Bodenbildende Prozesse

Die Verwitterung

Die Verwitterung von Bodenausgangsgesteinen ist ein sehr komplexer pedogenetischer  Prozess (Pedogenese = Bodenentwicklung oder Bodenbildung). Sie wird in zwei Kategorien gegliedert, die Physikalische und die Chemische Verwitterung.

 

Physikalische Verwitterung

Unter physikalischer Verwitterung versteht man die Zerkleinerung der Gesteine und Minerale durch physikalische Kräfte. Der Wechsel der Temperatur ist ein starker Prozess der  beim Zerfall von Bodenausgangsgesteinen wirkt. Durch den ständigen Wandel von Erwärmung zur Abkühlung ändert sich permanent das Volumen. Es treten große Spannungen zwischen der erwärmten und der kühlen Seite des Gesteins auf, die zu kleinen Rissen führen. Mit Einwirken des Faktors Zeit werden diese Risse stets größer bis das Gestein letztlich springt. Dieser Prozess läuft intensiver ab je größer die Temperaturamplitude ist wie es z. B. in einer Wüste der Fall ist.

Verwitterung

Hierzulande ist die Frostsprengung ist ein stärkerer Prozess der maßgeblich zur Zerkleinerung von Bodenausgangsgesteinen beiträgt. In kleine Risse eingedrungenes Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus und schafft so immer größere Risse bis auch hierdurch das Gestein endgültig bricht. Man kennt diesen Effekt von der Entstehung der Schlaglöcher in Straßen nach einem Winter mit häufigem Wechsel von Frost- zu Tauphasen (Nachfröste).

Auch Pflanzenwurzeln sind in der Lage Gesteine zu zerkleinern jedoch weit weniger intensiv. Die Wurzeln dringen in die Hohlräume und Klüfte ein. Durch das Dickenwachstum der Wurzel wird der Druck stets größer bis das Gestein nachgibt.

Ein letzter, ebenfalls untergeordneter Faktor ist die Volumenzunahme durch Druckentlastung. Dies kann nach Abtragungen von aufliegenden Gesteinen und anderen Lasten der Fall sein.

 

Chemische Verwitterung

Zu der Chemischen Verwitterung zählen die Teilprozesse Lösungsverwitterung, Hydrolyse, Säurewirkung oder Säureangriff und die Oxidation.

 

Lösungsverwitterung

Wie der Name schon sagt bezeichnet die Lösungsverwitterung die Lösung von wasserlöslichen Salzen. Die wichtigsten Vertreter dieser Salze in Böden sind das Natriumchlorid oder Kochsalz (NaCl) und der Gipps (CaSO4 *H2O). Die Löslichkeit und Tiefenverlagerung von NaCl ist ein wichtiger Prozess bei der Entstehung von Marschen. Erst nach der Salzauswaschung beginnt hier die Kalkauswaschung.

 

Hydrolyse

Bedingt durch die Dissoziation (Zerfall von Molekülen in einfachere Moleküle durch Einwirkung von Ionen) des Wassers in H+ und OH- -Ionen wird beispielsweise Calciumcarbonat (CaCO3) aufgetrennt in Calciumhydroxid (Ca(OH)2) und Kohlensäure (H2CO3).

Hydrolyse wirkt nicht nur bei der Verwitterung von Calciumcarbonat sondern auch bei sämtlichen anderen Mineralen. Sogar bei sehr schwer zu knackenden Siliziumoxid-Kristallgittern (z. B. Quartzkörner) findet Hydrolyse statt. Hier muss nur der Faktor Zeit ordentlich arbeiten. Durch ständig fortschreitende Hydrolyse werden die ohnehin schon kleinen Bodenpartikeln (durch physikalische Verwitterung entstanden) in immer kleinere Partikel zerlegt.

