsprengung, Hydration, Abrasion (bei Transport), Wurzelsprengung

Vergrösserung der spezifischen Oberfläche --> Beschleunigung der chemischen Verwitterung,
Vergrösserung des Porenraums --> Zunahme der Wasserspeicherfähigkeit

Vorallem Primäre Böden: Syrosem, Ranker, Schuttfächer in Alpen,

Frost und Temperaturschwankungen

• Hydratation und Auflösung
• Hydrolyse und Protolyse
• Oxidation
• Komplexbildig

leicht lösliche Salze (NaCl, KCl, MgCl₂) und Gips werde relativ schnell aufgelöst und mit dem Sickerwasser ausgewaschen.
Versalzung von Böden in ariden und semiariden Klimazonen.
Entscheidend ist die Wasserlöslichkeit der Minerale und die Abfuhr der Löslichkeitsprodukte

Hydrolyse: Bestandteile von Mineralen reagieren chemisch mit den H⁺ oder OH^- Ionen des dissoziierten Wassers.
Protolyse: Verwitterungsreaktion unter der Beteiligung von Protonen (H⁺).
Vorallem in humiden Klimazonen ablaufend, da dort saurer Boden --> je saurer der Boden desto schneller die Verwitterung
 

Protolyse von Carbonaten: Kalkauflösung durch Kohlensäure (CO₂ aus Atmosphäre & Regenwasser -->spaltet H⁺ und HCO₃^- ab) ==> CaCO₃ + H⁺ -->Ca²⁺ + HCO₃^- ==> Säurepufferungsprozess
Protolyse von Silikaten: kalkfreier Boden mit sauren Bedingungen
Verwitterung von K-Feldspat zu Kaolinit und Kieselsäure:
2KAlSi₃O_{8 (K-Feldspat)} + 2H⁺ +9H₂O --> 2K⁺ + Al₂Si₂O₅(OH)_{4 (Kaolinit) +} 4H₄SiO₄(aq) (ausgewaschen)
Verwitterung von Glimmern zu Vermiculit: : Protonen -->Herauslösen von K⁺ aus den Zwischenschichten von Glimmern und führen zu einer Reduktion der negativen strukturellen Ladung im Kristallgitter. Ränder und Zwishenschichten weiten sich auf --> Vermiculit mit austauschbaren hydratisierten Kationen

= oxidative Mineralisierung

Die Oxidation von Fe(II) zu Fe(III), Mn(II) zu Mn(III) oder Mn(IV), S(-II) zu S(VI) kann zur Destabilisierung und Verwitterung solcher Minerale führen.