Lehrprofile 1 + 2: Organischer und mikrobieller Kohlenstoff

In den meisten landwirtschaftlich genutzten Oberböden macht die Masse der organischen Bodensubstanz nur wenige Prozent aus. Sie hat aber einen entscheidenden Einfluss auf viele Bodenfunktionen und spielt eine zentrale Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Der Kohlenstoffgehalt ist daher ein differenzierendes Kriterium bei der Profilbeschreibung und Klassifikation des Bodens und informiert über potentielle Nährstoffumsätze insbesondere N und P.

Organischer Kohlenstoffspeicher:
Bei Bodenuntersuchungen werden häufig die Corg-Gehalte verglichen (g/kg). Hinsichtlich der Klimawirksamkeit und auch zur Abschätzung der durch Mineralisierung der organischen Substanz freigesetzten N-Mengen ist aber die Angabe als Menge pro Fläche viel wichtiger. Beide Profile zeigen, dass nicht zwangsläufig der oberste Horizont mit den höchsten Gehalten auch den größten Kohlenstoffspeicher darstellt. Die beiden Profile unterscheiden sich hinsichtlich der gespeicherten Menge an organischem Kohlenstoff. Profil 2 zeigt eine geringere Speicherung, hauptsächlich aufgrund der kohlenstoffreien Gesteinsbänke im Unterboden (II Bt-Sw). Einzelne Unterbodenhorizonte zeigen höhere Speicherung an organischem Kohlenstoff als die obersten Oberbodenhorizonte. Geringere Gehalte werden durch größeres Volumen und höhere Lagerungsdichte überkompensiert. In Profil 1 wäre die Gesamt-C-Speicherung im Unterboden deutlich höher, würde man den Kohlenstoff im Kalk (Canorg) mitberechnen.

Die Berechnung der gespeicherten Kohlenstoffmenge ergibt sich aus der Multiplikation von Horizontvolumen, Lagerungsdichte und Gehalt.
Beispiel:
Ein 10cm mächtiger Bodenhorizont ergibt pro m² ein Volumen von 100l. Ist die Lagerungsdichte 1,5 kg pro l ergibt sich ein Gewicht von 150kg. Ist der Corg-Gehalt 2% ergibt sich daraus eine Menge von 3 kg pro m².
Menge in kg m-² = Volumen (l m-²) * Lagerungsdichte (kg l-¹) * Gehalt * (%)

Mikrobiell gebundene Kohlenstoffmengen:
Auch beim mikrobiell gebundenem Kohlenstoff (Cmic) sieht man die gleichen Trends wie beim organisch gebundenem Kohlenstoff (Corg). Hervorzuheben ist, dass selbst in den tiefsten Horizonten noch mikrobielle Biomasse vorzufinden
ist. In Profil 2 erhöht sich der Anteil von Cmic an Corg von 3% im Ober- auf 7% im Unterboden.

Das aktuelle Ackerprofil (2) zeigt für die gepflügten Horizonte (Ap) typisch niedrige Corg-Gehalte. Am stillgelegten ehemalige Ackerstandort (1) differenziert sich der Gehalt aufgrund der Grünlandvegetation stärker mit der Tiefe, mit höheren Gehalten im Hauptwurzelraum der Gräser. Da die organische Substanz von der Bodenoberfläche geliefert wird, nehmen die Corg-Gehalte generell mit der Tiefe ab. Das Corg/Nt-Verhältnis ist typisch für Ackerstandorte (ca. 10) und nimmt auch mit der Tiefe ab, da im Unterboden die Mikroorganismen einen größeren Anteil der Biomasse stellen. Die untypischen Corg/Nt-Verhältnisse in den jeweils beiden untersten Horizonten weisen auf analytische Probleme hin. (Profil 1 Differenzierung des anorganischen C (Kalk), Profil 2 Nachweisgrenze).

Lehrprofile 1 + 2: Bodenchemische Eigenschaften

Hinsichtlich der bodenchemischen Eigenschaften interessieren den Landwirt vor allem diejenigen, die ihm eine Information zu Pflanzenährstoffen und deren Verfügbarkeit geben. Ergebnisse für vier wichtige Methoden werden im Folgenden für die zwei Lehrprofile dargestellt.

1. Die Bodenreaktion (pHCaCl2):
Der pH-Wert informiert über die Nährstoffverfügbarkeit und das aktuell wirkende Puffersystem, also z.B. darüber ob und wieviel gekalkt werden muß. Hinsichtlich der Nährstoffverfügbarkeit liegt der optimale pH-Bereich zwischen 5,5 und 6,5.
Liegt der pH-Wert darüber, ist noch Karbonat (Kalk) vorhanden. Der niedrige Oberboden-pH-Wert in Profil 1 zeigt, dass der Grünlandstandort seit längerer Zeit nicht mehr gekalkt worden ist, da er aus der Nutzung genommen wurde. Die hohen Unterboden-pH-Werte indizieren dort im Gegensatz zu Profil 2 den noch aus dem ursprünglichen Löss vorhandenen Kalkanteil.

