Boden: Typen und Eigenschaften
Die unter verschiedenen Umweltbedingungen sich entwickelnden Böden versucht man systematisch zu erfassen und zu klassifizieren, wobei man unterschiedliche Klassifizierungskriterien heranziehen kann. Im deutschen Klassifikationssystem unterscheidet man nach der Einwirkungskraft des Wassers verschiedene Bodenabteilungen — Landböden (terrestrische Böden), Grundwasserböden (semiterrestrische Böden), Unterwasserböden (subhydrische Böden), Moore, anthropogene Böden — oder entsprechend der Reihenfolge der Bodenhorizonte die Bodenklassen. Zum wichtigsten Klassifizierungsprinzip gehören die Bodentypen, für die die Abfolge charakteristischer Bodenhorizonte das wichtigste Einteilungskriterium darstellt. Weitere bekannte Klassifikationssysteme sind das als »soil taxonomy« bekannte amerikanische Konzept, außerdem das System der seit 1961 von der FAO (der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen) erstellten Weltbodenkarte und eine erst 1994 von der World Reference Base for Soils (WRB) vorgeschlagene internationale Bodensystematik.
Europäische Böden
Rohböden, die sich im Anfangsstadium der Bodenbildung befinden, sind der Syrosem der gemäßigten Klimazone, der Råmark der kalten Dauerfrostgebiete und der Yerma der Wüsten und Halbwüsten.Wüstenböden bilden sich in heißtrockenen Klimaten, in denen die Wasserverdunstung die Niederschlagsrate bei weitem übertrifft, sodass aufsteigende Wasserbewegungen in den Böden dominieren. Im Bodenwasser mitgeführte Mineralstoffe — Salze oder Kalk — fallen an der Bodenoberfläche aus und können ihn grau anfärben. Da Wüstenböden wegen der Trockenheit kaum oder gar nicht mit Pflanzen bewachsen sind, bildet sich praktisch kein Humus, es entstehen nahezu reine Mineralböden mit dem Profil A —C. Fallen an der Oberfläche zu viele Sulfate oder Chloride aus, dann entstehen unfruchtbare Salz- oder Natriumböden (Solontschak oder Solonez). Fehlt jedoch eine für Pflanzen toxische Versalzung, dann können Wüstenböden bei ausreichender Wasserzufuhr sehr fruchtbar sein, weil keine Nährstoffe ausgespült wurden.
Der Ranker ist ein sehr junger, flachgründiger, kalkarmer und oftmals steiniger Boden mit noch geringem Nährstoffgehalt. Man findet ihn meist an Berghängen, wo stete Erosion die ungestörte Weiterentwicklung des Bodens verhindert. Trotzdem besitzt er eine dünne Schicht von Laubstreu. In typischer Ausbildung liegt ein Ah —C-Profil vor. Ackerbaulich ist der Ranker kaum nutzbar, er kann jedoch Wiesen und Baumbewuchs tragen.
Die Rendzina ist ein spezieller Bodentyp, der sich aus kalk- oder gipsreichem Ausgangsmaterial entwickelt. Die kalk- und gipshaltigen Bestandteile werden teilweise ausgewaschen. Es entsteht ein flachgründiger, immer noch kalk- und nährstoffreicher Boden, dessen Humusauflage stets dünn bleibt, weil die ständige Neutralisierung der Säuren den mikrobiellen Humusabbau beschleunigt. Der Humus wird zum Teil in den Oberboden eingewaschen und bildet neben einem dunkel gefärbten Ah-Horizont einen charakteristischen steinigen und lehmigen A/C-Horizont, der auf dem kalkhaltigen, weißgrauen Untergrund (R) ruht. Das Bodenprofil — also die Abfolge der Horizonte — lautet daher Ah —A/C —R. Sind die Rendzinen tiefgründig genug, dann eignen sie sich sehr gut als Ackerböden.
Von Pararendzinen spricht man, wenn kalkhaltige Böden aus Löss, kalkhaltigem Sand, Schotter oder Geschiebemergel hervorgehen und mit Humus angereichert werden. Wegen ihrer Tiefgründigkeit eignen sie sich hervorragend als Ackerböden. Unter Laubwald geht die Pararendzina nach fortschreitender Entkalkung in Braunerden und Parabraunerden über, in Steppengebieten bildet sich Schwarzerde.
