Die einzelnen Themen sind

1. Chemische Zusammensetzung der festen Bodensubstanzen

1. Adsorption, Ionenaustausch

3. Bodenacidität, Pufferung, Kalkbedarf

4. Redoxreaktionen, Redoxpotential

5. Pflanzennährstoffe: N, S, P

6. Pflanzennährstoffe: K, Ca, Mg

7. Pflanzennährstoffe: Spurenelemente

8. Schwermetalle als anorganische Schadstoffe

9. Organische Schadstoffe

• AUTORENKOLLEKTIV "Bodenkunde", VEB Dt. Landwirtschaftsverlag Berlin, 3. Aufl. 1989.
• H.-P. BLUME (Hrsg.) "Handbuch des Bodenschutzes", Ecomed-Verlag, Landsberg/Lech, 2. Aufl. 1992.
• H. KRETSCHMER "Leitfaden der Bodenkunde", Agrarwissenschaftliche Fakultät der Univ. Rostock, 4. Aufl. 1993.
• K. MENGEL "Ernährung und Stoffwechsel der Pflanzen", Gustav Fischer-Verlag, Jena, 7. Aufl.1991.
• SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL "Bodenkunde", F. Enke-Verlag, 12. oder weitere Auflagen, Stuttgart
• D. L. SPARKS "Environmental Soil Chemistry", Academic Press, San Diego, 1995.

Bei den in Böden vorkommenden Mineralen sind petrogene (= gesteinsbürtige, primäre) und pedogene (= bodenbürtige, sekundäre) zu unterscheiden. Wichtige Vertreter der pedogenen Minerale sind die Oxide und Hydroxide des Al (Gibbsit: -Al(OH)₃), des Fe (Ferrihydrit: 5 Fe₂O₃ 9H₂O, Goethit: -FeOOH, Lepidokrokit: -FeOOH, Hämatit: -Fe₂O₃, Maghemit: -Fe₂O₃) und des Mn. Weitere bodenbürtige Neubildungen sind die Tonminerale. Ihre Grundbausteine sind SiO₄-Tetraeder und Al(OH)₆-Oktaeder, die jeweils zu Schichten miteinander verknüpft sind. Je nach Abfolge der Schichten werden 1:1- (z.B. Kaolinit, Halloysit), 2:1- (z.B. Illit, Vermikulit, Smektit) und 2:1:1-Schichtsilikate (z.B. sekundärer Chlorit) unterschieden.

Abweichend vom elektrisch neutralen Zustand in den SiO₄-Tetraedern und Al(OH)₆-Oktaedern sind einzelne Zentralatome (Si, Al) durch anderswertige ersetzt (isomorpher Ersatz). Durch den isomorphen Ersatz, z.B. von Al³⁺ durch Mg²⁺ in den Oktaedern oder Si⁴⁺ durch Al³⁺ in Tetraedern, entstehen negative Ladungsüberschüsse, die von den Mineraloberflächen in die Bodenlösung wirken und die durch gebundene Kationen neutralisiert sind.

Unter OBS versteht man alle organischen C enthaltenden Substanzen im Boden. Sie werden unterteilt in Bodenlebewesen (Edaphon) und abgestorbene OBS (Humus). Traditionell werden die OBS stofflich in Nichthuminstoffe (z.B. Zellulose, Fette, Proteine) und Huminstoffe eingeteilt. Die Huminstoffe sind bodeneigene Neubildungen, die konventionell mit NaOH/Na₄P₂O₇ extrahiert und durch Ausfällung mit HCl in Fulvosäuren (extrahierbar + HCl-löslich), Huminsäuren (extrahierbar + HCl-fällbar) und Humine (nicht extrahierbar) fraktioniert werden. Huminsäuren bestehen aus C (60 %), O (30 %), H (3 %) und N und sie enthalten funktionelle Gruppen (z.B. -OH, -COOH, -OCH₃), die ihre Reaktivität verursachen.

