Bodenchemie ist eine Spezialdisziplin an der Schnittstelle von Chemie und Bodenkunde, die den stofflichen Aufbau, die Verteilung, die Stabilität und die Kreisläufe von chemischen Elementen und Verbindungen in Böden (unter Berücksichtigung des Kontaktes mit Wasser sowie der Erdatmosphäre) thematisiert. Berücksichtigt wird, dass sich unter gewissen Voraussetzungen Mikroorganismen in Böden entwickeln, dass in Böden organische Bodensubstanz vorhanden sein kann und dass Böden Teil einer umfassenderen Biosphäre sind. Der Themenfokus der Bodenchemie liegt auf den chemischen Eigenheiten unterschiedlicher Böden, welche in der Natur angetroffen werden, und auf deren Verhalten unter den diversen Einflüssen ihrer Umwelt, inklusive der menschlichen Eingriffe in diese. Es sind insbesondere Phänomene der physikalischen Chemie, die in Böden eine erhebliche Rolle spielen. Sämtliche bekannten, in Böden vorkommenden chemischen und mineralogischen Verbindungen sowie Reaktionen und bodenbildenden Prozesse sind Teil des Themenspektrums.
Grundbegriffe der Bodenchemie
Bodenstruktur Die Bodenstruktur thematisiert, wie einzelne Bodenpartikel entstehen, wie sie zusammengruppiert werden, um Cluster von Partikeln zu bilden, die als Gemenge oder Aggregate bezeichnet werden.
Mineralien Die mineralischen Bestandteile des Bodens stammen aus den Ausgangsgesteinen oder dem Regolith. Die Mineralien machen etwa 90 % des Gesamtgewichts des Bodens aus. Einige wichtige Elemente, die im zusammengesetzten Zustand vorkommen, sind O, Fe, Si, Al, N, P, K, Ca, Mg, C, H usw. Die Bildung von primären und sekundären Mineralien definiert genauer, welche Mineralien im Gesteinsgefüge enthalten sind.
Bodenporen Die Wechselwirkungen der Mikroporen und Makroporen des Bodens sind wichtig für die Bodenchemie, da sie die Bereitstellung von Wasser und gasförmigen Elementen für den Boden und die umgebende Atmosphäre ermöglichen. Makroporen hilft beim Transport von Molekülen und Substanzen in und aus den Mikroporen. Mikroporöses Material ist in den Aggregaten selbst enthalten.
Bodenwasser Wasser ist für Organismen im Bodenprofil unerlässlich und füllt die Makroporen in einem idealen Boden teilweise auf. Auslaugung des Bodens tritt auf, wenn Wasser Ionen mit sich trägt, die tiefer in die unteren Bodenhorizonte eindringen, wodurch der Boden in anderen Bodenhorizonten stärker oxidiert wird. In Böden wird das Wasser üblicherweise von Orten mit einem höheren hydraulischen Potenzial zu Orten mit einem niedrigeren fließen; dies kann zu Kapillaraktivität im Boden führen, welche seitens der Adhäsion des Wassers mit der Poren-durchsetzten Bodenoberfläche, seitens gravitativer Kräfteeinflüsse sowie seitens Kohäsion maßgeblich beeinflusst wird. Durch intermolekulare Kräfte besteht Kohäsion zwischen den Wassermolekülen – gemeint sind hier die sogenannten „Wasserstoffbrückenbindungen“; ihr Einfluss ist in diesem Zusammenhang gegeben.
Luft/Atmosphäre Die Atmosphäre enthält drei Hauptgase, nämlich Sauerstoff, Kohlendioxid und Stickstoff. In der Atmosphäre beträgt Sauerstoff 20 %, Stickstoff 79 % und CO2 0,15 bis 0,65 Vol.-%. CO2 steigt mit zunehmender Bodentiefe aufgrund der Zersetzung angesammelter organischer Stoffe und der Fülle von Pflanzenwurzeln. Das Vorhandensein von Sauerstoff im Boden ist wichtig, da er beim Abbau unlöslicher Gesteinsmasse in lösliche Mineralien und organische Humifizierung hilft. Luft im Boden besteht aus Bodengasen, die in der Atmosphäre vorhanden sind, aber nicht in denselben Anteilen. Diese Gase erleichtern chemische Reaktionen in Mikroorganismen. Die Ansammlung löslicher Nährstoffe im Boden macht ihn produktiver. Wenn der Boden sauerstoffarm ist, wird die mikrobielle Aktivität verlangsamt oder eliminiert. Wichtige Faktoren, die die Bodenatmosphäre steuern, sind Temperatur, Luftdruck, Wind/Belüftung und Niederschläge.