Beim Podsol, der Bleicherde, wird der A-Horizont durch Humin- und Fulvosäuren ausgewaschen. Dadurch bleibt ein nährstoffarmer, weißgrauer Ae-Horizont zurück, über dem eine meist mächtige Humusauflage liegt. Im mineralischen Unterboden fallen die ausgeschwemmten Mineral- und Huminstoffe wieder aus. Damit entsteht in typischer Ausbildung das Profil O —Ae/Bh —Bs/C. Bei ausreichender Düngung eignen sich Podsole gut als Ackerböden.
Braunerden und Parabraunerden entstehen, wenn die Böden weniger sauer reagieren als im Fall der Podsole und wenn die Humusschicht weniger Fulvosäuren abgibt. Für die Braunerden typisch ist ein durch Gesteinsverwitterung braun gefärbter Bv-Horizont. Bei den Parabraunerden oder Fahlerden hat dagegen eine gewisse Verlagerung von Ton und Eisenoxiden aus dem mineralischen Oberboden (Al) in den mineralischen Unterboden (Bt) stattgefunden. Sie nehmen also eine Zwischenstellung zwischen Podsolen und Braunerden ein. Das Profil der Parabraunerden lautet deshalb: Ah —Al/Bt/C. Braunerden besitzen das Profil Ah/Bv/C. Beide Böden stellen wegen ihrer dicken Humusschicht und ihres relativ hohen Nährstoffgehalts für Pflanzen gute Ackerböden dar. Plastische Böden aus Carbonatgestein sind die gelbbraun bis rotbraun gefärbte Terra fusca und die Terra rossa der Subtropen, die der Braunerde nahe stehen.
Schwarzerde (Tschernosem) entsteht, wenn sich Niederschlag und Verdunstung etwa die Waage halten, wenn also keine ausgeprägte Wasserbewegung in die Tiefe aufritt. Ist außerdem das Verwitterungsmaterial locker und kalkhaltig, wie beispielsweise beim Löss, dann bildet sich ein humusreicher schwärzlicher Boden mit sehr hohem Gehalt an Pflanzennährstoffen. Schwarzerden besitzen das Profil Ah —C. Sie stellen die ertragreichsten Böden dar.
Außereuropäische Böden
Zu den tropischen und subtropischen Böden zählen die Vertisole und die Kastanoseme. Der dunkelgraue, im feuchten Zustand fast schwarze, tonmineralreiche Vertisol mit A —C-Profil bildet sich in Ebenen und Senken, die in der Regenzeit gut durchfeuchtet sind, in der Trockenzeit aber vollständig austrocknen. Der Boden wird durch diesen ständigen Wechsel gründlich durchgearbeitet und eignet sich gut für den Anbau von Pflanzen. Die Kastanoseme oder kastanienfarbenen Böden sind Bodentypen der Kurzgrassteppe, die unter stärkerer Trockenheit als die angrenzenden Schwarzerden entstanden und weniger wertvoll sind.
Tropenböden (Latosole, Ferralsole) entwickeln sich im feucht-heißen Tropenklima. Silicate werden weitgehend ausgewaschen, sodass hauptsächlich Oxide von Eisen und Aluminium übrig bleiben. Der A-Horizont bildet meist nur eine dünne Schicht, während der gelb bis tiefrot gefärbte B-Horizont im Verlauf mehrerer Millionen Jahre bis zu 50 Meter mächtig werden kann. Trotz üppigen Pflanzenbewuchses besitzen die Tropenböden nur einen dünnen O-Horizont, weil unter den tropischen Klimabedingungen der mikrobielle Humusabbau besonders rasch voranschreitet. Wegen der intensiven Auswaschungsvorgänge stellen Tropenböden sehr nährstoffarme, wenig fruchtbare Böden mit den Horizonten O/A/B dar. Nach dem Abholzen der tropischen Regenwälder können diese Böden nur vier bis fünf Jahre landwirtschaftlich genutzt werden, dann sind ihre Nährstoffvorräte erschöpft.
Böden der Niederungen
Alluviale Anschwemmungsböden und Auenböden sind noch am wenigsten von Umweltbedingungen geprägt, weil sie erst im Verlauf der vergangenen 8000 Jahre aus Flussablagerungen hervorgegangen sind. In der Regel enthalten sie deshalb noch viele Nährstoffe. Häufig stehen diese Böden in Verbindung mit sauerstoffreichem Grundwasser. Teilweise werden sie noch regelmäßig überschwemmt, sodass sie keine Säuren anreichern können. Stets handelt es sich um Böden mit einem A —C-Profil, die als Weide- oder Ackerböden nutzbar sind, auch in den Tropen. In jüngerer Zeit können Auenböden durch anthropogene Schadstoffe aus den Flüssen, wie etwa Schwermetalle, belastet sein.