Moderne Strukturkonzepte beschreiben sie als Makromoleküle aus aromatischen Einheiten, die die funktionellen Gruppen tragen und die über Alkylketten zu einem flexiblen und porösen Netzwerk miteinander verküpft sind. Darin können biogene (z.B. Peptide, Zucker) und anthropogene Substanzen (z.B. organische Schadstoffe) gebunden werden. In Ackerböden ist der größte Teil (50 - 100 %) der OBS in OMK gebunden. Sie beeinflussen chemische (Bodenreaktion, Nährstoffspeicherung, Schadstoffbindung), biologische (Organismenbesatz und -aktivität) und physikalische Bodeneigenschaften (Aggregierung, Porosität, Infiltration, Wasser- und Gashaushalt). Für die bodenchemischen Merkmale sind die aus der Struktur der pedogenen Oxide und Tonminerale und aus der Dissoziation funktioneller Gruppen der OBS resultierenden Ladungseigenschaften besonders wichtig.
 

Die KAK von Böden wird durch die Anteile (z.T. auch Eigenschaften) der wichtigsten Austauscher (Schluff- < Tonfraktionen mit Zweischicht- < Dreischicht-Tonminerale und nicht quellfähige < quellfähige < gebundenen OBS < extrahierte Huminstoffe) bestimmt (Tab. 1/1). Dem entsprechend steigen die KAK bei gleichem OBS-Gehalt in der Reihe Sande < Lehme < Tone (Tab. 1/2) bzw. innerhalb die Hauptbodenarten mit zunehmenden Ton- und Schluffgehalten. Aufgrund der großen KAK der OBS ist es möglich, das Bindungsvermögen für kationische Nährstoffe durch Bewirtschaftungsmaßnahmen in einem bestimmten Rahmen zu verbessern (Tab. 1/3). Liegen keine Meßdaten über die KAK von Böden vor, so liefern Schätzverfahren (Bodenkundliche Kartieranleitung KA 4; Multiple Regressionen nach THIERE et al. 1986, Arch. Acker- u. Pfl.bau Bodenk. 30: 211-218) brauchbare Näherungswerte.

Ursache der Anionenadsorption sind positive Ladungen (Protonierung von Al/Fe-OH-Gruppen unspezifische Sorption) und die Affinität von Austauschern zu einigen Anionen (Al/Fe-OH zu PO₄^3- spezifische Sorption). Die Anionenadsorption steigt mit Verringerung des pH-Wertes und es gilt im allgemeinen die Rangfolge PO₄^3- = AsO₄^3- > H₂SiO₄^2- > MoO₄^2- >> SO₄^2- > Cl^- = NO₃^-. Hieraus kann abgeleitet werden, daß sich die Anionen zweier Hauptnährstoffe der Pflanzen (N und P) sehr stark in ihrem Bindungsverhalten unterscheiden und ihre zeitweise unzureichende Verfügbarkeit u.a. sowohl aus geringer (PO₄^3-) als auch aus sehr hoher Mobilität (NO₃^-) resultieren kann. Anstelle einer Anionenaustauschkapazität wird die Bindungsfähigkeit von Böden für Anionen meist durch Aufnahme von Adsorptionsisothermen bestimmt, wobei hauptsächlich zwei mathematische Formulierungen (FREUNDLICH-, LANGMUIR-Gleichung) angewendet werden.
 

Die Acidität wird in Boden-Lösungs-Suspensionen in Form des pH-Wertes gemessen. Zur Herstellung der Suspension können sowohl Wasser (aktuelle Acidität) als auch CaCl₂-Lösung (aktuelle + Teil der Austauschacidität) verwendet werden. Entsprechend ihrer pH-Werte werden neutrale sowie mehrere Stufen saurer und alkalischer Böden unterschieden (s. Tabelle).

Unter humiden Klimabedingungen gibt es eine natürliche Tendenz zur Versauerung der Böden (Durchsickerung, Auswaschung, Entkalkung, Nährstoffaufnahme und Wurzelausscheidungen der Pflanzen, Umsetzungen der OBS), die durch die Auswirkungen der landwirtschaftlichen (physiologisch saure Dünger, NH₃-Emissionen) und industriellen Tätigkeit (Emissionen von Oxiden des S und N und deren Eintrag in Böden z.T. nach atmosphärenchemischen Umsetzungen: "saurer Regen") noch verstärkt wird.