2. Die Kationenaustauschkapazität (KAKpot):
Die potentielle KAK ist ein Maß für die Anzahl von Ladungen an den Oberflächen der Minerale und der organischen Bodensubstanz, and denen Nährstoffkationen (Ca, Mg, K) adsorbiert werden können und ein Indikator für die potentielle Fruchtbarkeit des Bodens. Je geringer der pH-Wert, desto geringer der Anteil verfügbarer Nährstoffe an diesen Oberflächen. Die potentielle KAK ist in allen Horizonten hoch und ähnlich. Sie ergibt sich aus dem Gehalt an organischer Substanz, dem Tongehalt und der Tonmineralzusammensetzung. Der hohe Wert im Oberboden von Profil 1 liegt in der Wurzelzone der Grasvegetation (höchster Wert für die organische Substanz). Der niedrigste Wert im Unterboden von Profil 2 ist bedingt durch die Tonmineralzusammensetzung (Dominanz des Zweischichttonminerals Kaolinit).

3. Die Basensättigung (BS):
Die BS zeigt an, wie viele von welchen Kationen an der KAK beteiligt sind. Dabei wird unterschieden in saure (Al, H) und neutrale Kationen (Mg, Ca, Na, K). Die BS bezeichnet den relativen Anteil (in %) der Neutralkationen an der potentiellen Kationenaustauschkapazität und wird mit folgender Formel berechnet. Ist der pH-Wert des Bodens ≥ 7, sind alle Austauscherplätze mit Neutralkationen belegt, dann beträgt die Basensättigung 100%. Mit sinkendem pH-Wert sinkt auch die Basensättigung, da die basischen Kationen durch die sauer wirkenden Kationen (H+, Al3+) verdrängt werden (Abb.1). Bei schwach sauren pH-Werten können Tonminerale dispergieren und in tiefere Horizonte verlagert werden (Tonverlagerung - Parabraunerde). Typisch für unsere mitteleuropäischen Böden ist, dass der größte Teil der Basensättigungdurch das Calcium (Ca) gestellt wird (Ca>Mg>K>Na). Die Horizonte mit pH-Werten um 7 erreichen eine Basensättigung von 100%. Bei niedrigeren pH-Werten sinkt sie schnell ab. Düngung und Kalkung beeinflussen den Status quo im Oberboden, insbesondere hinsichtlich K und Ca.

4. Das pflanzenverfügbare P und K:
Die pflanzenverfügbaren Nährstoffe Phosphor und Kalium sind abhängig vom Puffersystem (z.B. Carbonatpuffer) im Boden. Deshalb ist die Pflanzenverfügbarkeit abhängig vom pH-Wert. Zur Bestimmung können unterschiedlichste Extraktionsverfahren angewandt werden (national: CAL; international P-Bray). Das schon länger aus der Nutzung genommene Profil 1 zeigt niedrigere Werte als der aktuelle Ackerstandort (Profil 2). Die Bewertungsklassen von optimal bis sehr hoch sind Zeugen der langjährigen Düngungspraxis. Parabraunerden sind von Natur aus relativ reich an pflanzenverfügbarem K. Die Düngung sollte an das ökonomisch optimale Niveau angepaßt werden.

Lehrprofile 1 + 2: Bodenphysikalische Eigenschaften

Hier werden die physikalischen Eigenschaften der Bodenprofile im Lehrgarten verglichen. Thema sind die Körung, dieWasserspeicherkapazität und die Lagerungsdichte.

Körnung: Beide Profile zeigen eine Dominanz der Schlufffraktion. Gewichtsanteile >65% sind ein Indikator auf Löß als Ausgangsgestein (gesamtes Profil 1, Oberboden Profil 2). In Profil 2 ist die geologische Schichtung (römische Ziffern II und III) klar durch den plattigen Sandsteinhorizont und den hohen Tongehalt im untersten Horizont erkennbar. Die Schichtung verschieden alter Lösse übereinander in Profil 1 wird erst erkennbar bei der Betrachtung des Grobschluff/Mittelschluff-Verhältnisses (nicht gezeigt).