Lokal können Böden sehr stark durch hoch anstehendes Grundwasser beeinflusst werden, wobei der hohe Grundwasserstand auf wasserundurchlässige Bodenschichten zurückgehen kann, aber auch auf anthropogene Einflüsse, die den Ablauf des Grundwassers verhindern. Unabhängig von Klimaeinflüssen verhindert ein hoher Grundwasserstand die Durchlüftung des Bodens. In solchen Böden laufen bevorzugt reduzierende chemische und biochemische Prozesse ab, und es findet keine Wasserbewegung nach unten statt, die Ionen aus dem Oberboden in den Unterboden transportieren könnte. Ein echter B-Horizont fehlt deshalb. Stattdessen entsteht ein durch das Grundwasser beeinflusster G-Horizont, wobei man einen graugrünen bis bläulichen Gr-Horizont (Reduktionshorizont), der mindestens 300 Tage im Jahr unter dem Grundwasserspiegel liegt, von einem rostfleckigen Go-Horizont (Oxidationshorizont) unterscheidet, der im Schwankungsbereich des Grundwassers liegt. Böden mit dem Profil Ah/Go —Gr bezeichnet man als Gley. Wird ein Boden nicht durch Grundwasser, sondern durch angestautes Niederschlagswasser vernässt, dann heißt er Pseudogley. Gley und Pseudogley tragen von Natur aus Bruch- und Auwälder, gelegentlich auch Feuchtwiesen. Eine ackerbauliche Nutzung ist in der Regel erst nach ausreichender Drainage möglich. Den Gleyen verwandt sind die Böden der Marschen in Küstenregionen. Auch sie weisen das typische Ah/Go —Gr-Profil auf, doch sind Marschböden in aller Regel kalkreich und reich an feinkörnigen Sedimenten.
Sind Böden bis zur Oberfläche vernässt und weisen sie außerdem eine völlig durchnässte Schicht organischen Materials auf (Torf), dann spricht man von Moorböden. Das unter der immer mächtiger werdenden Torfschicht liegende mineralische Material betrachtet man meist nicht mehr als zum Moorboden gehörend. Zu den Unterwasserböden, also den Böden des Gewässergrunds, gehören unter anderem der Dy (in sauren, nährstoffarmen Seen), der Sapropel (am Boden nährstoffreicher Gewässer) und die Gyttja (in nährstoffreichen, aber gut durchlüfteten Gewässern).
Tauglichkeit und Güte des Bodens
Die bei den verschiedenen Bodentypen angegebenen ackerbaulichen Nutzungsmöglichkeiten stellen nur eine grobe Orientierungshilfe dar. Zur genaueren Charakterisierung der Bodengüte (in Mitteleuropa) bedient man sich der Bodenzahl, die sich zwischen 7 und 100 bewegt. Bei der Festlegung der Bodenzahl berücksichtigt man folgende Kriterien: (1) die Bodenart, gegliedert nach Korngrößen (Sand, Lehm, Ton) (2) die Zustandsstufe (wie Bodengefüge und Humusgehalt) und (3) die geologische Entstehung (dabei unterscheidet man unter anderem zwischen Sediment, verwittertem Festgestein, Löss). Ein und derselbe Bodentyp kann somit je nach Bodenart und Entstehungsgeschichte recht unterschiedliche Bodenzahlen erhalten. Beispielsweise können für einen Lössboden die Bodenzahlen zwischen 25 und 92 variieren.
Durch die ihm eigene Fruchtbarkeit ist der Boden der Träger allen Lebens auf dem Festland. Allerdings weisen 40 % der Festlandsfläche unfruchtbare Böden auf (Tundren, Wüsten und Halbwüsten, Gebirge). Nur etwa 6 % aller Böden sind von mittlerer Güte und etwa 20 % von Natur aus fruchtbar. Erst durch Bodenbearbeitung werden weitere Böden agrarisch nutzbar.
Unter Bodenzonen versteht man die geographische Verteilung der Bodentypen im Zusammenhang mit den Klimazonen der Erde und mit den landschaftlichen Gegebenheiten. Sie sind Grundlage für die kleinmaßstäbige Bodenkarte, die die regionale Verbreitung der Böden zeigt. Dabei werden mehrere Hauptbodengruppen und Bodeneinheiten zu Bodenzonen zusammengefasst. Die wichtigsten Bodenzonen der Erde sind in der Bodenkarte dargestellt.
Bodeneigenschaften
Ihr komplexer Aufbau und der reichhaltige Besatz mit Bodenlebewesen verleiht den Böden einige bemerkenswerte Eigenschaften: Böden können Pflanzen mit Nährstoffen versorgen, Wasser speichern, als Filter wirken und — im begrenzten Maß — Schadstoffe abbauen.