Böden können Reaktionsverschiebungen bei Zufuhr von H oder OH abfangen (= puffern). Dabei werden verschiedene Puffersysteme wirksam (Carbonat/Hydrogencarbonat: pH 7-8; variable Ladungen: pH 5,7-4,9; Hydrolyse von Silikaten: pH 5-4,2; Protonierung von pedogenen Oxiden, Dekomplexierung von Al-organischen Verbindungen: pH < 4,2). Im stark sauren pH-Bereich ist die Pufferung jedoch mit einer Zerstörung der puffernden Substanzen verbunden. Der zur Aufrecherhaltung eines optimalen Boden-pH notwendige Kalkbedarf ergibt sich aus anzustrebenden pH-Werten und Puffervermögen entsprechend Bodenart und OBS-Gehalt. Er kann m.H. von Nomogrammen bestimmt (vgl. Übung) sowie nach pH-Messung in CaCl₂ und Ca-Acetat aus Tabellen abgelesen werden (VDLUFA-Vorschrift).
 

Das Redoxpotential Eh [mV] ist ein Maß für die Aktivität der reduzierten und oxidierten Stoffe in einem System. Es kann elektrometrisch als Potential zwischen einer Platin- und einer Bezugselektrode gemessen werden. Weitere Kennwerte zur Beschreibung des Redoxstatus von Böden sind die Elektronenaktivität pe und der Wasserstoffionendruck rH.

Die Kenntnis der Redoxpotentiale (Eh) bzw. der daraus abgeleiteten Parameter, pe und rH, ermöglicht Diagnosen der ablaufenden Bodenprozesse. Beispiele dafür sind Eh-pH-Stabilitätsdiagramme, aus denen das Vorhandensein verschiedener Fe- und Mn-Oxide bei Variation der Eh- und pH-Werte abgeleitet werden kann (vgl. Abbildungen). Dies hat praktische Bedeutung für die Bindung und Mobilität von Nähr- und Schadstoffen, insbesondere für solche, die eine starke Affinität zu den pedogenen Oxiden haben. Umgekehrt ermöglichen Felddiagnosen der redoximorphen Merkmale Rückschlüsse auf die vorherrschenden rH bzw. Eh (vgl. Tabelle mit DVWK-Vorschriften).

Neuere Publikationen über Ergebnisse von periodischen bzw. kontinuierlichen Eh-Messungen in Böden (vgl. Abbildungen) belegen insbesondere die große Variabilität der Redoxbedingungen, sowohl in Bodenprofilen als auch im zeitlichen Verlauf.
 

Wichtige Aspekte einer allgemeinen Bilanz der Nährstoffe in Böden (vgl. Abbildung) sind die Anteile bzw. Vorräte an (1) gelösten Nährstoffen, (2) nährstofführenden Mineralen, (3) schwerlöslichen Verbindungen, (4) Nährstoffen in organischer Bindung, (5) adsorbierten und desorbierbaren Nährstoffen sowie (5) Zufuhren durch die Atmosphäre und mit Düngern und (6) Austräge mit Ernteprodukten und durch Auswaschung/Erosion und Verfüchtigung.

Stickstoff (N) liegt im Boden in organischer Bindung (Humus, Biomasse), in Mineralen, adsorbiert (NH₄⁺) und gelöst vor (NH₄⁺, NO₃^-) (vgl. Abbildung). Hauptprobleme bei der Steuerung des N-Kreislaufs sind fehlende Kenntnisse über die chemische Zusammensetzung und ökologische Bedeutung der organischen N-Verbindungen und die unsichere Vorhersagbarkeit der mikrobiologisch gesteuerten N-Umsetzungen. Zusammen mit hohen Einträgen durch Düngung führen diese Faktoren zu unerwünschten N-Austrägen aus Böden, z.B. in Form von Gasen (N₂, N₂O) und gelösten Ionen (NO₃^-).

Schwefel (S) kann im Boden gelöst (SO₄^2-) sowie in mineralischen (z.B. Gips, Pyrit) und organischen Verbindungen (Ester, Peptide) vorliegen. Die S-Umsetzungen im Boden (s. Abbildung) können biotisch oder abiotisch ablaufen, wobei die Redoxbedingungen entscheidend für die Reaktionsprodukte sind. Bei relativ großer S-Auswaschung und niedrigen S-Einträgen (z.B. in industriefernen Gebieten) kann die Nachlieferung aus dem Boden unzureichend für S-intensive Kulturen sein.

