Die Bodenschicht ist meist sehr dünn, aber immens wichtig für die Pflanzenwelt. Nur wenige Pflanzenarten sind fähig, direkt aus einer Sand- oder Kiesfläche herauszuwachsen, bzw. bei Felsgestein ist es sogar nahezu unmöglich. Nur dank des Bodens können sich die Pflanzen optimal mit Wasser und Nährstoffe vorsorgen und sich stabil im Untergrund verankern.
Den Boden (oder einfach das «Erdreich») als solches zu beschreiben ist schwierig, handelt es sich doch um ein Mischgefüge aus totem und lebendigem biologischem Material, mineralischen Partikeln, Wasser und Luft. Er ist quasi die Schnittmenge, wo die Biosphäre, Geologie und die Atmosphäre aufeinandertreffen. Viele verschiedene Prozesse zusammen formen und verändern den Boden.
der Boden ist ein Mélange aus mineralischen Partikeln, biologischem Material, Wasser und Luft
(Quelle: ©toomler - stock.adobe.com)
Die Eigenschaften des Bodens haben letztlich auch einen Einfluss, was für Pflanzen am betreffenden Standort vorkommen. So bevorzugt z.B. der Wiesen-Salbei «kalkhaltige» Böden. Dies bedeutet jedoch nicht, dass direkt unter dem Boden fester Kalkstein vorkommen muss. Dass dabei «kalkhaltig» mit «basisch » gleichgesetzt werden kann, hat wiederum mit den chemischen Prozessen im Boden zu tun. Die Grosse Brennnessel braucht «stickstoffreiche» Standorte, wobei dies auch mit «nährstoffreich» gleichgesetzt werden kann, doch warum das? Eine andere Frage ist, warum sich denn auf Sandböden oder in Nadelwälder ein eher saurer und nährstoffarmer Boden bildet?
Der Wiesen-Salbei (links) braucht ein trocken-kalkreicher Boden. Bei der grossen Brennessel und Giersch (rechts) muss dieser jedoch nährstoffreich sein.
Quellen: Sukkoria - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=79276197 (links) und Lendskaip - Own work, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=123079047 (rechts)
Wie Boden entsteht, was ihn formt und welche Bodentypen es gibt, zeige ich dir in diesem Artikel. Dadurch kriegt du ein tieferes Verständnis der ökologischen Zusammenhänge und kennst danach die diversen Begriffe aus der Literatur (z.B. «Braunerde», «stickstoffreich», «Mull», etc.).
Inhaltsverzeichnis
Entstehung von Boden
Die Bodenbildung besteht aus dem Zusammenwirken mehrerer beteiligter bodenbildender Prozesse. Es sind dies u.a.
Gesteinsverwitterung: Die Bodenbildung beginnt mit der Freilegung von nacktem Gestein (Kalkstein, Kristallingestein, etc.) oder Sediment (Kies, Sand, Lehm,..) an der Erdoberfläche. Man spricht dabei auch vom Muttergestein. Dessen oberflächlichen Bereiche sind der Verwitterung ausgesetzt und zersetzten sich über die Zeit. Dies einerseits durch die Einwirkung von Temperaturänderungen (dabei entstehen Spannungen) und je nach Region durch Frost (in den Klüften Volumenzunahme beim Gefrieren des Wassers), wodurch sich der Gesteinsverband zunehmend auflockert und in kleinere Teile zerfällt (physikalische Verwitterung). Anderseits finden auch zahlreiche chemische Prozesse statt (chemische Verwitterung), v.a. als Folge des stets leicht sauren Regenwassers. Denn durch das CO2 in der Atmosphäre, welches auch in den Wolken-/Regentropfen gelöst ist, entsteht Kohlensäure. Dieses macht den Regen stets leicht sauer, mit einem pH-Wert von ca. 5.6. Menschliche Verschmutzungen können den Regen übrigens noch saurerer machen, mit pH-Werten von 4 bis 5, man spricht dann vom «sauren Regen». Die leichte Säure führt dabei, je nach Gesteinstyp, zur Auflösung oder Umwandlung der darin enthaltenen Minerale.
Den Prozess der physikalischen Verwitterung (wo Fels in Bruchstücke zusammenfällt) sieht man im Hochgebirge sehr anschaulich
Bei den silikatischen Mineralen (meist in kristallinem Gestein, wie z.B. Granit, Basalt, Gneis, Serpentinit, etc., aber auch Sandsteinen, Sandpartikeln, etc.) findet eine Umwandlung in sogenannte «Tonminerale» statt (man spricht dabei von der «Hydrolyse»). Wie es der Name bereits sagt, bilden diese Tonminerale auf den Oberflächen einen zunehmend lehmigen Rückstand, bzw. nach langer Zeit entsteht aus dem zerbröselten Gesteinsverband zunehmend ein lehmiges Gefüge.
Die beteiligten chemischen Reaktionen lösen Kationen, d.h. positiv geladene Metalle (Kationen, wie Eisen, Kalium, Calcium, Magnesium, etc.) aus dem Mineralgerüst heraus, die sich danach im Wasser lösen und mit diesem entweder oberflächlich abgeführt werden oder ins Erdreich versickern. Je feuchter die Gesteinsoberfläche und je saurer das Regen-, bzw. Bodenwasser, desto schneller laufen diese Prozesse ab. Es gibt Minerale, die schneller und solche die langsamer verwittern. So verwittern die Olivine sehr rasch, bzw. Quarz nur sehr langsam: Je höher der Siliziumgehalt des entsprechenden Minerals, desto stabiler ist das Kristallgerüst.