Bodenbeschaffenheit mini|Dreieck der Bodentextur Die Bodentextur beeinflusst die Bodenchemie im Hinblick auf die Fähigkeit des Bodens, seine Struktur aufrechtzuerhalten, auf die Einschränkung des Wasserflusses und auf den Inhalt der Partikel im Boden. Die Bodentextur berücksichtigt alle Partikeltypen; und ein Bodentexturdreieck ist ein Diagramm, das verwendet werden kann, um die Prozentsätze jeder Partikelart zu berechnen, die sich insgesamt zu 100 % für das Bodenprofil summieren. Diese Bodenseparatoren unterscheiden sich nicht nur in ihrer Größe, sondern auch in ihrem Einfluss auf einige der wichtigen Faktoren, die das Pflanzenwachstum beeinflussen, wie Bodenbelüftung, Arbeitsfähigkeit, Bewegung und Verfügbarkeit von Wasser und Nährstoffen.
Sand Die Größe der Sandpartikel variiert (ca. 0,05 mm bis 2 mm). Sand ist die gröbste der Partikelgruppen unter dem, was man noch als „Partikel“ gelten lässt. Sand hat die größten Poren und Bodenpartikel der Partikelgruppen. Es entleert sich auch am leichtesten. Diese Partikel werden stärker an chemischen Reaktionen beteiligt, wenn sie mit Ton beschichtet werden.
Schluff Schluffpartikel haben eine unterschiedliche Größe (etwa 0,002 mm bis 0,5 mm). Schluffporen gelten im Vergleich zu den anderen Partikelgruppen als mittelgroß. Schluff hat eine Texturkonsistenz von Mehl. Schluffpartikel lassen Wasser und Luft leicht passieren, halten aber die Feuchtigkeit für das Pflanzenwachstum zurück. Schluffiger Boden enthält ausreichende Mengen an organischen und anorganischen Nährstoffen.
Ton Ton hat Partikel mit der kleinsten Größe (etwa < 0,002 mm) der Partikelgruppen. Ton hat auch die kleinsten Poren, die ihm eine größere Porosität verleihen, und er entwässert nicht gut. Ton hat eine klebrige Textur, wenn er nass ist. Einige Arten können wachsen und sich auflösen oder mit anderen Worten schrumpfen und anschwellen.
Lehm Lehm ist eine Kombination aus Sand, Schluff und Ton. Ersterer kann basierend auf den Primärpartikeln in der Bodenzusammensetzung charakterisiert werden, etwa als „sandiger Lehm“, „toniger Lehm“, „schluffiger Lehm“ usw.
Biota Als Organismen tragen Biota zusammen mit organischem Material dazu bei, das biologische System des Bodens zu bilden.
Bodenorganismen Detritivoren Zersetzer Protozoen
Organische Bodensubstanz Organische Bodensubstanz ist ein zusammenfassender Begriff für die organische Substanz im Boden. Sie besteht aus: lebender organischer Substanz (Biomasse) und toter organischer Substanz (Humus und Detritus). In Mineralböden besteht die organische Substanz durchschnittlich zu 85 % aus Humus, zu etwa 10 % aus Pflanzenwurzeln und zu ungefähr 5 % aus Edaphon (Bodenflora und Bodenfauna)Herbert Kuntze, Günter Roeschmann, Georg Schwerdtfeger: Bodenkunde. (= UTB; 8076) 5., neu bearb. und erw. Aufl., Eugen Ulmer Verl., Stuttgart 1994, ISBN 3-8252-8076-4, S. 100.. Der Humus kann wiederum in Huminstoffe und Nicht-Huminstoffe, sogenannte Streustoffe, eingeteilt werden.
Umfassendere Konzepte und Themen der Bodenchemie Im Folgenden seien noch eine Reihe von umfassenderen Konzepten und Themen der Bodenchemie aufgezählt, von denen einige in den untenstehenden Abschnitten thematisiert werden: Anionen- und Kationenaustauschkapazität, Boden-pH, Mineralbildungs- und -umwandlungsprozesse und Pedogenese, Tonminerale, Sorptions- und Niederschlagsreaktionen im Boden, Chemie von Problemböden, C/N-Verhältnis, Erosion und Bodendegradation.
Ein Blick auf ausgewählte Basisthemen der Bodenchemie: Prozesse und Bodeneigenschaften
Physikochemische Prozesse in Böden: Austauschvorgänge und dergleichen Eine der wichtigsten Eigenschaften des Bodens ist seine Fähigkeit, Ionen (z. B. Nährstoffe) festhalten (=sorbieren) und bei Bedarf abgeben zu können.[Johann Dörfler, Heinrich Hüffmeier (Red.):] Pflanzliche Erzeugung: Grundlagen des Acker- und Pflanzenbaus – Grundlagen des integrierten Landbaus – Produktionstechnik der Kulturpflanzen – Dauergrünland – Nachwachsende Rohstoffe – Ökologischer Landbau – Naturschutz, Landschaftspflege. (= Die Landwirtschaft; 1) 11., völlig neubearb. und erw. Aufl., BLV Verlagsgesellschaft, München 1998, ISBN 3-405-15445-6, Kap. 7.1 „Austauschvorgänge“: S. 48.