Phosphor (P) liegt im Boden hauptsächlich adsorbiert (vgl. spezifische Anionenadsorption) sowie in Form anorganischer (Fe-/Al-, Ca-Phosphate) und organischer Verbindungen (Ester der Phytinsäure, Phospholipide, Nukleotidphosphate) vor. Die Anteile an gelöstem P hängen ab von Art der vorhandenen P-Verbindungen (Löslichkeit: Dihydrogen-PO₄ > Monohydrogen PO₄ > Octo-Ca-PO₄ > Apatit), pH und Redoxpotential (Einfluß auf adsorbiertes PO₄ und pedogene Oxide) und biologischer Aktivität (Umsetzung von organischen P-Verbindungen). Pflanzenverfügbares P wird nach Extraktion mit DL photometrisch bestimmt (vgl. Übung). Die P-Versorgung der Böden in M-V ist durch 30 % (Acker) bis 40 % (Grasland) unterversorgter Böden gekennzeichnet (s. Abbildung). P-Überversorgung und P-Austräge, die zur beschleunigten Gewässereutrophierung führen, sind vor allem aus Regionen mit hoher Viehdichte bekannt.
 

Calcium (Ca) kann im Boden in Form von Ca-haltigen Mineralen (Calcit, Dolomit, Gips, Ca-Na-Feldspäte, Pyroxene, Amphibole) vorkommen. Da diese leicht löslich bzw. leicht verwitterbar sind, liegt ein Großteil des Ca adsorbiert und austauschbar vor. Der Ca-Gehalt der Böden wird weiterhin durch die Ca-Düngung beeinflußt (Bsp.: Superphosphat enthält Gips). Neben der Einstellung eines optimalen pH (vgl. pH, Pufferung, Kalkbedarf) ist die positive Wirkung der Ca²⁺-Ionen auf die Koagulationder negativ geladenen Tonpartikel und die daraus resultierende Aggregierung und Gefügeverbesserung ein wichtiges Ziel der Düngung mit Ca. Die Ca-Auswaschung kann je nach Ca-Vorrat der Böden erhebliche Ausmaße annehmen, z.B. 30 kg/ha a (Sand, Kiefer) bis 260 kg/ha a (Löß, Acker).

Magnesium (Mg) kommt in den Mineralen Olivin, Serpentin (28 % Mg), in Amphibolen, Pyroxenen, Biotit (8 % Mg) sowie in Magnesit, Dolomit und Calcit (1-3 % Mg) vor. Pflanzenverfügbar sind die wasserlöslichen und austauschbaren Mg-Anteile; sie sind besonders hoch in Salzböden, Marschen, Niedermooren sowie in Böden aus Mg-reichen Gesteinen (z.B. Basalt). Austräge durch Mg-Auswaschungen und -Pflanzenentzüge betragen zusammen etwa 10-40 kg/ha a. Düngeempfehlungen werden auf Basis der Gehalte an CaCl₂-extrahierbarem Mg abgeleitet. Der Mg-Status der Böden in M-V ist durch Zunahmen der Anteile an unterversorgten Ackerböden (Gehaltsklassen A und B: 1996 etwa 60 %) charakterisiert (s. Abbildung).
 

Mangan (Mn) kommt im Boden hauptsächlich in Form verschiedener Oxide vor, wobei die Wertigkeitsstufen 2+, 3+ und 4+ möglich sind. Die Mn-Löslichkeit ist gleichfalls abhängig von pH und Redoxpotential. Pflanzenverfügbar sind gelöstes und adsorbiertes Mn²⁺; die Verfügbarkeit ist besser bei feiner, gleichmäßiger Verteilung des Mn. Mangel kann auftreten in kalkhaltigen Niedermooren während überhöhte Mn-Aufnahme bis zur Toxizität auf sauren Böden mit niedrigem Eh möglich ist. Zur Untersuchung der Mn-Versorgung werden Extraktionen mit EDTA und mit Na-Sulfit als Reduktionsmittel angewendet.