Die Tonminerale bilden dabei sogenannte Tonpartikel (<0.002 mm). Diese sind mikroskopisch klein. Durch die Gesteinsverwitterung bilden sich aus dem Muttergestein aber auch auch grössere Partikel (Sedimente). Diese werden eingeteilt in Kies (>2mm), Sand (0.063 bis 2mm, Partikel von Auge erkennbar) oder Silt (0.0002 bis 0.063 mmm). Handelt es sich beim Muttergestein bereits um ein Sediment, dann wird auch dieses in zunehmend kleinere Partikel zersetzt (aus Kies entsteht Sand, Silt und Ton)
Merke:
Ion: geladenes Atom oder Molekül
Kation: positiv geladenes Atom oder Molekül (z.B. H-, NO3-)
Anion: negativ geladenes Atom oder Molekül (z.B. Ca2+, Fe3+)
Bei den Karbonaten (Kalk, Dolomit, etc.), verursacht der leicht saure Regen eine Auflösung des Gesteins. Im Falle von Kalk (der aus Kalzit-Minerale, d.h. CaCO3 besteht), entsteht dabei ein Calcium-Kation (Ca2+) und ein Hydrogencarbonat-Anion (HCO3-). Diese lösen sich anschliessend im Wasser auf und werden mit ihm abgeführt (oberflächlich oder ins Erdreich). Gesteine aus Gips oder Steinsalz lösen sich rasch im Wasser auf und werden so durch den Regen sehr rasch (z.T. komplett) aus dem Untergrund herausgelöst.
durch Kalkauflösung mittels Regenwasser entstandene Rinnen (Schratten)
Nebst der Hydrolyse und Kalkauflösung, gibt es bei der chemischen Verwitterung noch weitere chemische Prozesse wie z.B. die Oxidation von Eisen: Im Kristallgerüst der silikatischen Minerale liegt das Eisen vor allem als zweifach geladenes Fe2+ vor. Eisenreiche Minerale sind z.B. Olivin oder Pyroxen. Bei der chemischen Verwitterung wird das Fe2+ in das 3-wertig geladene Fe3+ umgewandelt (es wird ihm ein Elektron weggenommen, d.h. "Oxidiert") und fällt als Eisenhydroxid («Rost») aus (zumindest in unseren Breiten), wodurch die Böden ihre typische braune Farbe bekommen (man spricht auch von der «Verbraunung»). In heisseren Klimata bilden sich bei der Eisenoxidation übrigens vor allem Eisenoxide (wie Hämatit), die den Böden eine eher rote Farbe verleihen.
Durch Oxidation des im Gestein vorhandenen Eisens geht die Farbe zunehmend ins braune.
Akkumulation von organischer Substanz: Auf den Flächen in den Alpen, die gerade durch die schmelzenden Gletscher freigelegt wurden oder auch auf nicht genutzten Ruderalflächen kann dies gut beobachtet werden: Die Flächen werden rasch von Pionierpflanzen besiedelt. Diese legen den Grundstein für die Bildung organischer Substanz, die meist 1-20% des Gewichtes von Böden ausmacht.
Pioniervegetation im Vorfeld des abschmelzenden Morteratsch-Gletschers
Tote Pflanzen oder abgestorbene Teile davon (z.B. Blätter), werden «Streu» genannt. Dieser wird durch diverse Organismen (auch Destruenten genannt) zersetzt. Das Ganze ist eine komplexe Abfolge. Sie beginnt meist mit dem Verzehr grösserer und gut verdaulicher Streupartikel durch Schnecken oder Regenwürmer. Diese wiederum stossen Kot aus und sterben irgendwann. An der Zersetzung des Tierkotes, den toten Tieren, sowie des unverdaulichen oder sonst durch die Tiere verschmähten Streus, sind zunehmend kleinere Tiere und diverse Pilze und Bakterien beteiligt. Dabei entsteht mit der Zeit aus der organischen Substanz zunehmend wieder anorganisches Material unter Freisetzung von CO2, Wasser und den in den Organsimen eingebauten Nährstoffen.
Regenwürmer gehören zu den wichtigen Destruenten. Durch ihre Wühltätigkeit sorgen sie ausserdem eine Durchmischung und Durchlüftung des Bodens.
Quelle: s shepherd schizoform on flickr - originally posted to Flickr as 20060131 earthworm dives, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9918048
Je höher der Zucker- und Proteingehalt im Streu, desto rascher läuft die Zersetzung. Streu mit niedrigem Zucker- und/oder Proteingehalt sind z.B. die holzigen Pflanzenteile oder auch die Nadeln der Nadelbäume. Bei diesem kommt ausserdem noch die harte Struktur dazu: Holz und Nadeln werden deshalb besonders langsam zersetzt. Gehemmt wird der Abbau ausserdem bei einen niedrigen pH-Wert im Boden, Sauerstoffmangel (z.B. wenn Bodenschicht wassergesättigt > Organismen brauchen zur Energiegewinnung Sauerstoff), einem sauren Milieu, Kälte (je kälter, desto langsamer Aktivität von Tieren und Mikroorganismen) und Trockenheit. Je langsamer der Abbau, desto mehr organisches Material (meist Zwischenprodukte der Zersetzung) wird akkumuliert.
Nadelstreu ist nur langsam abbaubar
(Quelle: ©Сергей Рамильцев - stock.adobe.com)
Eine wichtige Zwischenstufe im Abbau zu anorganischem Material stellt die Bildung von Huminstoffen durch Mikroorganismen dar. Dabei handelt es sich um grosse, hochkomplex aufgebaute Moleküle. Die Huminstoffe werden nicht sofort abgebaut, womit sich über die Zeit ein Teil im Boden anreichert. Die Gesamtheit dieses fein zersetze organische Material wird «Humus» genannt. Der Humus führt zur dunklen Färbung des Bodes
Beispiel eines Hochmolekularen Huminstoffes
Quelle: Yikrazuul - Eigenes Werk, Gemeinfrei, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7050066
Hat sich erstmal Humus gebildet, wird das dort enthaltene Wasser im Vergleich zum frischen Regenwasser saurer. Dies einerseits durch die Atmung der Mikroorganismen, die CO2 freisetzen (> Reaktion mit Wasser zu Kohlensäure), andererseits durch Säuren, die von den Pflanzen ausgeschieden werden. Dies beschleunigt wiederum die chemische Verwitterung.