Kultursubstrat für Pflanzen
Um Pflanzen als Kultursubstrat zu dienen, muss der Boden den Pflanzenwurzeln nicht nur ausreichenden mechanischen Halt bieten, er muss außerdem noch genügend locker sein, um den Wurzeln das Durchwachsen zu ermöglichen. Die Größe der Partikel und ihre Packungsdichte muss so beschaffen sein, dass dem Wachstumsdruck der Wurzeln kein unüberwindlicher Widerstand entgegengesetzt wird. Die Angaben über die Höhe des entsprechenden Grenzwerts schwanken zwischen etwa drei und fünf Megapascal. Für ihren Weg durch den Boden nutzen die Wurzeln vor allem die Grobporen, nur die Wurzelhaare können bis in die weitesten Mittelporen einwachsen. Für das Wurzelwachstum eignet sich am besten die Krümelstruktur, die durch das Verkleben feiner Mineralpartikel durch Huminstoffe entsteht. Diese Struktur bietet die günstigsten Voraussetzungen für das Wurzelwachstum hinsichtlich Lagerungsdichte und Porosität des Bodens sowie seiner Versorgung mit Luft, Wasser und Pflanzennährstoffen. Diese Voraussetzungen sind am besten im A-Horizont oder genauer gesagt im Ah-Horizont gegeben, also in dem mit Humus angereicherten, mineralischen Oberboden. Die Nährstoffversorgung der Pflanzen wird durch die Zersetzung des Humus ebenso gewährleistet wie durch die ständig voranschreitende Verwitterung der mineralischen Bodenpartikel, sodass sowohl die chemische Zusammensetzung der Bodenmineralien als auch deren Korngrößen — besonders die Anzahl von Tonpartikeln in einer Bodenportion — die Bodenfruchtbarkeit maßgeblich mitbestimmen.
Boden als Wasserspeicher
Sowohl für das Pflanzenwachstum als auch für den Wasserhaushalt ganzer Landschaften ist die Wasserspeicherung des Bodens wichtig. Für das Wasserfesthaltevermögen eines Bodens sind verschiedene Faktoren verantwortlich. Beispielsweise kann Wasser chemisch gebunden werden, etwa in Form von Hydroxiden oder in Form von Kristallwasser. Auch das Festhalten durch Quellung ist eine Form der chemischen Wasserbindung. Bei schichtförmig aufgebauten Silicaten (wie beispielsweise dem Montmorillionit) wird Wasser zwischen den Silicatschichten eingelagert und festgehalten, wodurch das Kristallgitter erheblich aufgeweitet wird (Quellung).
Große Mengen von Wasser werden an den Grenzflächen zu den Feststoffen des Bodens durch Nebenvalenzbindungen festgehalten. Es wird als Kapillarwasser in Feinporen und zumindest vorübergehend auch in weiteren Zwischenräumen der Bodenpartikel fixiert. Für die praktische Beurteilung des Wasserhaltevermögens der Böden dienen vor allem drei Größen: Wassersättigung, Feldkapazität und permanenter Welkepunkt. Die Wassersättigung ist erreicht, wenn alle Bodenporen mit Wasser gefüllt sind, der Boden also kein zusätzliches Wasser mehr aufnehmen kann. Böden mit dem größten Gesamtporenvolumen verfügen deshalb über die größte Wasseraufnahmefähigkeit. Diese Größe ist für Grundwasser führende Bodenschichten sehr wichtig. Bezüglich des Pflanzenwachstums ist die Feldkapazität eines Bodens wichtiger. Mit Feldkapazität bezeichnet man die Fähigkeit des Bodens, Wasser gegen die Wirkung der Schwerkraft festzuhalten, sodass das Wasser nicht in die Tiefe sickern kann. Dieses Bodenwasser (Gravitationswasser) steht den Pflanzen jedoch nicht vollständig zur Verfügung. Sowohl Wasser, das von den Feinporen kapillar festgehalten wird, als auch Quellungswasser, das zwischen Silicaten eingelagert wird, und anderweitig fest gebundenes Wasser vermögen die Pflanzenwurzeln nicht aufzunehmen. Verfügt ein Boden nur noch über derart festgelegtes Wasser, dann ist er — physiologisch betrachtet — für eine Pflanze trocken. Pflanzen beginnen zu welken, auch wenn der Wassergehalt des Bodens hoch ist wie beispielsweise bei Ton mit seinem hohen Gehalt an Feinporen. Wird bei fortschreitendem Wasserverlust eines Bodens der Punkt erreicht, an dem die Pflanzen zu welken beginnen, dann spricht man vom permanenten Welkepunkt. Demnach ergibt sich der pflanzenverfügbare Wassergehalt eines Bodens aus seiner Feldkapazität minus dem Wassergehalt beim permanenten Welkepunkt. Sehr viel Wasser können stark humose Böden aufnehmen und dieses sowohl an das Grundwasser als auch an Pflanzen abgeben, während Tonböden nur wenig Wasser abgeben können. Naturbelassene Waldböden bilden deshalb hervorragende Zwischenspeicher für Niederschlagswasser.
