Skizzieren Sie den Zusammenhang zwischen Boden pH-Wert und Phosphor-Verfügbarkeit für Pflanzen und begründen Sie ihre Skizze
Warum nimmt die Löslichkeit von Aluminium-Phosphaten im Boden bei sinkendem pH-Wert (scheinbar) ab?
Die Löslichkeit aller Minerale steigt grundsätzlich mit sinkendem pH-Wert. Der Grund für die scheinbare Abweichung von dieser Regel ist, dass bei ab pH 5 im Boden Al(3+) aus den Al-Oxiden freigesetzt wird. Dadurch wird das Löslichkeits-Gleichgewicht von Al-Phosphaten überschitten und das Mineral fällt aus. Würde man das reine Mineral einer wässrigen Lösung aussetzten, würde es mit sinkendem pH-Wert zunehmend gelöst. Nur die Auflösung eines anderen Minerals verhindert dies im Boden. Analog kommt es ab circa pH 3 zur verstärkten Freisetzung von Fe, die das Löslichkeitsgleichgewicht von Fe-Phosphaten in Richtung Präzipitat verschiebt.
Warum ist Phosphor ein potentieller Schadstoff und sollte heute nicht mehr in Wasch- und Spülmittel eingesetzt werden?
Unter anderem weil Phosphor die Biomasseproduktion aquatische Ökosysteme limitieren kann. Der Eintrag von Phosphor in solche Gewässer stimuliert dann die Biomasseproduktion und kann z.B. eine Algenblüte hervorrufen. Wenn die hohe Biomasse abstirbt, steigt der Sauerstoffverbrauch durch den mikrobiellen Abbau. Im schlimmsten FAll wird das Gewässer anaerob, was dann möglicherweise ein Fischsterben nach sich zieht.
Was ist die Kationenaustauschkapazität des Bodens? Welche Rolle spielt sie für die Pflanzenernährung mit K, Mg und Ca?
Die Kationenaustauschkapazität (KAK) ist die Summe leicht extrahierbarer kationischen Ladungsäquivalente (entspricht der Summe der freien negativen Oberflächenladungen). Im diffusen Doppelschichtmodell erfolgt der Austausch nach dem Billard-Prinzip aus der diffusen Schicht, in der die Kationen frei beweglich sind.
Die KAK bietet basische Kationen in schnell austauschbarer Form an. Wenn die Pflanze ein Kation aus der Bodenlösung entnommen hat, wird es praktisch sofort aus dem austauschbaren Pool nachgeliefert, weil die Belegung der KAK im Gleichgewicht mit der Zusammensetzung der Bodenlösung steht.
Nennen Sie die Quellen der Elemente N, P und K für den Boden. Wie werden diese Elemente in ihre bioverfügbare Form überführt?
Das Element N stammt in der Regel aus der Atmosphäre und wird durch freie, Wurzelassoziierte und symbiontische Mikroorganismen im Boden fixiert (Ausnahme Sedimentgesteine mit fossilen organischen Komponenten, z.B. Ölsande und -schiefer wie sie z.B. im Lias, dem Schwarzen Jura, am Fuß der SChwäbischen Alb vorkommen).
Die Elemente P und K stammen aus Mineralen des Ausgangsgesteins der Bodenbildung.
Der mikrobiell fixierte Stickstoff wird in die Biomasse der Mikroorganismen eingebaut. Nach Absterben der Organismen entsteht Bodenhumus, der wiederum mikrobiell abgebaut wird, wodurch der enthaltene Stickstoff in seine mineralischen Formen (NH4(+) und NO3(-)) überführt wird (“N-Mineralisierung”), die wiederum von allen Pflanzen und Mikroorganismen aufgenommen werden können.