Es bildet sich mit der Zeit ein Boden, d.h. Gefüge aus Humus, den Produkten der Gesteinsverwitterung (Ton-, Silt- Sand-Partikel), aber auch lebendigen und toten Organismen, sowie durch Gas und Wasser gefüllte Poren (Porengehalt zwischen 40-60%).
Schematischer Bodenaufbau
Quelle: bearbeitet aus Joanna Kośmider - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=19797266
Adsorbtion von Mineralstoffen: Tonminerale (die durch chemische Verwitterung von silikatischen Mineralen entstehen) haben eine schichtförmige Struktur. Die harten Gerüste aus Silizium, Aluminium und Sauerstoff sind bei vielen Tonmineral-Arten negativ geladen. Diese Ladung wird durch positiv geladene Kationen, die sich lose zwischen den Gerüsten und an den äusseren Oberflächen befinden ausgeglichen. Dadurch können nun die aus der Gesteinsverwitterung herausgelösten Kationen im Boden gespeichert werden (statt vom Regen ausgewaschen zu werden). Dies ist sehr wichtig und zwar weil diese Kationen von den Pflanzen als Nährstoffe gebraucht werden.
Beispiel von einer Kristallstruktur eines Tonminerals. Die negative Ladung am Rand der Mineralgerüste muss durch die positiv geladenen Kationen ausgeglichen werden.
Quelle: Andreas Trepte - Own work , with data from Römpp's Chemistry Lexicon in 1998, CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=682083
Im Ursprungsgestein sind diese «Mineralstoffe» im harten Mineralverband gebunden und so für die Wurzeln der Pflanzen unerreichbar. Erst die chemische Verwitterung führt dazu, dass sie als im Wasser gelöste Kationen «pflanzenverfügbar» werden. Im lockeren Verband an der Oberfläche der Tonminerale können sie ausserdem «pflanzenverfügbar» gespeichert werden, denn ansonsten würde sie rasch mit dem Regen ausgewaschen werden.
Auch Huminstoffe sind durch ihre negativ geladene Oberfläche imstande, Kationen in pflanzenverfügbarer Form zu speichern.
Wasserspeicherung: Nebst den Mineralstoffen, brauchen die Pflanzen aber auch Wasser und auch hier helfen die Tonminerale und Huminstoffe. Letztere können auch das Wasser gut speichern und so verhindern, dass es einfach in den tieferen Untergrund abfliesst. Das entgegen der Schwerkraft im Boden gehaltene Wasser wird «Haftwasser» genannt. Niederschlag führt zur Zufuhr von Wasser. Eine Abnahme des Wassergehaltes im Boden geschieht durch Verdunstung, Aufnahme durch Pflanzen und Versickerung in den Untergrund. Je feiner die Sedimentpartikel im Boden, desto besser kann das Wasser «gehalten» werden. Am besten sind dabei die Tonminerale, während Sand (und somit sandreichen Boden) das Wasser rasch an die Schwerkraft oder Verdunstung verliert. Wird ein bestimmter Wassergehalt unterschritten (Ton bei 30%, Silt bei 10%, Sand bei 2%), dann können die Pflanzen das noch enthaltene Wasser nicht mehr aufnehmen (wird auch «Totwasser» genannt).
Beim Haftwasser sind die Poren nicht vollständig mit Wasser gefüllt, d.h. es ist auch noch Luft darin vorhanden. Sind die Poren komplett wassergefüllt, dann spricht man von Grundwasser. Wasser kann auch einfach durch eine darunterliegende wasserundurchlässige Schicht gestaut werden («Stauwasser»).
Quelle: Steffen Voß - Eigene Darstellung, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=31083811
Bodenhorizonte
Im Boden bilden sich je nach Bodentyp und den ablaufenden Prozessen Horizonte aus.
Die verschiedenen Bodenhorizonte
Quelle: Tomáš Kebert & umimeto.org - Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=101870773
Organische Auflagehorizonte (O): Sterben oberirdische Pflanzenteile (verwelkende Kräuter, abfallende Blätter, tote Äste, etc.) ab, fallen diese erstmal auf der Erdoberfläche. Wenn deren Abbau gehemmt ist, bzw. diese nicht mit dem darunter liegenden, verwitterten mineralischen Untergrund vermischt werden, häuft sich mit der Zeit an der Oberfläche eine Schicht aus organischer Substanz an. Dabei unterscheidet man folgenden Horizonte (von oben nach unten):
Streuhorizont (L-Horizont): besteht aus «frischer» toter Biomasse (z.B. Laubblätter am Waldboden).
Fermentierungshorizont (Of-Horizont): besteht aus teils zersetztem Streu, Tierkot und wenig Humus. Der Horizont ist stark von Pilzhyphen durchsetzt und weisst dadurch einen modrigen Geruch auf.
Humifizierungshorizont (Oh-Horizont): die Biomasse ist so weit zersetzt, dass kaum noch Gewebeteile vorhanden sind. Stattdessen besteht der Horizont v.a. aus Huminstoffen
Die Bildung eines organischen Horizontes wird verhindert, wenn der Streu leicht abbaubar ist und die Aktivität von Wühltieren (wie Regenwürmer) hoch ist. Letztere mischen nämlich das organische Material mit dem darunterliegenden Schichten.