Die Nährstoffanlagerung findet an den Oberflächen der mineralischen und organischen Bodenteilchen (Sorptionskomplex) statt, hauptsächlich an den Kolloiden (Tonminerale, Huminstoffe).
Ionenaustausch Die Nährstoffabgabe erfolgt durch einen Austausch von Ionen, z. B. 1 Calciumion (Ca2+) gegen 2 Ionen Wasserstoff (H+). Durch Nährstoffentzug und Auswaschung vermindert sich nicht die Menge der im Boden gebundenen Ionen, aber ihr Verhältnis zueinander. Die Gesamtmenge an Ionen, die ein Boden austauschbar gebunden enthält, nennt man seine Austauschkapazität (AK). Man meint damit seine Austauschkapazität für Kationen (KAK), die den weit überwiegenden Teil der austauschbaren Ionen ausmacht. Die wichtigsten austauschbaren Kationen sind Calcium (Ca2+), Magnesium (Mg2+), Kalium (K+) und Natrium (Na+). Mit zunehmender Bodenversauerung treten an ihre Stelle Wasserstoff und Aluminium (Al3+). Für den Stickstoffhaushalt der Böden ist es wichtig, dass auch das Ammonium-ion (NH4+) sorbiert und damit vor Auswaschung geschützt wird. Die Austauschkapazität für Anionen (AAK) ist sehr viel geringer als die für Kationen. Für die Pflanzenernährung wichtige austauschbare Anionen sind die Phosphat- (PO43−), Sulfat- (SO42−), Nitrat- (NO3−) und Chloridionen (Cl−). Die beiden letztgenannten werden nur sehr schwach gebunden und daher leicht ausgewaschen. Das gilt im abgeschwächten Maß auch für das Sulfation.
Basensättigung Die Kationen Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium werden als basische Kationen (Basen) bezeichnet. Ihren prozentualen Anteil an der Austauschkapazität bezeichnet man als Basensättigung. Von Böden mit hoher Basensättigung spricht man, wenn der Anteil basischer Kationen mehr als 70 %, von geringer, wenn er weniger als 30 % beträgt. Werden dem Boden von außen Ionen zugeführt (z. B. durch Säuren oder Düngesalze), so wird ein Teil der sorbierten Ionen ausgetauscht.
Eigenschaften von Böden hinsichtlich ihres pH-Werts, etwaiger Versauerung und Pufferung pH-Wert Der pH-Wert ist ein Maß für den Säuregrad (Azidität) eines Bodens oder die Bodenreaktion. Böden des humiden Klimabereiches weisen pH-Werte im Bereich von 3,0 (sehr stark sauer) bis etwa 7,5 (schwach alkalisch) auf. Die pH-Zahlen sind die vereinfachte Schreibweise für die Menge an freien Wasserstoffionen in einem Liter Wasser. Mit jeder pH-Stufe nimmt die Konzentration an Wasserstoffionen um den Faktor 10 ab. Bei pH 3 befinden sich 10−3 (0,001) mol H+-Ionen in 1 l Bodenlösung.[Johann Dörfler, Heinrich Hüffmeier (Red.):] Pflanzliche Erzeugung: Grundlagen des Acker- und Pflanzenbaus – Grundlagen des integrierten Landbaus – Produktionstechnik der Kulturpflanzen – Dauergrünland – Nachwachsende Rohstoffe – Ökologischer Landbau – Naturschutz, Landschaftspflege. (= Die Landwirtschaft; 1) 11., völlig neubearb. und erw. Aufl., BLV Verlagsgesellschaft, München 1998, ISBN 3-405-15445-6, Kap. 7.2 „pH-Wert, Versauerung, Pufferung“: S. 48–50.
Versauerung Abnehmende pH-Zahlen kennzeichnen eine Zunahme der Wasserstoff-Ionenkonzentration, die man als Bodenversauerung bezeichnet. Ursachen der Versauerung sind:
Die H+-Ionenproduktion als Folge der Atmung (CO2-Ausscheidung) von Wurzeln und Mikroorganismen. Durch die Bodenatmung entstehen auf landwirtschaftlich genutzten Flächen etwa 10 kg H+-Ionen/ha und Jahr. Zu deren Neutralisation werden 500 kg Calciumcarbonat/ha benötigt. Das Entstehen organischer Säuren bei der Humifizierung (Bildung von Huminsäuren), aber auch bei behindertem Abbau organischer Masse infolge Luftmangels (Bildung von Milchsäure, Buttersäure u. a.). Durch schlecht eingepflügtes Rübenblatt können z. B. bis zu 10 kg H+-Ionen/ha freigesetzt werden. Die Umsetzung von physiologisch sauren Düngemitteln, z. B. Ammoniumsulfat. 100 kg Stickstoff, als Ammonium-Stickstoff gedüngt, können bis zu 7 kg H+-Ionen/ha freisetzen. Die äquivalente Kalkmenge beträgt 350 kg Calciumcarbonat.