Porenverteilung: Als Faustzahl enthält ein Boden ca. 50 Vol. % Festsubstanz. Der Rest sind Grobporen (Luftkapazität), Feinstporen (Totwasser) und Mittelporen. Der Anteil der Mittelporen ist entscheidend für die Wasserversorgung der Pflanzen. Er stellt die nutzbare Feldkapziät = pflanzenverfügbares Wasser. Je geringer die Lagerungsdichte und je höher der Anteil organischer Bodensubstanz, desto höher fällt diese Größe aus.
Wir sehen, dass das Grünlandprofil (Lehrprofil 1) hier die Nase eindeutig vorn hat. Die Wasserverfügbarkeit in Lehrprofil 2 wird weiter eingeschränktdurch die geringe physikalische Gründigkeit (Steinlagen als Durchwurzelungshemmnis).

Die Lagerungsdichten der obersten Horizonte liegt in einem normalen Bereich. Der Ap2 in in Profil 2 zeigt hingegen eine deutliche Verdichtung als Hinweis auf:
1. Mechanische Rückverdichtung nach der lockernden Bearbeitung (z.B. Packer- oder Walzeneinsatz)
2. Natürliche Rückverdichtung durch Eigengewicht
3. Den Einfluß der extremen Trockenheit bei der Probenahme.

Lehrprofile 1 + 2: Feldansprache versus Laboranalyse

Die Feldansprache ermöglicht dem erfahrenen Bodenkundler eine schnelle semi-quantitative Bewertung des Standortes hinsichtlich der Pflanzenproduktion. Mit einfachsten Mitteln können Variablen gemessen oder geschätzt werden, die Aufschluss darüber geben, wofür der Boden geeignet ist. Braucht man also noch eine zeitintensive und teure Laboranalyse?

Im Feld untersuchte Eigenschaften:
Bodenart, Kies + Steine (Vol.-%), Bodenfarbe, pH-Wert (CaCl2), Karbonatgehalt (Kalk) (Gew.-%), Lagerungsdichte(kg/dm³), Durchwurzelungsintensität, Durchwurzelungstiefe, Gefügestabilität, Gefügeform, Besonderheiten
Daraus abgeleitete Parameter:
Humusgehalt (Gew.-%), Humus (kg/m²), Stickstoff-Vorrat (kg/m²), Gesamtporenvolumen (GPV), Luftkapazität (LK), nutzbare Feldkapazität (nFK), Feldkapazität (FK), Erodierbarkeit, Basensättigung / S-Wert, effektive Kationenaustauschkapazität (KAKeff) (fettgedruckte Parameter sind für die Bewertung wichtig).

Begriffserläuterungen:
Bodenart: Korngrößenzusammensetzung von Böden
Lagerungsdichte: Packungsdichte der Festsubstanz des Bodens
Gesamtporenvolumen: Anteil der Hohlräume am gesamten Volumen; kann mit Bodenwasser oder –luft gefüllt sein
Feldkapazität: Wassermenge, die gegen die Schwerkraft im Boden gehalten werden kann
Luftkapazität: Porenvolumen des Bodens, das bei Feldkapazität mit Luft gefüllt ist
nutzbare Feldkapazität: Wassermenge des Bodens, der für Pflanzen potentiell verfügbar ist
Kationenaustauschkapazität: Maß für die Menge an positiv geladenen Ionen (Kationen), die an Tonmineralen und organischer Substanz gebunden werden können
Basensättigung: prozentualer Anteil von Neutralkationen (Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium) an der Kationenaustauschkapazität

Fazit:
Beide Verfahren führen zu sehr ähnlichen Ergebnissen, mit in der Tendenz besseren Bewertungen in der Feldansprache.
Wie sind die Unterschiede zu erklären?
➢Bei der Feldansprache ist für viele abgeleitete Eigenschaften die
richtige Bestimmung der Bodenart wichtig. Diese hängt stark von der
Erfahrung des Bearbeiters ab.
➢Die Volumenproben für die Labormessung der physikalischen Eigenschaften wurden unter ungünstigen Verhältnissen (extreme Trockenheit) genommen. Dies führt zu Ergebnisverfälschungen.
➢pH-Wert-Messungen sind im Feld ungenauer.
Wir sehen: beide Verfahren haben unterschiedliche Fehlerquellen. Eine Laboranalyse liefert nicht zwangsläufig bessere Ergebnisse. Wenn man darauf achtet, dass die Bodeneigenschaften genau angesprochen werden, dann ist eine Feldansprache für die meisten Zwecke ausreichend.

Lehrprofile 1 + 2: Mineralzusammensetzung

Die Untersuchung der Mineralzusammensetzung von Böden ermöglicht Schlüsse über das Ausgangsmaterial, die Bodenentwicklung sowie über möglicherweise vorhandene Schichtungen (Änderungen der Ausgangsmaterialien mit der Tiefe in einem Bodenprofil).