Mineralboden: Wie erwähnt führt die Aktivität der Bodenfauna zu einer Vermischung des toten organische Materials von oben, mit den mineralischen Partikeln aus dem verwitterten Gestein. Bei dieser «Vermischungsschicht» spricht man vom Mineralboden. Dabei unterscheidet man zwischen Ober- und Unterboden.i nra schn aus dem Boden herausgeführt wird. Die hohe Aktivität der Regenwürmer und anderer Tiere führt ausserdem zu einer guten Vermischung der rasch aus dem Boden herausgeführt wird. Die hohe Aktivität der Regenwürmer und anderer Tiere führt ausserdem zu einer guten Vermischung der organischen Auflage mit den darunterliegenden Mineralpartikeln. Das Resultat ist ein mächtiger Oberboden (>8cm) mit einem zeitweisen (z.B. im Herbst nach dem Laubabfall) geringmächtigen Streuhorizont (L). Typisch ist auch ein krümeliges Gefüge des Bodens («Krümelgefüge»). Die einzelnen rundlichen Krümel sind verkittete Aggregate aus Humus und Gesteinspartikel. Mull bildet sich vor allem auf Wiesen (da krautige Pflanzen gut abbaubar sind) und in Laubwäldern. Er ist generell nährstoffreich und der pH-Wert liegt irgendwo zwischen basisch bis leicht sauer. er. r.
Oberboden (A-Horizont): Dabei handelt es sich um die oberste, humusreiche Schicht, die stark belebt und durchwurzelt ist. Der Horizont meist so ca. 10-30cm mächtig.
Unterboden (B-Horizont): Es ist die weniger humusreiche und weniger belebte/durchwurzelte Schicht darunter. Der Horizont entsteht durch Eintrag von Humus, Tonmineralen und Oxiden aus dem Oberboden (siehe Kapitel «sekundäre Bodenbildung»).
Mineralischer Horizont (C-Horizont): Dabei handelt es sich um den geologischen Untergrund. Das Gestein ist dabei meist noch verwittert. Intaktes Gestein wird meist nicht mehr zum Boden gezählt.
Humusformen
Je nach Zusammensetzung des Auflagehorizontes und des Oberbodens werden die folgenden drei Humusformen unterschieden:
Mull: Wenn die tote organische Substanz gut abbaubar ist, reichert sich davon auch nur wenig an. Ausserdem ist dann auch die Aktivität der bodenwühlenden Tiere, wie z.B. Regenwürmer höher. Diese bilden dadurch viele Grobporen, was zu einer guten Durchlüftung des Bodens führt. Dieses wiederum führt dazu, dass einerseits gut frischer Sauerstoff für die Energiegewinnung der Destruenten in den Boden gelangt, andererseits, dass das ausgeatmete CO2 rasch aus dem Boden herausgeführt wird. Die hohe Aktivität der Regenwürmer und anderer Tiere führt ausserdem zu einer guten Vermischung der organischen Auflage mit den darunterliegenden Mineralpartikeln. Das Resultat ist ein mächtiger Oberboden (>8cm) mit einem zeitweisen (z.B. im Herbst nach dem Laubabfall) geringmächtigen Streuhorizont (L). Typisch ist auch ein krümeliges Gefüge des Bodens («Krümelgefüge»). Die einzelnen rundlichen Krümel sind verkittete Aggregate aus Humus und Gesteinspartikel. Mull bildet sich vor allem auf Wiesen (da krautige Pflanzen gut abbaubar sind) und Laubwälder. Er ist generell nährstoffreich und der pH-Wert liegt irgendwo zwischen basisch bis leicht sauer.
Moder: Ist der Abbau der der toten organischen Substanz etwas gehemmt, z.B. durch ein kühl-feuchtes Klima, schwer abbaubarem Streu (z.B. Holz, Nadeln, etc.) und einer geringen Aktivität der Bodenfauna, entsteht über dem Oberboden ein organischer Auflagehorizont. Der mehrjährige Fermentierungshorizont (Of) mit seinen Pilzhyphen führt dabei zu einem modrigen Geruch. Der Humifizierungshorizont (Oh) und der Oberboden (<8cm) sind nur geringmächtig. Moder entsteht v.a. Laub- und Mischwäldern. Er ist mässig nährstoffarm und sauer.
Rohhumus: Dieser bildet sich bei stark gehemmtem Abbau aufgrund eines sauren Milieus und schwer abbaubarem Streu. Dies ist in Nadelwäldern oft der Fall ist. Die Auflagehorizonte, insbesondere der Humifizierungshorzont (Oh), werden dabei besonders mächtig. Das organische Material mischt sich dabei nur sehr gering mit den darunterliegenden Gesteinspartikel und auch das geschieht nicht durch wühlende Tiere, sondern durch das Regenwasser.
Nährstoffgehalt des Bodens
Pflanzen können dank der Photosynthese ihren "Treibstoff" selber herstellen. So entsteht aus CO2 und Wasser (H2O) mit Hilfe des Sonnenlichtes Zucker (bzw. Glukose, d.h. C6H12O6) und (als Abfallprodukt) Sauerstoff. Zucker besteht demnach aus Wasserstoff-, Sauerstoff- und Kohlenstoffatomen. Für die Herstellung weiterer Moleküle, welche die Pflanzen sonst noch benötigen (u.a. Zellulose), kann Grossteil auf die Zuckerverbindungen zurückgegriffen werden. Viele Moleküle (z.B. Proteine) enthalten jedoch noch weitere Atome (wie z.B. Stickstoff) und diese muss die Pflanzen vom Boden aufnehmen.
Stoffe, welche die Pflanze aufnehmen muss, um seine Funktionen und das Wachstum zu bewerkstelligen, werden essentielle Nährstoffe genannt. Dabei unterscheidet man die Makronährstoffe (Stickstoff, Kalium, Calizum, Magnesium, Phosphor, Schwefel), die in grossen Mengen benötigt werden. und die Mikro-Nährelemente (Eisen, Mangan, Zink, Kupfer, Nickel, Chlor, Bor und Molybdän), wo bereits kleinere Mengen genügen.
