Boden

Was wächst wo in Mitteleuropa? (natürliche Vegetation: ohne menschliches Eingreifen)

Abhängig von:

• Großklima

• Boden/Untergrund

  • Nährstoffverfügbarkeit

  • Wasserverfügbarkeit

• Herbivoren (Pflanzenfresser)

Das Vorkommen einer bestimmten Pflanzenart wird bestimmt durch ...

• Standortbedingungen (Verfügbarkeit Wasser, Nährstoffe, Licht, ...)

• Wachspotential der Art (physiologische Amplitude)

• Konkurrenzfähigkeit der Art am Standort (ökologische Amplitude)

• Besiedlungsmöglichkeit (Samen-Verfügbarkeit, gute Etablierungsbedingungen, geringer Fraßdruck)

Das Ökogramm

= wichtiges Hilfsmittel, um das Vorkommen von Pflanzen in der Umwelt darzustellen

• Gegenüberstellung zweier abiotischer Faktoren und das davon abhängige Auftreten von Arten in einem Koordinatensystem

• z.B. Darstellungsmöglichkeit des Vorkommens einer Art: Wasserversorgung – pH Ökogramm

Ökogramm der Waldgesellschaften, submontan, Mitteleuropa

potentiell natürliche Vegetation:

in Deutschland (wenn der Mensch nichts verändert hätte) vor allem Buchen- und Buchenmischwälder und Eichen- Heinbuchenwälder

Fagus sylvatica (Rotbuche)

= dominierende natürliche Baumart in Deutschland

• Fagaceae (Buchengewächs)

• bis 40m hoch

• max. Alter: 300J.

Natürliche Urwalddynamik (= Walddynamik)

• Urwald durchläuft verschiedene Phasen

  • Optimalphase: geschlossener, hoher Baumbestand; Artenzahl gering; Dauer je nach Baumart 300-500 Jahre

  • Terminalphase(Alterphase): max. Alter wurde erreicht; viel Totholz

  • Zerfallsphase: Baum stirbt ab -> zerfällt; Artenzahl hoch; Dauer 20-50 Jahre

  • Verjüngungsphase = mehr Licht gelangt an den Waldboden -> neue Bäume starten den Wettlauf nach oben ans Licht; Dauer 150-200 Jahre; Artenzahlen gehen zurück

• Mosaikzyklus Konzept: verschiedene aneinandergrenzende Waldgebiete befinden sich in unterschiedlichen Phasen

Buchwald – Beispiel aus Deutschland

• die heiligen Hallen (ein als Totalreservat geschützter alter Buchenwald in Deutschland)

• Lage: im südlichen Mecklenburg

• Waldmeister Buchenwald

• Naturschutzgebiet

• ältester naturverjüngter Buchenwald

• einige krautige Arten der heiligen Hallen: Perlglas, Sauerklee, Goldnessel, Wald-Veilchen, Rührmichnichtan, Buschwindröschen, Dornfarn, Hexenkraut

Bodensaure Buchenwälder

• über saurem Silikatgestein (z.B. Verwitterungsboden über Granit, Gneis, Buntsandstein): Basenarme Braunerde

• Fragus Sylvativa (Rotbuche) im Optimum, sehr hoch und dicht (oft Hallenwald)

  -> alle Bäume ungefähr im gleichen Alter + wenig Unterwuchs = Buchen in der Optimalphase

• im Tiefland teils mit Quercus patraea (Traubeneiche)

• im Sommer besonders dunkel im Wald

• kaum Strauchschicht, höchstens Buchen-Jungwuchs

  -> wenig Licht kommt an den Waldboden -> Artenarme Krautschicht, charakteristisch: weißliche Hainsimse)

• Zersetzung der Streu (= Laub) langsam, wegen niedriger pH-Werte

• Streu fällt im Laubwald binnen weniger Wochen im Herbst zu Boden

Die organische Auflage

Differenzierung der organischen Auflage:

• Mächtigkeit

• Art, Struktur

• Schichtung

• Geschwindigkeit des Abbaus

-> Differenzierung in Auflagehorizonte L,F,H (= kanadische Kennzeichnung) oder Oi, Oe, Oa (= international)

Schichtung der organischen Auflage:

• L/Oi: oberste Auflage (litter/fibric); unzersetzte Streuauflage (Laub, Nadeln, Zweige)

• F/Oe: darunter liegende Auflage (fermentation/hemic); hat nich Struktur (durchlöchert, zerkleinert, Pilz befallen…)

• H/Oa: unterste organische Auflage (humification/sapric); stark zersetzt, strukturlos (amorph)

Humus

= organische Substanz

-> Stabilität ist von mikrobieller Erreichbarkeit abhängig

Der Paradifmenwechsel

• stabile Humusformen können nur mit speziellen Extraktionsmethoden nachgewiesen werden