Molybdän (Mo) ist in Feldspäten, Biotit, Olivin und Molybdänit (MoS₂) enthalten. Sie verwittern leicht und liefern pflanzenaufnehmbare Molybdate (HMoO₄^-, HMoO₄^2-). Diese können durch Ligandenaustausch an Fe-Oxide gebunden sein (vgl. spezifische Anionensorption). Wegen der pH-Abhängigkeit dieser Bindung sind versauerte Böden am ehesten an Mo verarmt, allerdings ist der Bedarf der Pflanzen niedriger als bei anderen Spurenelementen.

Bor (B): Wichtigstes B-haltiges Mineral ist der Thurmalin, bei dessen Verwitterung verfügbares B frei wird. In der Bodenlösung liegt B hauptsächlich in Form der sehr schwachen Borsäure B(OH)₃ vor, außerdem bilden organische B-Komplexe eine wichtige B-Reserve. Zur Untersuchung der Gehalte an pflanzenverfügbarem B wird die Heißwasserextraktion angewendet. Vor allem tonarme und podsolierte Böden müssen regelmäßig mit B gedüngt werden.

Zink (Zn) kommt in Feldspäten, Biotit, Amphibolen und Pyroxenen vor, es kann aufgrund des ähnlichen Ionenradius Fe im Kristallgitter ersetzen. Zn-Ionen werden relativ fest an pedogene Oxide und OBS gebunden. Die Gehalte in der Bodenlösung steigen mit Verringerung des pH. Zn-Mangel kann vor allem in alkalischen Böden auftreten; bei hohen Gehalten sind auch toxische Wirkungen möglich. Zur Erfassung verfügbarer Anteile werden verschiedene Extraktionen angewendet (CaCl₂, EDTA, heiße HNO₃).

Kupfer (Cu) kommt in verschiedenen Mineralen, z.T. als isomorpher Ersatz, und in OBS vor. Mangel kann auf Standorten mit hohen OBS-Gehalten auftreten (Heidemoorkrankheit), Toxizität ist bei hohen Gehalten ebenfalls möglich. Für die Ableitung von Düngeempfehlungen wird eine Extraktion mit heißer HNO₃ durchgeführt. Zn und Cu haben nicht nur Bedeutung als Pflanzennährstoffe, sondern auch als anorganische Schadstoffe (s. folgende Seite: Schwermetalle).
 

Anthropogene Anreicherungen in Böden werden durch Bergbau, Industrie, Verkehr, Abfallverwertung und Landwirtschaft verursacht. Deshalb ist mit erhöhten Gehalten zu rechnen z.B. in der Nähe von metallverarbeitenden Betrieben (Ni, Pb, Zn), von Straßen (Pb), in Flächen mit Klärschlammanwendung, in Rieselfeldern, in Auen kontaminierter Flüsse, in Spülfeldern, in Kleingärten (As, Cd, Cu, Hg, Zn) und in Flächen mit hoher Zufuhr mineralischer und organischer Dünger (Cd, Cu, Zn).

Zur Untersuchung und Beschreibung anthropogener Anreicherungen können Gesamtgehalte (Vergleich mit Ausgangsgestein, mit Orientierungs-, Richt- oder Grenzwerten, z.B. AbfKlärV), gelöste und leicht mobilisierbare Anteile (EDTA, CaCl₂, NH₄NO₃), Adsorptionsisothermenen (Relationen zwischen adsorbierten und gelösten Anteilen: FREUNDLICH-Isotherme, vgl. Abbildungen zu Unterschieden zwischen Metallen, Böden) sowie Transferkoeffizienten Boden/Pflanze genutzt werden.