Damit die Pflanze die Nährstoffe aufnehmen kann, müssen diese im Boden in «pflanzenverfügbarer Form» vorliegen. Mineralstoffe, die im Kristallgitter der Minerale oder in lebendiger/toter Biomasse gebunden ist, sind für die Pflanzen nicht verfügbar. Sehr gut verfügbar sind jedoch im Bodenwasser gelöste Anionen (z.B. Nitrat NO3-) oder Kationen (z.B. Ca2+), wobei dessen Menge sehr begrenzt ist. Viele der positiv geladenen Nährstoffe (Kationen) findet man an der Oberfläche von Tonmineralen und Huminstoffen gespeichert. Von dort aus wird gelangen immer wieder frische Nährstoffe in die Bodenlösung. Für Nährstoffe, die als Anionen vorliegen (meist handelt es sich dabei um Oxide, wie z.B. Stickstoff als Nitrat NO3-, Phosphor als Phosphat PO43- oder Schwefel als Sulfat SO42-), gibt es nur wenige (entsprechend positiv geladene) Mineraloberflächen, an denen sie gespeichert werden können. Doch aus sie können in gewisser Weise an Tonminerale andocken.
Damit der Boden nicht an Nährstoffen verarmt, müssen diese ständig nachgeliefert werden. Dies geschieht einerseits durch den Abbau von totem organischem Material («Recycling»), andererseits auch durch die chemische Verwitterung des Gesteins. Nicht im Gestein vorhanden ist der Stickstoff, welcher erst noch der wichtigste Nährstoff darstellt!
Stickstoff: Der wichtigste Nährstoff stellt der Stickstoff dar, denn dieser ist ein wichtiger Bestandteil der Proteine und wird somit auch in grossen Mengen für den Aufbau der Biomasse benötigt. Dies macht den Stickstoff zum limitierenden Element im Boden, von dessen Menge es abhängt, wie stark die Pflanzen wachsen kann. Deshalb werden die zwei Begriffe «nährstoffreich» und «stickstoffreich» gerne als Synonyme genutzt. Ausserdem: Da das Gestein keinen Stickstoff enthält, gelangt durch dessen chemische Verwitterung auch kein Stickstoff in den Boden.
Man könnte jetzt argumentieren, dass doch auf unserer Welt genug Stickstoff vorhanden ist, schliesslich hat dieser in der Atmosphäre einen Gehalt von 78%. Dieser liegt dort aber als N2 vor und damit können die Pflanze nichts anfangen. Dies u.a. weil dies sehr energieintensiv wäre, diese zwei Stickstoffatome zu spalten (ist eine sehr starke chemische Bindung). Der Stickstoff muss stattdessen als Nitrat (NO3-) oder Ammonium (NH4+) vorliegen, damit ihn die Pflanzen aufnehmen können. In diese Formen gelangt der Stickstoff auf folgenden Wegen in den Boden:
durch den Abbau bestehender abgestorbener Biomasse und Exkrementen. Dadurch entsteht Ammoniak (NH3), welcher im Boden zu Ammonium (NH4+) umgebaut wird. Bakterien wandeln diesen danach in zwei Schritten zu Nitrat (NO3-) um.
Biologische Stockstoff-Fixierung: Es gibt gewisse Bakterien, die den Stickstoff aus der Luft (N2) unter Bildung von Ammonium (NH4+) aufspalten können. Dabei bilden sie oft eine Symbiose mit gewissen Pflanzenarten und werden dann Knöllchenbakterien genannt. Die meisten von gehören zur Familie der Hülsenfrüchtler (Fabaceae), aber auch Arten anderer Familien (wie z.B. Erlen) sind dazu in der Lage. Während diese Pflanzen so ihre Stickstoffaufnahme boostern, nimmt auch mit der Zeit der Stickstoffgehalt im Boden zu. Dies indem das Laub abgeworfen wird oder Pflanzenteile absterben und anschliessenden dieses organische Material zersetzt wird (mehr dazu im Artikel «Wurzeln der Wildpflanzen»)
Atmosphärischer Eintrag: Mit dem Regen werden Stickoxide (NOx), die in der Luft vorhanden sind, ausgewaschen und gelangen so in die Böden. Stickoxide entstehen in der Luft durch Blitzeinschläge oder werden von Vulkanen ausgestossen. Heutzutage entsteht jedoch ein Vielfaches davon in den Verbrennungsmotoren.
Landwirtschaftliche Düngung: Chemisch hergestellte Stickstoffverbindungen werden über die Böden verstreut.
Bei Nitrat gibt es übrigens ein entscheidendes Problem: Seine Bindung an Tonminerale oder Huminstoffen ist nur schwach und somit wird es rasch durch das Sickerwasser ins Grundwasser oder Oberflächengewässer ausgewaschen. Im Boden gespeicherter Stickstoff liegt aber auch noch in Form von Ammonium (NH4+) vor. Dieses ist zwar auch gut wasserlöslich ist, kann aber durch die positive Ladung an die Oberflächen der Tonminerale gebunden werden.
saure vs. basische Böden
Bei den ökologischen Standortfaktoren von Pflanzenarten (siehe Artikel «Pflanzenstandorte wo wächst welche Pflanze?») ist u.a. der pH-Wert des Bodens eine wichtige Eigenschaft, ob eine entsprechende Pflanze am Standort vorkommt oder nicht. Doch was macht genau Böden basisch oder sauer, bzw. was hat das mit Kalk zu tun?
Grundsätzlich tendieren Böden im Verlaufe ihrer Entwicklung zur Versauerung. Denn durch die Atmung der Bodenlebewesen entsteht CO2, welches wiederum mit dem Wasser zu Kohlensäure reagiert. Hinzu kommt, dass Pflanzen mit ihren Wurzeln Säuren ausscheiden (aus diversen Gründen). Der menschlich bedingte saure Regen verstärkt den Prozess. Auch in Nadelwäldern ist die Versauerung des Bodens beschleunigt.