Kreislauf des Kohlenstoffs während des Abbaus

• Pflanzen geben 50% ihres fixierten Kohlenstoffs ab

• wenn wir Pflanzen ernten und diese selbst zersetzen gelangt auch wieder CO2 in die Umwelt

Abbau von organischer Substanz

• Produktion von Biomasse findet ober- und unterirdisch statt

• während des Abbaus ist die organische Substanz in der Lage mit den Bodenaggregaten organo-ineralische Komplexe einzugehen und an Mineraloberfläche zu absorbieren -> Bindung der Aggregate und Mineraloberflächen = organische Bodensubstanz

• wenn das Material abgebaut wird, wird es zunächst zu immer kleineren Biopolymeren bis es schließlich als CO2 vorliegt

Organische Bodensubstanz = Bindung mit Aggregaten und Mineraloberfläche

Produktion von organischer Substanz

Oberirdisch

• oberirdische Produktion von pflanzlichem Material wird kontinuierlich beobachtet

• es wird beobachtet wieviel organisches Material oberirdisch anfällt

• Zusammensetzung in den Streufallsammlern wird anschließend im Labor untersucht und es wird differenziert, was man vorfindet

• Streu: Blätter, Nadeln, Zapfen, Äste, Rinde

• Rekordsommer: Massen unterscheiden sich sehr stark in Jahresbilanz (2003 war es außerordentlich heiß, daher große Streufallmenge) -> viele Früchte wurden abgeworfen und oberirdisches Absterben (Rinde, usw.) landet dann in Streufallsammlern

• Zusammensetzung genauer betrachtet: im ersten Teil des Jahres Anstieg, im Mai/Juni landen auch viele Pollen in den Sammlern + Früchte -> Anstieg der Kohlenstofffracht, Herbst: Laubfall lässt Kohlenstofffracht auch ansteigen

• höhere Temperaturen: mehr Biomasse -> in tropischen gebieten ist die Hauptbiomasse oberirdisch

Unterirdisch

• unterirdisch ist es schwer zu erfassen: z.B. Wurzeln werden ausgegraben, das kann immer nur einmal passieren

• verschiedene Methoden: Boden ausgraben + Wurzeln zählen, aktives Wachsen der Wurzeln verhindern, Plastikröhren einbringen und dann übe Kameras Bilder von den Wurzeln machen (Wurzelmasse kann so erfasst werden)

• höhere Temperaturen: geringerer Anteil von Biomasse (Wurzeln im Boden) -> in klaten Regionen überwiegt die Wurzelmasse

Wurzelexsudate/Rhizodeposits

• vor allem die Wurzelexsudate (Kohlenstoffe, die von den Wurzeln abgegeben werden und so in den Boden kommen) liefern Kohlenstoff

• Rolle: stimulieren die Nährstofffreigabe, indem sie die organische Bodensubstanz freigeben + Wurzelfreisetzungen stimulieren die Mikrofreisetzung

• all diese Prozesse führen zur stabilisierten Substanz im Boden

-> Wurzeln spielen sehr große Rolle bei der Stabilität der Nährstoffe im Boden!

Zusammenhang zwischen Bodenfruchtbarkeit und Abbau von organischer Substanz

• zur Steigerung der Bodenfruchtbarkeit muss organische Substanz abgebaut werden (z.B. durch Bodenumwälzung, dadurch wird das organische Material auf dem Boden in den Boden gebracht)

• Bodenbearbeitung steigert die Umsetzung, was das Pflanzenwachstum und die Bodenfruchtbarkeit begünstigt

• beim Abbau der organischen Substanz werden die Stoffe freigesetzt, die dann den Mikroorganismen zur Verfügung stehen

Methoden zur Bestimmung des Umsatzes

Bilanzierung der Biomasse in der organischen Auflage

• Streufallrate wird gemessen und diese der Mächtigkeit der organischen Auflage gegenübergestellt

• zeitaufwenig durch jährliche Streufallrate

C°14 Analyse

• die Radiocarbonanalyse bestimmt das Alter von bestimmten Substanzen

• teuer und teilweise problematisch bezüglich der Dateninterpretation

Inkubationsexperimente

• Boden wird aus verschiedenen Horizonten ins Labor gebracht und in kleinen Gefäßen aufbewahrt und über das Auffangen des Co2 wird bestimmt wie groß der Umsatz von organischer Substanz in diesem Bereich ist