Boden als Wasserfilter
Böden stellen vorzügliche Filteranlagen für Oberflächenwasser dar, das heißt, naturbelassene Böden führen dem Grundwasser stets gereinigtes Wasser zu. Die Filterung geht hauptsächlich auf drei verschiedene Reinigungsprinzipien zurück. Zunächst stellt der Boden ein engmaschiges Sieb dar, in dem grobe Partikel hängen bleiben. Außerdem können Böden viele Stoffe adsorbieren oder binden: Beispielsweise können Tonpartikel elektrisch geladene Teilchen (Ionen) durch Ionenbindung festhalten. Darüber hinaus können Ton- und Humuspartikel festere chemische Bindungen eingehen, wenn die im Wasser mitgeführten Stoffe über entsprechend reaktionsfähige Seitengruppen verfügen, wie Aminogruppen, Thiolgruppen, Carbonylgruppen, alkoholische oder phenolische Seitengruppen. Auf diese Weise können sogar viele Pflanzenschutzmittel fest an Humuspartikel gebunden werden. Schließlich beteiligt sich das Edaphon des Bodens an der Wasserreinigung, teils durch vollständigen, teils durch partiellen enzymatischen Abbau organischer Stoffe, die im Wasser mitgeführt werden. In ungestörten, dicken Humusschichten findet dabei ein Wechsel von aerobem Abbau nahe der Bodenoberfläche und zunehmend anaerobem Abbau in tiefen Lagen der Humusschicht statt. Da die Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen stark von der Temperatur abhängt und ein humoser Boden in der Regel ein kühles Substrat darstellt, geht der enzymatische Abbau von Fremdstoffen im Boden meist langsam vonstatten.
Boden als Schadstoffentgifter
Besonders die Adsorption von Fremdstoffen an Bodenpartikel und deren enzymatischer Abbau durch das Edaphon machen Böden zu den wichtigsten Entgiftungszentralen für viele anthropogene Schadstoffe. Dazu gehören auch Abgase, die über die Luft in die Böden gelangen. Beispielsweise erfolgt die Entgiftung von Methan und Kohlenmonoxid über eine mikrobielle Oxidation im Boden. Außerdem ist inzwischen hinlänglich bekannt, dass in den Boden gelangtes Erdöl mikrobiell abgebaut werden kann, wobei der Abbau von Leichtöl rascher vonstatten geht als derjenige von Schweröl. Stets vollzieht sich der Abbau umso rascher, je wärmer der Boden ist und je besser er durchlüftet wird. Die maximale Abbaugeschwindigkeit wird in aller Regel erst nach einer gewissen Anlaufphase erreicht, weil sich die für den Abbau eines Fremdstoffes erforderlichen Mikroorganismen entsprechend dem plötzlich erhöhten Substratangebot zunächst vermehren müssen. Es gibt allerdings auch eine Reihe von künstlichen organischen Stoffen wie Tetrachlormethan, Pentachlorphenol und verwandte Verbindungen, die sich im Boden einem mikrobiellen Abbau weitgehend entziehen. Einige dieser halogenierten Kohlenwasserstoffe können sogar die Tätigkeit der Mikroorganismen hemmen oder diese ganz abtöten. Auch ein Teil der hochpolymeren, synthetischen organischen Stoffe wie Perlon oder Polyvinylchlorid lässt sich mikrobiell nicht abbauen. Überfordert werden kann die Entgiftungsfunktion auch durch eine Überlastung der Böden mit solchen Stoffen, die an Bodenpartikel chemisch gebunden werden. Sind alle freien Bindungspositionen besetzt, dann passieren die Schadstoffe den Boden unverändert und können bis in das Grundwasser vordringen.
Prof. Dr. Günter Fellenberg
Grundlegende Informationen finden Sie unter:
Boden: Bildung und Entwicklung
Literatur:
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Fellenberg, Günter: Boden in Not: vergiftet, verdichtet, verbraucht. Eine Lebensgrundlage wird zerstört. Stuttgart 1994.
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