Kalkreiche = Basischer Böden: Solange Kalk im Boden vorkommt, wird die Versauerung verhindert. Denn durch die ständige Kalk-Auflösung werden die Säuren neutralisiert. Kalk ist dabei also ein Puffer, der den pH im neutralen bis leicht basischen Bereich, mit pH-Wert von ca. 7.2-8.2 hält. Ist aber der gesamte Kalkanteil einmal aufgelöst, dh. der Puffer aufgebraucht, dann versauert auch ein ursprünglich kalkreicher Boden. Durch vollständige Kalkauflösung kann auch über kalkigem Muttergestein ein kalkfreier Boden entstehen. Zurück bleiben die nicht kalkigen Mineralanteile (Tonminerale und Eisenhydroxide, Kalkstein enthält immer auch ein gewisser Anteil «fremder» Minerale!)
Auf kalkhaltigem Untergrund (wie hier im Baselbieter Jura) bleibt der Boden so lange basisch, bis der gesamte darin enthaltene Kalk aufgelöst ist. Dabei findet man kalkliebende Pflanzen wie hier der Zwergholunder (giftig!)
Saure Böden: Über Kristallingestein ist der Boden schon von Beginn weg sauer, da der Kalk-Puffer fehlt. In der Geologie werden die Kristallingesteine in «basisch» (z.B. Basalt) und «sauer» (z.B. Granit) eingeteilt.
Die Minerale in den «basischen» Gesteinen enthalten besonders viele Kationen und verwittern durch das weniger robuste Mineralverband rasch. Dabei wird der Boden nährstoffreich. Der pH-Wert liegt im leicht sauren (aber nicht basischen) Bereich
Die «sauren» Gesteine enthalten v.a. Minerale mit wenig Kationen und einem robusten Mineralverband, d.h. sie verwittern nur langsam, was den Boden nicht nur nährstoffarm macht. Der pH-Wert liegt im sauren Bereich. Übrigens besteht aus Sandstein meist aus sauren Mineralen.
Doch warum ist denn der Boden über «saurem Gestein» saurer als über «basischem Gestein»? Der Grund liegt in einem weitere pH-Puffermechanismus, nämlich der Silikatverwitterung. Diese verbraucht nämlich Säuren, stellt aber ein eher langsames Puffersystem dar. Weil die Verwitterung bei den basischen Gesteinen schneller ist, sind dort auch die pH-Werte im Boden höher.
Die Böden über den Sandstein-Plateaus des Nordschwarzwaldes sind nährstoffarm und sauer, weil dessen Minerale schwer verwitterbar sind. Die Nadelbäume verstärken dabei die Versauerung. Das saure Milieu gefällt aber wiederum den Heidelbeeren, welche deshalb die etwas lichteren Standorte massenhaft überwuchern.
Bei besonders sauren Böden wird der Nährstoffgehalt zusätzlich vermindert, indem aus den silikatischen Mineralien Aluminium (in Form von Al3+) aus dem Kristallverband herausgelöst wird. Dieses verdrängt nun zunehmend die Nährstoffe wie Ca2+, Mg2+, etc. aus den Tonmineral-Oberflächen( wo sie gespeichert sind). Dadurch wird der Boden nährstoffarmer. Aluminium kann ausserdem den Pflanzen auch direkt schaden.
Sekundäre Bodenbildung
Bevor ich die verschiedenen Bodentypen vorstellte, muss ich erst noch ein paar weitere bodenbildende Prozesse vorstellen, die den Aufbau des Bodens prägen und für gewisse Bodentypen charakteristisch sind (Liste ist nicht abschliessend):
Lessivierung: Mit dem im versickernden Regenwasser (Sickerwasser) werden Tonminerale vom Ober- in den Unterboden verschwemmt und dort in den Poren abgelagert. Während der Unterboden mit Ton angereichter wird, verarmt der Oberboden daran. Die Lessivierung findet v.a. in leicht sauren Böden statt. Die hohe Ca2+-Konzentration in kalkreichen Böden und die hohe Al3+-Konzentration in sauren Böden vermindern die Lessivierung.
Podsolierung: Durch das Sickerwasser werden auch organische Substanzen in den Unterboden verlagert. Die Huminstoffe können auf den Weg auch Eisen- und Aluminiumoxide auflösen und nehmen dabei dessen Kationen gleich mit. Der Oberboden verarmt damit nicht nur an organischer Substanz, sondern wird durch die Auflösung der Oxide zusätzlich auch gebleicht. Im Unterboden bildet sich hingegen ein an organischem Material angereicherter und somit dunkler Horizont. Etwas darunter wird auch das Eisen und Aluminium wieder ausgefällt, wodurch ein rötlich-brauner Horizont entsteht. Die Podsolierung findet vor allem in sauren Böden mit gehemmtem Abbau von organischer Substanz statt (wie z.B. in Böden über Sandstein mit Nadelbäumen).
Durch Podsolierung verbleicht der Oberboden. Im Unterboden bildet sich eine dunkler, an organischem Material angereicherter Horizont (Bh) und darunter eine rötlich-brauner Schicht, wo die mittransportierten Eisen- und Alumiuniums zu Oxiden ausgefällt werden.
Quelle: Botaurus - Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1450500
Vergleyung: Dabei handelt es sich um die Verlagerung von Eisen- und Manganionen vom Unterboden nach oben. Dieser Prozess findet statt, wenn der Unterboden durch Grundwasser ständig nass ist. Unter dem Grundwasserspiegel herrscht ein sauerstoffarmes Milieu. Das Eisen liegt dort v.a. als Fe2+ («reduziertes Eisen») vor. In dieser Form ist es gut wasserlöslich. Ein Teil des Wassers und dem damit gelösten Fe2+ gelangt durch kapillaren Aufstieg in höhere Bereiche des Bodens, wo die Poren sowohl Wasser, als auch Luft enthalten und deswegen die Sauerstoffversorgung deutlich besser ist. Dort oxidiert das Fe2+ zu Fe3+ und wird als Eisenhydroxid ausgefällt, womit sich ein rostiger Horizont bildet.