 

Säurewirkung

Bei der Säurewirkung ist ein Überschuss von H+-Ionen der entscheidende Punkt. H+-Ionen reagieren sauer. In reinem Wasser halten sich H+ und OH -Ionen die Waage weshalb Wasser pH-neutral ist. Im Boden finden jedoch unterschiedliche chemische Reaktionen statt, die H+-Ionen entstehen lassen. Durch die Reaktion von Kohlendioxid (CO2) mit H2O entsteht leichte Kohlensäure (H2CO3). Kohlensäure vergnügt sich auch am Calciumcarbonat, es entsteht zum Teil Calciumhydrogencarbonat (Ca(HCO3)2. Calciumhydrogencarbonat wird mit Niederschlägen ausgewaschen, die Entkalkung des Bodens beginnt. Erst wenn der Boden weitgehend entkalkt ist können andere Prozesse wie die Humusauswaschung wirken.

Auch Pflanzen geben über die Wurzeln H+-Ionen an die Umgebung ab. Durch den Ersatz von H+-Ionen an den Bodenpartikeln (Adsorption) werden Nährstoffe wie Calcium oder Magnesium freigesetzt, die die Pflanzen wiederum aufnehmen kann. In der Landwirtschaft wird regelmäßig der pH-Wert kontrolliert um dem Prozess der Versauerung entgegenzuwirken.

 

Oxidation

Oxidation ist ein Verwitterungsprozess unter Einwirkung von Luft-Sauerstoff. Unter Mitwirkung von Wasser entstehen im Boden vorwiegend aus den Elementen Eisen (Fe), Mangan (Mn) und Aluminium (Al) sogenannte Oxide und Hydroxide. Die Oxidation von Eisen im Boden bedingt eine Orange- bis hin zu einer Rotfärbung. Manganoxide sind eher schwarzbraun-schwarz. Die Verwitterung geschieht durch eine Volumenänderung in der Kristallgitterstruktur durch die Anlagerung von Sauerstoff und OH-Ionen des Wassers.

 

Die Mineralneubildung

Durch die oben beschriebenen Verwitterungsprozesse werden Gesteine in immer kleinere Partikel zerlegt. Doch ist dieser Prozess keine Einbahnstraße, es kommt auch zu Mineralneubildungen im Boden. Glimmerminerale (Schichtsilikate) werden beispielsweise zu Tonmineralen umgewandelt. Durch fortschreitenden Angriff durch H+-Ionen Hydrolyse werden Kalium-Ionen aus dem Kristallgitter der Glimmer herausgelöst und beispielsweise durch H+-Ionen ersetzt (auch andere Ionen werden eingelagert). Es entstehen Dreischichttonminerale mit einer sehr hohen spezifischen Oberfläche. Hier werden später besonders viele Nährstoffe adsorbiert und gespeichert, die nach und nach an die Pflanzenwurzeln abgegeben werden können. Neben den Dreischichttonmineralen entstehen auch Zweischichttonminerale mit allerdings geringerer spezifischer Oberfläche. Auch Oxide und Hydroxide zählen im weiteren Sinne zu den Mineralneubildungen. Tonminerale haben eine Größe von kleiner 2 Mikrometern (< 2 μm).

 

Die Zersetzung und Humifikation

Zersetzung läuft in drei Phasen ab. Wenn ein Blatt im Herbst noch am Baum hängt und rot oder gelb wird beginnt die Biochemische Initialphase. Hier werden Stärke in Zucker und Eiweiß in Peptide und Aminosäuren zerlegt. Eine Umwandlung ringförmiger Verbindungen bedingt letztendlich die Verfärbung.  Hier beginnt die Bodenbildung am Baum…

In der Phase der mechanischen Zerkleinerung werden die herabgefallen Blätter (Streu) durch von bodenlebenden Tieren und Organismen bearbeitet. Die Blätter werden zernagt und sogar gefressen. Durch die Regenwürmer gelangt u.a. auf diesem Weg die organische Substanz tiefer in den Boden.

Wenn die Streu nicht mehr als Streu erkennbar ist beginnt die mikrobielle Abbauphase. Ein Teil der gewonnenen Nährstoffe wird von den Organismen selbst zum Körperaufbau benötigt. Ein anderer Teil wird als Energiequelle genutzt. Durch die Veratmung und andere Umwandlungsprozesse über die Organismen werden die ursprünglich in der Streu enthaltenen Elemente letztendlich mineralisiert, d. h. sie liegen als anorganische Endprodukte vor und werden dem Nährstoffkreislauf erneut zur Verfügung gestellt (CO2, H2O, NH4+, NO3, P, S, Ca, K, Mg, Fe, u.a.).

