Chemische Bodeneigenschaften

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Austauschvorgänge

Eine der wichtigsten Eigenschaften des Bodens ist seine Fähigkeit, Ionen (z.B. Nährstoffe) festhalten (=sorbieren) und bei Bedarf abgeben zu können.

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, Magnesium (Mg⁺⁺), 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- (PO₄^3-), Sulfat- (SO₄^2-), Nitrat- (NO₃^-) und Chlorionen (Cl^-). Die beiden letztgenannten werden nur sehr schwach gebunden und daher leicht ausgewaschen. Das gilt im abgeschwächtem 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.

pH-Wert, Versauerung, 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) g H⁺-Ionen in 1 l Bodenlösung.

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 10kg H⁺-Ionen/ha und Jahr. Zu deren Neutralisation werden 500kg 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 10kg 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.
• Säureeinträge aus der Atmosphäre (Saurer Regen). Der Anteil des sauren Regens am Gesamtsäureeintrag wird häufig überschätzt. Er macht in landwirtschaftlich genutzten Böden meist weniger als 10%, in forstlich genutzten Böden allerdings bis zu 60 % aus.

Der Säuregrad eines Bodens hat für Bodenentwicklung, Bodeneigenschaften und Pflanzenwachstum vielfache Bedeutung. Mit dem Absinken der pH-Werte ursprünglich basenreicher Böden beginnen die Tonwanderung und der Strukturzerfall. Die biologische Aktivität geht zurück. Phosphorsäure wird festgelegt. Bei stärkeren Säuregraden (pH unter 5,0) treten in Mineralböden freie Al³⁺-Ionen und Schwermetalle auf, die auf das Wachstum der Kulturpflanzen mehr oder weniger giftig wirken. Der Bereich 7,4 bis 6,5 wird in der Praxis als Neutralbereich bezeichnet. Der pH-Wert des Bodens kann durch Kalkgaben auf die gewünschte Höhe eingestellt werden. Der anzustrebene pH-Bereich wird für sandige und stark humose Böden tiefer angesetzt als für tonreiche Böden, da sie weniger kalkbedürftig sind und durch starke Kalkgaben Spurenelementmangel und erhöhter Humusabbau eintreten.

Pufferung

Die Pufferung eines Bodens ist seine Widerstandsfähigkeit gegen pH-Wert Änderungen bei Zufuhr von H⁺ oder OH^--Ionen. Diese Widerstandsfähigkeit ist deshalb von Bedeutung, weil Pflanzen und Bodenorganismen auf plötzliche Änderungen des Säuregrades sehr empfindlich reagieren. Die Pufferungskapazität eines Bodens wird in erster Linie von der Kationenaustauschkapazität und von der Basensättigung eines Bodens bestimmt. Eine plötzliche Zufuhr von H⁺-Ionen in der Bodenlösung wird dadurch neutralisiert, dass diese gegen basische Kationen des Sorptionskomplexes ausgetauscht werden. Umgekehrt wird eine plötzliche Zufuhr von OH^--Ionen durch die Abgabe von H⁺-Ionen an die Bodenlösung im Austausch gegen basische Kationen neutralisiert. Der pH-Wert ändert sich also erst, wenn die Pufferkapazität erschöpft ist. Wegen der viel höheren Menge sorbierter H⁺-Ionen braucht ein Boden hoher Austauschkapazität (Tonboden) zur Anhebung des pH-Wertes viel größere Kalkmengen als ein sorptionsschwacher Sandboden. Kalkhaltige Böden haben ein sehr großes Pufferungsvermögen gegenüber Säuren.

Siehe auch

• Bodenuntersuchung
• Boden-pH
• Pufferbereich (Bodenkunde)
• Hauptnährstoff
• Mikronährstoff
• Bodenversalzung