• Boden wird durch den Eingriff gestört, daher nicht ganz eindeutige Ergebnisse

• funktionieren nur über längere Zeiträume

• einfach und günstig, häufig nicht vergleichbar mit Feldbedingungen

C°13 Analyse

• beim Abbau wird CO2 veratmet, während sich das schwere Kohlenstoffisotop 13C anreichert -> Kohlenstoff wird rationiert und das schwere Kohlenstoffisotop wird angereichert -> das wird im Bodentiefenprofil angereichert -> im tieferen Boden mehr und mehr organisches Material

• niedriger 13C und niedrige beta Werte -> geringer Umsatz

• hohe 13C und hohe beta Werte -> hoher Umsatz

• einfach zu messen mit überschaubaren Kosten

  
  

Zusammenhang von Streufall Kohlenstoff und Boden Kohlenstoff

-> verschiedene Systeme zeigen den Unterschied

Tropen:

große Produktion an oberirdischer Biomasse (gleichzeitig ein geringer Anteil an Kohlenstoff im Boden)

Grund: Umsatzprozess wird begünstigt durch Wärme und Feuchte, also wird das Material unmittelbar umgesetzt -> dadurch geringe Kohlenstoffmenge im Boden

Wüsten:

geringe oberirdische Einträge in die Böden (Trocken bedeutet reduzierter Umsatz, also große Kohlenstoffmenge im Boden)

gemäßigte Laubwälder (wie bei uns)

zeigen ausgeglichene Anteile

Die organische Bodensubstanz

Unsere organische Substanz besteht aus 2 Pfaden:

organische Bodensubstanz (soil organic matter):

abgebautes Pflanzenmaterial, lebende und tote Mikroorganismen, Mineral- und Aggregatkomplexe, Kohle, Metallorganischekomplexe

gelöste organische Substanz (flüssig):

DOM (eigentlich die Substanzen vorher nur irgendwie flüssig)

Umsatz ist pH-abhängig!

Kohlenstoffspeicherung ist anhängig von Bodenart

• Sand, Schlick, Ton: mehr Speicherung im Untergrund, weniger im Mutterboden

• Ton hat große Auswirkung auf die Stabilität von Kohlenstoff in Böden

Stabilisierungsmechanismen

• bedeutet gegen Umsatz geschützt

• wird durch andere Prozesse beeinflusst

• unterirdischer Eintrag über Wurzelexsudat oder abgestorbenes unterirdisches Material oder mikrobakterielles Material

• physikalische Unerreichbarkeit der organischen Substanz (zu wenig Feuchtigkeit liegt vor -> deshalb kann sich das Material nicht bewegen und erreicht werden)

• Absorption und Desorption von Mineralorganischen Komplexen spielt eine Rolle

• Auftauprozess von Permafrostböden spielen auch eine wichtige Rolle dabei (der tiefe Kohlenstoff ist hier betroffen)

Bodenarten

= Textur des Bodens, also die Körnungsmischung des Feinbodens

Korngöße:

• Sand

• Schluff

• Lehm

Hauptbodenarten:

• Sand: nicht formbar, “schmutzt” nicht und ist sicht- und fühlbar Körnig

• Schluff: mäßig formbar, kaum bindig, von samtig-mehliger Beschaffenheit, “schmutzt” nicht und zeigt raue Gleitflächen

• Lehm (Mischung aus Sand, Schluss und Ton): enthält alle drei Kornfraktionen in unterschiedlichen Anteilen. Die überwiegende Kornfraktion bestimmt seine überwiegende Merkmale

• Ton: gut formbar, klebrig, bindig, “schmutzt” und zeigt glänzende Gleitfläche

Verdichtung als Grund für Sauerstoffarmut

• bei Tonböden größte Abnahme im Gesamtporenvolumen (wenn Boden befahren wird ist der Tonboden am stärksten verdichtet)

• Tonboden kann demnach am wenigsten Sauerstoff aufbringen

• Bodendichte steigt an, wenn der Boden mit einem Schlepper befahren wurde

Bodenart und Wasserverfügbarkeit in unseren Wäldern der Region

Bodensaure Hainsimsen-Buchenwälder (Pfälzerwald)

• sandig: schlechte Wasserverfügbarkeit

• Rohhumus

Waldmeister- und Bingelkraut-Buchenwälder des Tieflandes

• Schwemmmaterial + Löss durchmischt, meist lehmig + hoher. Grundwasserspiegel: gute Wasserverfügbarkeit

• Mull

Waldmeister-, Waldgersten- und Orchideen-Buchenwälder des Hügellandes

• verwitternder Muschelkalk, meist tonig, Klüfte im Gestein: mittlere Wasserverfügbarkeit

• Moder bis Mull

Zusammensetzung des Bodens

• 45% mineralische Substanz (das was die Bodenart ausmacht)

• 5% organische Substanz

• 50% Porenräumen -> Bodenluft, Wasser (pflanzenverfügbar, nicht pflanzenverfügbar)