Quelle: User:Katzenbear; korrigiert von Grabenstedt - File:Bodenprofil Normgley.svg, Fehler (Sd-Horizont) wurde gelöscht, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=25084041
Pseudovergleyung: Dieser Prozess findet statt, wenn im Unterboden eine wasserundurchlässige Schicht vorhanden ist. Das Sickerwasser wird dadurch episodenweise in den Grobporen der darüberliegenden Schicht gestaut (Stauwasser) und bilde dort ein sauerstoffarmes Milieu, bei dem Fe3+ zu Fe2+ reduziert wird. Das Fe2+ diffundiert anschliessend in benachbarte Feinporen, wo immer noch Lufteinschlüsse und somit Sauerstoff vorhanden ist. Es wird dort wieder oxidiert und zu Eisenhydroxide ausgefällt, womit sich Rostflecken ausbilden. Die an Eisen verarmten Grobporen sind hingegen grau gefärbt.
Bei der Pseudovergleyung wird das Wasser in den Grobporen an einer Stauschicht aufgestaut und dort Eisen reduziert. Dies lagert sich in den Feinporen wieder ab, was dort zu rostiger Färbung führt
Quelle: U. Burkhardt - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=14574800
Bodentypen
Durch unterschiedliche Ausgangsbedingungen (Gestein, Klima, Grundwasser, etc.) und dem Faktor Zeit, bilden sich unterschiedliche Bodentypen mit unterschiedlichen Eigenschaften.
In den Gebieten, die während der letzten Eiszeit von Gletschern bedeckt waren, wurde der Boden wegerodiert und es bliebt Grundmoräne oder nackter Fels zurück. In den eisfreien Gebieten wurden die Böden vielfach durch Ablagerung von Löss (Flugstaub) überdeckt. Die meisten Böden in Mitteleuropa sind deshalb relativ jung (jünger als 15'000 Jahre).
Ausgehend vom Ausgangsgestein bildet sich im Verlaufe der Bodenbildung erst ein Rohboden:
Syrosem: Dieser Rohbodentyp entsteht über Festgestein (resp. verwittertem Festgestein). Dabei befindet sich über dem Mutterboden lediglich ein geringmächtiger (<2cm) Oberboden, der oft auch nur lückenhaft vorhanden ist. Sowohl die Wasserspeicherfähigkeit, als auch der Nährstoffgehalt ist gering. Syrosem findet man vor allem an steilen Hängen mit starker Erosion. Durch Rutschungen gelangen dabei die Standorte immer wieder an den Anfang der Bodenentwicklung.
lückenhafter Syrosem im Lukmaniergebiet
Lockersyrosem: Über Lockergesteinen (Lehm, Löss, Sand, Silt,…) beginnt die Bodenentwicklung mit einem Lockersyrosem. Im Gegensatz zum Festgestein ist der Untergrund bereits von Beginn weg porös, was den Pflanzen eine Durchwurzelung erlaubt und die Speicherung von Wasser- und Nährstoffen erhöht. Auch die chemische Verwitterung verläuft schneller. All dies führt zu einer rascheren Bodenbildung. Lockersyrosem besteht (wie Syrosem) nur aus einem geringmächtigen (<2cm) Oberboden. Man findet ihn z.B. auf Ruderalflächen (wie z.B. Kiesgruben), aber auch natürlicherweise an erosionsanfälligen Hängen.
Lockersyrosem auf einer Ruderalfläche
Quelle: Sten, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2276314
Ausgehenden vom Rohboden ist die weitere Entwicklung des Bodens jeweils davon abhängig, ob das Ausganggestein kalkhaltig ist der nicht (siehe weiter unten). Eine Bodenbezeichung, die dabei immer wieder verwendet wird, ist die «Braunerde». Braunerden bestehen aus einem humosen Oberboden und einem gut entwickelten Unterboden. Letzterer ist braun gefärbt. Dies wegen der Verwitterung eisenhaltiger Minerale und anschliessender Ausfällung von Eisenhydroxiden. Braunerden sind in Mitteleuropa weit verbreitet.
Schematisches Profil einer Braunerde: Sie weisen nebst dem Oberboden ein brauner Unterboden (B-Horizont) auf
Quelle: VUS Department of Agriculture - https://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/main/soils/edu/, Gemeinfrei, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1343062
Bodentypen auf kalkhaltigem Festgestein: Ausgehend von kalkhaltigem Festgestein (z.B. Kalkstein, kalkhaltige Nagelfluh, etc.) folgt die Entwicklung Syrosem > Rendzina > Terra Fusca. Die Eigenschaften des Bodens sind u.a. von der pH-Pufferwirkung des Kalkes geprägt.
Syrosem: Dieser ist aufgrund des Kalkgehaltes im Boden neutral leicht basisch
Rendzina: Auch hier folgt der Oberboden direkt über dem (meist blockartig verwitterten) Muttergestein. Im Gegensatz zum Syrosem ist der Oberboden mittlerweile gut ausgebildet. Dadurch sind auch die Wasserspeicherfähigkeit und die Nährstoffverfügbarkeit höher. Trotzdem handelt es sich immer noch um eher trocken-karge Standorte. Der pH-Wert ist weiterhin neutral bis leicht basisch. Dieser Bodentyp ist in Mitteleuropa typisch für mässig geneigte Hänge aus Kalkstein. Entsprechende Flächen werden meist forstwirtschaftlich oder als Weide genutzt.
Rendzina
Terra Fusca («Rendiza-Braunerde»): Nach langer Zeit entwickelt sich ein (verbraunter) Unterboden und der Boden entkalkt vollständig, wodurch nur noch die nicht-kalkigen Bestandteile zurückbleiben. Der Tongehalt und damit die Wasserspeicherfähigkeit sind sehr hoch, doch wegen dem fehlenden Kalkpuffer kippt der pH-Wert nun in den sauren Bereich. Terra Fusca Böden, dessen Bildung sehr viel Zeit benötigt, sind in den jungen Böden Mitteleuropas sehr selten. Entsprechende Flächen werden meist forstwirtschaftlich oder als Weide genutzt.