Profil 1:
Glimmer (Schicht-, Blatt- oder Phyllosilikate) Der Glimmer Muskovit konnte in allen Horizonten in geringen Anteilen nachgewiesen werden.
Feldspäte (Gerüstsilikate) Es wurden in allen Horizonten geringe Mengen an Feldspäten gefunden. Es ließen sich die Feldspäte Orthoklas, Albit und Mikroklin identifizieren.
Carbonate (Verbindungen, die das Carbonatanion CO32- enthalten)
Carbonatgehalte liefern uns wichtige Hinweise auf die Art des Ausgangsmaterials. Auch über den Stand der Bodenentwicklung lassen Carbonatgehalte Schlüsse zu, da die Carbonate unter unseren Klimabedingungen normalerweise im Zuge der Bodenentwicklung/Verwitterung ausgewaschen werden.
Es wurden in den beiden untersten Horizonten Carbonate nachgewiesen, wobei in beiden Horizonten Calcit (CaCO3) gefunden wurde und im untersten Horizont zusätzlich Dolomit (CaMg(CO3)2). Calcit kommt primär vor, kann sich aber auch sekundär nach Auflösung und Transport an anderer Stelle im Bodenprofil durch Ausfällung bilden. In dem vorliegenden Profil stammt der Calcit vermutlich teils aus dem Ausgangsmaterial, teils aus der Auswaschung von Carbonaten im Oberboden und teils aus Einwaschungen aus Kalkung bei landwirtschaftlicher Nutzung in der Vergangenheit. Der Dolomit ist ein typisches Primärcarbonat weshalb angenommen werden kann, dass der Dolomit aus dem Ausgangsgestein stammt.
Der ansteigende Illitgehalt von unten nach oben weist auf eine Illitisierung, also die Umwandlung von Vermikulit zu Illit durch Kaliumzufuhr aus landwirtschaftlicher Düngung in der Vergangenheit hin. Die Zunahme des Smektits von oben nach unten im Profil ist ein Hinweis auf Tonverlagerung hin. (Smektit als neugebildetes Tonmineral hat einen kleinen Durchmesser und wird dadurch leichter verlagert). Der höhere Kaolinitgehalt im Oberboden ist eine Indiz für chemische Verwitterung.

Profil 2:
Glimmer (Schicht-, Blatt- oder Phyllosilikate) Wie in Profil 1 wurde auch in diesem Bodenprofil der Muskovit als einziger Glimmer identifiziert. Der geringfügig höhere Glimmergehalt im untersten Horizont kann als Hinweis auf eine Schichtung gedeutet werden.
Feldspäte (Gerüstsilikate) Bei den Feldspäten wurden in diesem Profil ebenfalls Orthoklas und Albit identifiziert, nicht jedoch Mikroklin, wie im vorigen Profil. Es ist auffallend, dass im untersten Horizont keine Feldspäte vorhanden sind, wogegen in den oberen 3 Horizonten geringe Mengen nachgewiesen wurden. In Horizont 4 wurden nur Spuren von Feldspäten gefunden. Dieser Befund ist wiederum ein Hinweis auf Schichtung: Die obersten drei Horizonte bilden ein Schichtpaket aus Löß, Horizont 4 mit den Sandsteinpaketen bildet die zweite Schicht und der unterste Horizont (5) eine weitere.
Carbonate (Verbindungen, die das Carbonatanion CO32- enthalten) Das Profil ist carbonatfrei, dies lässt sich durch Carbonatauswaschung/Verwitterung, sowie durch den Angulatensandstein erklären, der als Ausgangsmaterial in Horizont 4 identifiziert wurde und keine Carbonate aufweist.
Tonminerale (geogene oder pedogene Schichtsilikate in der Fraktion kleiner als 2μm) Auch in diesem Profil weist der abnehmende Illitgehalt von oben nach unten auf eine Illitisierung hin. Der erhöhte Smektitgehalt in Horizont 3 im Vergleich zu Horizont 1 lässt sich durch Tonverlagerung erklären. Dass im untersten Horizont der Smektitgehalt wieder stark abnimmt deutet auf ein Hindernis hin, das die Tonverlagerung behindert. Dieses Hindernis wird durch die horizontale Einregelung der Angulatensandsteine in Horizont gebildet.
Der deutlich erhöhte Kaolinitgehalt in den unteren beiden Horizonten (Gehalt in Horizont 4 wurde semi-quantitativ in der Gesamtmineralogieanalyse ermittelt), ist ein klarer Hinweis auf eine Änderung im Ausgangsmaterial und somit auf eine Schichtung. Es kann davon ausgegangen werden, dass die erhöhten Kaolinitgehalte aus dem Ausgangsgestein also dem Angulatensandstein stammen. Im untersten Horizont wurden zwar keine Sandsteine gefunden; der verwittertet Tonstein gehört aber auch zur Angulatensandstein-Formation.