Zwischen den einzelnen Metallen gibt es große Unterschiede hinsichtlich (1) wichtigster Eintragsquellen (vgl. Tabellen), (2) ihrer Löslichkeit (Cd >Zn >Ti >Ni >Cu >As = Cr >Pb >Hg bei gleichen Gehalten an adsorbierten Metallen), (3) der Aufnahme durch Pflanzen (Cd, Zn > Cu, Ni >Cr, Hg, Pb) und (4) der potentiellen Toxizität (Hg, CrVI, Cd > Ni, Cu, Pb, Zn). Die Bindung der Schwermetalle im Boden erfolgt vor allem an OBS, pedogenen Oxiden und Tonmineralen. Beispielsweise werden Cd, Cu, Hg und Zn stärker durch die OBS gebunden, während mineralische Komponenten besonders wichtig sind für die Bindung von Co, Cr, Ni und Pb. Darüber hinaus üben pH und Redoxpotential einen starken Einfluß auf Bindung und Löslichkeit der Metalle aus. So verringern sich die Grenz-pH für erhöhte Anteile löslicher Metalle in der Reihe Cd (6,5) > Zn (5,3) > Cu (4,5) > Pb (3,5) (HORNBURG & BR&UUML;MMER, Z. Pflanzenernähr. Bodenk., 156, 1993, 467-477). Die Erkenntnisse über Zusammenhänge zwischen Bodenzusammensetzung, -eigenschaften und Bindungsvermögen wurden in Schätzverfahren zur Ermittlung der relativen Bindungsstärke für Schwermetalle eingearbeitet; sie werden z.B. in Bodeninformationssystemen genutzt.
 

Ein Teil der applizierten Pflanzenschutzmittel unterliegt auch bei sachgemäßer Anwendung vielfältigen Verteilungs- (Verdriftung, Erosion, Verdampfung, Versickerung) und Umwandlungsprozessen (photochemischer Abbau, chemische sowie biotische Umwandlung). Diese Xenobiotika bzw. ihre Metaboliten können durch Adsorption (Ladungseigenschaften) und andere Bindungen mit unterschiedlicher Festigkeit von Bodenteilchen gebunden werden. Die Relationen zwischen gebundenen und gelösten Anteilen werden meist gut durch die Adsorptionsisotherme nach FREUNDLICH beschrieben (vgl. Schwermetalle). Wegen der Bedeutung der OBS für die Bindung werden die Adsorptionskonstanten "k" häufig auf den C_org-Gehalt des Bodens bezogen (k_oc). Die Abbaubarkeit der Pflanzenschutzmittel in Böden ist sehr unterschiedlich; sie kann Zeitspannen von <6 Wochen bis >3 Jahren umfassen, wobei die Temperatur einen starken Einfluß hat.

Die Vorstellung weiterer organischer Schadstoffe bzw. Schadstoffgruppen beschränkt sich auf solche, für die bereits Hintergrund- und Referenzwerte vorliegen (vgl. Tabelle). Polychlorierte Biphenyle (PCB) sind hydrophob, wenig wasserlöslich und werden sehr stark an die OBS gebunden. Sie sind gering mobil und werden extrem langsam abgebaut. Polychlorierte Dibenzodioxine/furane (PCDD/F) sind extrem toxisch und besitzen eine große Stabilität. Zu dieser Gruppe gehört das 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo[1,4]dioxin ("Seweso-Dioxin"), auf dessen Toxizität (= 1) die Gehalte der anderen PCDD/F mit Hilfe von Toxizitätsäquivalentfaktoren umgerechnet werden [Gehaltsangaben in ng Toxizitätsäquivalente/kg]. Hexachlorbenzol (HCB), Pentachlorphenol (PCP) und Hexachlorcyclohexan (HCH) wurden früher als Pestizide genutzt bzw. entstanden als Abfallprodukte bei deren Herstellung. Sie werden stark durch die OBS gebunden (k_oc bis 12000) und demzufolge nur langsam abgebaut.

Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) umfassen eine Gruppe von >100 Verbindungen, die aus 3 oder mehr kondensierten aromatischen Ringen bestehen. Sie entstehen bei unvollständigen Verbrennungen; einige, z.B. Benzo(a)pyren (B(a)P), gelten als giftig und krebserregend. Einträge in Böden erfolgen durch die Atmosphäre, Klärschlämme und Abwässer. In Böden werden sie bevorzugt durch die OBS gebunden. Der Abbau erfolgt langsam; die Halbwertszeiten können zwischen <1 und mehreren Jahren liegen.

Neben den Hintergrund- und Referenzwerten (Tabelle) gibt es für mehrere der organischen Schadstoffe auch Prüfwerte, nutzungs- und schutzgutbezogene Orientierungswerte sowie Grenzwerte im Rahmen der Klärschlamm-Anwendungsverordnung (vgl. "Handbuch des Bodenschutzes", Kap. 4.8.6).