Bodentypen auf kalkfreiem (oder sehr kalkarmen) Festgestein: Ausgehend von kalkfreiem Festgestein (z.B. Sandstein, Tonstein, Kristallingesteine wie Granit, Gabbro, Basalt, Serpentinit etc.) folgt die Entwicklung Syrosem > Ranker > Braunerde. Ausgehend von saurem Ausgangsgestein kann sich ausserdem aus der Braunwerde ein Podsol bilden. Ist der Abbau gehemmt (z.B. im Nadelwald oder über «saurem» Ausgangsgestein), bildet sich über dem Oberboden ein Auflagehorizont (Humusform Moder oder Rohhumus).
Ranker: Der Oberboden ist mächtig ausgebildet, folgt jedoch weiterhin direkt über dem (meist blockartig verwitterten) Muttergestein. Ausgehend von «saurem» Ausgangsgestein (Granit, Sandstein.) bildet sich ein saurer, nährstoffarmer Boden. Wenn der Boden hingegen aus «basischem» Gestein (Basalt, Serpentinit, etc) oder Tonstein hervorgeht, dann ist er nur leicht sauer und nährstoffreich. Dieser Bodentyp ist in Mitteleuropa typisch für mässig geneigte Hänge aus kalkfreiem Gestein. Entsprechende Flächen werden meist forstwirtschaftlich oder als Weiden/Wiesen genutzt.
Ranker
Quelle: CWALTER - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=61759695
Braunerde: Mittlerweile hat sich ein (brauner und verlehmter) Unterbodenhorizont gebildet. Entsprechende Flächen werden meist forstwirtschaftlich oder als Weiden/Wiesen genutzt. Teilweise ist auch Ackerbau möglich.
Podsol: Entsteht aus stark sauren Braunerden (Ausgangsgestein Granit oder Sandstein) durch den Prozess der Podsolierung. Sie sind durch einen Auflagehorizont, einem gebleichten Oberboden, sowie im Unterboden mit einem dunkel gefärbten und darunterliegenden rostigen Horizont gekennzeichnet. Sie sind meist nährstoffarm und entsprechende Flächen werden forstwirtschaftlich genutzt.
Bodentypen auf kalkhaltigem Lockergestein: Beim Ausgangsgestein kann es sich z.B. um Löss, aber auch kalkreiche Moräne, kalkreicher Kies, etc. handeln. Es folgt die Entwicklung Lockersyrosem > Pararendiza >Parabraunerde.
Pararendzina: Der Oberboden ist mittlerweile gut entwickelt und folgt direkt über dem Mutterboden. Die Eigenschaften sind ähnlich zur Rendzina. Die Entwicklung der Braunerde geht relativ schnell.
Pararendzina auf Löss (Löss ist meist kalkhaltig!)
Quelle: Solum - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7258412
Parabraunerde: Mittlerweile hat sich ein (brauner und verlehmter) Unterbodenhorizont gebildet, während der Oberboden an Ton verarmt ist. Die Wasserspeicherfähigkeit meist auch der Nährstoffgehalt sind hoch. Entsprechende Flächen werden oft zum Ackerbau genutzt.
Parabraunerde
Quelle: U. Burkhardt - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15364608
Bodentypen auf kalkfreiem Lockergestein: Dabei handelt es sich beim Muttergestein oft um Sande. Es folgt die Entwicklung Lockersyrosem > Regosol > Braunerde > Podsol.
Regosol: Der mittlerweile gut entwickelte Oberboden folgt direkt über dem Muttergestein. Regosole sind in Mitteleuropa selten und treten natürlicherweise auf sandigen, erosionsanfälligen Standorten (z.B. Winddünen) auf. Sie sind meist trocken (geringe Wasserspeicherfähigkeit von Sand), sauer und nährstoffarm.
Regosol auf Sandboden (Sand ist oft nahezu kalkfrei)
Quelle: U. Burkhardt - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15364967
(saure) Braunerde: Mittlerweile hat sich ein (brauner) Unterboden ausgebildet. Die Böden sind nach wie vor sauer und nährstoffarm und entsprechende Standorte werden v.a. forstwirtschaftlich genutzt. Solche sauren Braunerden entwickeln sich mit der Zeit zu Podsol weiter.
Bodentypen auf Tonstein/Mergel: Aus dem Syrosem, bildet sich bei Tonsteinen erst ein Ranker, bzw. bei Mergel (Ton-/Mergel-Mischgestein) Pararendzina. Hat sich dann mal ein Unterboden gebildet, spricht man von Pelosol. Da das Ausgangsgestein bereits Tonminerale enthält, sind solche Böden generell nährstoffreich und weisen ein grosses Wasserspeicherungsvermögen auf. Tonminerale haben die Eigenschaft bei Wasseraufnahme zu Quellen und bei Wasserabgabe wieder zu schrumpfen (unter Bildung von Rissen). Aufgrund der niedrigen Wasserleitfähigkeit des Tones, neigen solche Böden zu Staunässe und somit zu mit einer Pseudovergleyung. Entsprechende Flächen werden als Weiden/Wiesen oder forstwirtschaftlich genutzt.
Trockenrisse sind für Pelosol typisch
Quelle: Jens Franke HSE - selbst fotografiert, CC BY-SA 3.0, https://de.wikipedia.org/w/index.php?curid=6311236
Unter Grundwassereinfluss (z.B. in Talauen) bildet sich Gley, bzw. bei regelmässiger Staunasse (z.B. bei Grundmoräne, Ton oder Mergel als Ausgangsgestein) Pseudogley.
Quellen
Wulf Amelung, Hans—Peter Blume, Heiner Fleige, Rainer Horn, Ellen Kandeler, Ingrid Kögel-Knabener, Ruben Kretzschmar, Karl Stahr und Berndt-Michael Wilke (2018) – Scheffer / Schachtschabel, Lehrbuch der Bodenkunde, 17. Auflage, ISBN 978-3-662-55870-6.
https://de.wikipedia.org/wiki/Ranker_(Bodenkunde)