Als Humifikation oder Humifizierung wird die Umwandlung der organischen Substanz in Huminstoffe genannt (über die drei Phasen der Zersetzung). Huminstoffe sind ebensolche Endprodukte wie die oben genannten Anorganischen. Sie haben in etwa die gleiche Größe wie Tonminerale, sind also sehr kleine Partikel. Sie sorgen mitunter für die dunkle Farbe des humosen Oberbodens. Durch die sehr große spezifische Oberfläche sind Huminstoffe in der Lage große Mengen Nährstoffe zu adsorbieren und verzögert an die Pflanzen wieder abzugeben. Sowohl die Wasserhaltekapazität als auch die verstärkte Fähigkeit zur Bindung von Schwermetallen und organischen Schadstoffen wie Dioxinen ist in Anwesenheit von Huminstoffen erhöht.

Humus ist also ein sehr wichtiger Rohstoff bei der Pflanzenversorgung beispielsweise in der Landwirtschaft oder im eigenen Garten. Es sollte sehr sorgsam mit ihm umgegangen werden.

 

Gefügebildung

Sämtliche organischen und mineralischen Bodenpartikel sowie das Wasser und die Bodenluft sind nicht einfach ungeordnet. Durch die wechselseitigen Prozesse und die Organismen vor Ort entsteht im Boden ein sogenanntes Bodengefüge. Dies bezeichnet jeweils eine bestimmte Entstehung und Anordnung der Bodenbestandteile. Das Elementargefüge bezeichnet beispielsweise lose nebeneinanderliegende Sandkörner die ohne Probleme aus der Hand rieseln können. Als Kohärentgefüge gilt es, wenn größere Klumpen durch  Oxide- und Hydroxide, Carbonate oder organische Substanz sowie Tonminerale kohärent zusammenhängen. Aggregatgefüge wird durch Regenwürmer, genauer durch die Verklebung der Bodenpartikel im Darm der Regenwürmer aufgebaut. Deshalb wird es auch Aufbaugefüge genannt. Segregatgefüge heißt es, wenn es durch Quellung und Schrumpfung zu einem Polyeder-, Prismen-, Säulen- oder Plattengefüge kommt.

Jede Gefügeform hat eine andere Verteilung der Grob-, Mittel und Feinporen. Diese wiederum haben entscheidenden Einfluss auf den Bodenwasser- und Bodenlufthaushalt. und sind somit wichtig für die Sauerstoff- und Wasserversorgung der Pflanzenwurzeln als auch der Mikroorganismen.

 

Mobilisierung, Transport und Immobilisierung

Dieser Prozess bezeichnet in erster Linie Verlagerungsprozesse im Boden. Mobilisierung kann nur durch den Einfluss von Niederschlägen, also das Einwirken von Wasser geschehen. Die Lösung von Salzen und Hydrogencarbonaten und deren Abtransport ist eine Form der Mobilisierung. Doch können eine Mobilisierung und Immobilisierung auch chemisch von statten gehen. Tonminerale vereinzeln (dispergieren) wenn zweiwertige Ca++-Ionen fehlen und keine Schutzkolloide mehr bilden können (dadurch Verringerung der Molekülgröße). Anschließend werden die Tonpartikel mit dem Niederschlagswasser über kleine Porengänge in die Tiefe verlagert. Diesen Prozess nennt man Lessivierung (fr. lessivage = Auswaschung)  und findet bei pH-Werten zwischen 7 und 5 statt. Durch Änderungen des pH-Wertes, bzw. das Vorhandensein von dreiwertigem  Aluminium (Al3+) einige Zentimeter oder Dezimeter tiefer werden die Tonminerale wieder ausgefällt und angereichert. Es entsteht der charakteristische Tonanreicherungshorizont „Bt“.

Tonauswaschung ist nicht mit der Humusauswaschung zu verwechseln. Dies sind zwar ähnliche Prozesse die aber zu komplett anderen Bodentypen mit unterschiedlichen Eigenschaften führen.