P und K gelangen durch Verwitterung in die Bodenlösung. Die dominierenden P-Spezies in der Bodenlösung sind HPO4(2-) (in neutralen und leicht sauren Böden) und H2PO4(-) (in stark sauren Böden). Diese Anionen können austauschbar an positive Ladungen im Boden (z.B. Aminogruppen, viele Fe- und Al-Oxide) gebunden werden. Die P-Verfügbarkeit wird allerdings stark durch Adsorption (“Sequestrierung” als innersphärischer Komplex auf der Oberfläche z.B. von Fe-Oxiden oder Allophanen) oder Fällung als Ca- oder Al-/Fe-Phosphat limitiert. K in der Bodenlösung steht in einem schnellen Austausch mit negativ geladenen Oberflächen im Boden (der Kationenaustauschkapazität). In Illit-haltigen Böden kann K auch fixiert - also fest in die Zwischenschichten eingebaut werden, wodurch Illit zu Glimmer zurückverwandelt wird.
In welchen Oxidationszuständen kommt Scwefel im Boden vor? Welche beiden Oxidationsstufen treten am häufigsten aus? Nennen Sie für letztere je ein Beispiel mit Summenformel.
Es treten die Oxidationsstufen -2 (Sulfid), -1 (Polysulfide), 0 (elementarer Schwefel), +2 (Thiosulfat), +4 (Sulfit) und + 6 (Sulfat) auf. Die häufigsten beiden Oxidationsstufen im Boden sind +6 und -2, also Sulfat (SO4(2-)) und Sulfid (H2S). Ersteres tritt in belüfteten Böden mit hohem Redoxpotenzial auf, zweiteres in reduzierenden (z.B. wassergesättigten) Böden mit niedrigem Redoxpotenzial.
Was ist Pyrit und wo kommt Pyrit vor? Wie kann es zur Oxidation von Pyrit kommen und welche Folgen hat das für den Boden?
Pyrit ist ein Polysulfid-Mineral (FeS2). Es entsteht mikrobiell aus Sulfat und Fe(2+) unter anaeroben Bedingungen, sofern genügend gelöste organische Substanz als C-Quelle für die Mikroorganismen zur Verfügung steht. Zur Oxidation von Pyrit kommt es durch die Absenkung des Grundwassers. Die Folge ist eine extreme Bodenversauerung, weil Schwefelsäure entsprechen der unten aufgeführten Reaktionsgleichungen entsteht.
Netto bleibt ein Proton aus der Oxidation einer Pyrit-Einheit übrig.
Beispiele für eine durch Grundwasserabsenkung hervorgerufene stark Bodenversauerung finden sich im Braunkohleabbau oder bei der Kultivierung von Sulfidreichen Küstenböden (Marschen - so genannten (Potential) Acid Sulphate Soils), v.a. in den (ehemaligen) Mangroven-Gürteln der Tropen. Selten kann das Phänomen auch an der Nordseeküste in Organomarschen beobachtet werden.
Sie beobachten im Quellwasser in einem deutschen Mittelgebirge im Winter ein Ansteigen des S-Isotopensignals von Sulfat (der Schwefel wird isotopisch schwerer) und im Sommer ein Abfallen des Isotopensignals (der Schwefel wird isotopisch leichter). Nennen Sie zuerst allgemein, wie kinetische Isotopenfraktionierungsprozesse diese Beobachtung erklären könnten und schlagen Sie dann je einen konkreten Prozess zur Erklärung der Schwefel-Isotopensignale im Winter und im Sommer vor.
Wenn das Schwefel-Isotopensignal schwerer wird, ist Sulfat Edukt einer unvollständigen chemischen Reaktion, wenn es leichter wird das Produkt.
Im Winter könnte die Reduktion von Sulfat und Sulfiden (Sulfat wird verbraucht) und im Sommer die Re-Oxidation des Sulfid-Pools (Sulfat wird produziert) den beobachteten Befund erklären. Im Sommer könnte außerdem eine verstärkte S-Mineralisierung, die gleichfalls S-isotopisch leichtes Sulfat freisetzt, eine mögliche Erklärung sein.
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