Bodenwasser

zwei Wasserzonen:

• gesättigt: Grundwasser

• ungesättigt: Sickerwasser, Absorptionswasser

-> Zonen durch Grundwasseroberfläche (=Fläche im Boden,

deren Wasserdruck dem mittleren Druck der Atmosphäre gleicht) getrennt

Absorptionswasser (gegen die Schwerkraft gehalten)

= haftet an den festen Bodenteilchen

• Haftwasser: wird gehalten -> Wasser im Boden, dass gegen die Schwerkraft festgehalten wird

• Kapillarwasser: in den kleinen, feinen Poren

-> Wenn Pflanzen Wasser aufnehmen wollen, müssen sie die Haltekraft des Absorptionswassers überwinden

Wasserhaltekapazität

• große Körner (z.B.: Sand) -> wenige, große Zwischenräume

  • Wasser fließt schnell hindurch

  • geringe Wasserhaltekapazität; geringe kapillare Aufstiegshöhe

• feine Körner (z.B.: Ton/Schluff) -> viele, kleine Zwischenräume

  • langsamer oder kein Abfluss

  • hohe Wasserhaltekapazität; hohe kapillare Aufstiegshöhe

Pflanzenverfügbares Wasser

• Welkepunkt (WP/PWP): Wasser als Haftwasser fest gebunden -> Pflanze kann nicht genug Saugspannung aufbauen

• Feldkapazität (FK): Wassergehalt bei Sättigung

• nutzbare Feldkapazität (nFK): Pflanzenverfügbares Haftwasser

nicht-pflanzenverfügbar nimmt zu, wenn Korngröße verringert wird (Tone)

bei Tonen ist das Wasser so fest gebunden, dass Pflanzen die Kraft nicht überwinden können (Welkepunkt: obwohl Wasser vorhanden ist, können Pflanzen es nicht aufnehmen -> sie welken) unterhalb Welkepunkt = Totwasser

Bodenwasser und organische Bodensubstanz

• organische Bodensubstanz wirkt wie ein Schwamm -> kann ein vielfaches ihres Eigengewichts an Wasser aufnehmen

• FK steigt stark mit leichter Erhöhung der organischen Substanz

• PWP steigt nur langsam mit Erhöhung der organischen Substanz

-> je mehr organische Substanz, desto mehr verfügbares Wasser

Intensität der Wasserbindung

• Kraft der Wasserbindung wird als Arbeitsfähigkeit (=Potenzial) ausgedrückt

• Potenzial ist definiert als Arbeit, die notwendig ist um Wasser von einem gegebenen Punkt zu einem Bezugspunkt zu transportieren z.B.:

  • Anhebung des Wassers von einer freien Wasserfläche (Grundwasser) auf bestimmte Höhe einer Pore (kapillarer Aufstieg des Wassers)

  • Entzug aus der Bodenmatrix (=Bodenporen) durch Pflanzen

Das Potenzialkonzept des Bodenwassers

• Das Bodenwasser bewegt sich immer vom Niveau des höheren (=höhere potenzielle Energie) zum Niveau des niedrigeren

• Die Bewegung hält so lange an, bis überall im Boden das Gesamtpotenzial des gleichen Wert aufweist

Ψ = m * g * h

Ψ = Potenzial des Bodenwassers (J)

m = Masse des Wassers (kg)

g = Erdbeschleunigung (m/s2)

h = Höhe über Grundwasseroberfläche

Bezugsgröße: Einheitsmenge Wasser (Gewicht)

Ψ = h       mit h = Länge (cm Wassersäule)

Bestimmung der Potentiale

• schwierig und umständlich

• als Annäherung des Gesamtpotenzials -> Hydraulisches Potenzial (= Summe der am einfachsten bestimmbaren Teilpotenziale)

ΨH  =  Ψz + Ψm

mit ΨH = Hydraulisches Potenzial

Ψz = Gravitationspotenzial

Ψm = Matrixpotenzial

Beziehung zwischen Matrixpotenzial und Wassergehalt

• Die Wassermenge, die bei einem bestimmten Matrixpotenzial im Boden vorliegt ist abhängig von Porenvolumen und Porengrößenverteilung

• Der Verlauf dieser Beziehung wird als Wasserspannungskurve (auch: Wassergehaltskurve oder pF-Kurve) bezeichnet

• pF-Wert = log | Ψm | -> pF = log cm WS, hPa, bar

  • pF 0 = -1 hPa (=Druck imBoden), cm WS

  • pF 1 = -10 hPa, cm WS

  • pF 2 = -100 hPa, cm WS

mit

p = Potenz

F = Saugspannung des freien Wassers

WS = Wassersäule

-> Betrag des Matrixpotenzials = Wasserspannung = Saugspannung