Die Bodenluft

Bodenluft, Bodenwasser sowie Porengröße und -verteilung stehen zueinander in enger Beziehung. Bodenluft und Bodenwasser „konkurrieren“ um den gleichen Porenraum. Grundsätzlich enthalten alle Poren, die nicht mit Wasser gefüllt, Luft. Dabei sickert Niederschlagwasser immer in die weiter untenliegenden Porenräume und verdrängt dort die Luft. Bodenluft ist deshalb im Wesentlichen in den oberen Bodenbereichen zu finden, vor allem in den Grobporen. Zusätzlich wird der luftgefüllte Porenraum verkleinert durch das Haftwasser an den die Poren umgebenen geladenen Bodenpartikel (siehe Abbildung   im Kapitel „Bodenwasser“). Wird in der wärmeren Vegetationsperiode durch Transpiration und Evaporation viel Bodenwasser verbraucht, füllt sich der freigewordene Raum mit Luft auf (siehe Abbildung 55 im Kapitel „Bodenprofil Pseudogley“).

Ein Lufttransport in größeren Mengen (Massenfluss) erfolgt durch Druck- und Temperaturänderungen und damit verbundenen Expansions- und Kontraktionsveränderungen („Blasebalgmethode“), durch Wind, durch Zufuhr bzw. Verdunstung von Sickerwasser sowie durch Anstieg bzw. Absinken von Grundwasser. Zusätzlich führt die Neubildung von Gasen im Boden zu zusätzlichem Raumbedarf und so einem Gasfluss in geringem Ausmaß. Von besonderer Bedeutung für den Gastransport über geringe Entfernungen im Mikrobereich ist die Diffusion. Ein entscheidendes Problem dabei ist, dass die Diffusion von Gasen, etwa Sauerstoff, im Wasser 10.000-fach geringer ist als in der Luft. Das hat zur Folge, dass sich Kapillarwasser in den Poren als starkes Hemmnis für den Sauerstoff-Transport mittels Diffusion auswirkt, auch wenn hierbei die Diffusion nicht komplett unterbunden wird. Dadurch kann es im Krümelgefüge und Porenraum kleinräumig nebeneinander zu luftigen, sauerstoffreichen- und wässrigen, sauerstoffarmen Bereichen kommen. Diese unterschiedlichen Bodenluft-Voraussetzungen haben entscheidenden Einfluss auf das Vorkommen von unterschiedlichen Mikroorganismen mit Anpassungen an aerobe bzw. anaerobe Lebensbedingungen einschließlich der Freisetzung von zusätzlichen Gasarten und Gasmengen.

Aufgrund der Vielfältigkeit der Bodenbakterien und -pilze und deren unterschiedliche Stoffwechsel-Aktivitäten weicht die Zusammensetzung der Bodenluft von derjenigen der atmosphärischen Luft erheblich ab. Der Sauerstoffgehalt ist im Mittel etwas geringer, ca. 20,6 % gegenüber 20,9%, kann jedoch zu bestimmten Jahreszeiten noch wesentlich geringer sein. Der Gehalt an Kohlenstoffdioxid ist dagegen mit 0,3% bis 5% im Boden sehr viel höher gegenüber 0,04% in der atmosphärischen Luft. Der Stickstoffgehalt weist im Boden keinen signifikanten Unterschied zur atmosphärischen Luft auf. Meist ist die Bodenluft mit Wasserdampf gesättigt. Hinzu kommt, dass abhängig vom Bodentyp, teils in geringeren Mengen, zusätzliche Gaskomponenten wie Lachgas und Methan freigesetzt werden.

Die Herkunft einzelner Bodenluft-Komponenten ist in der folgenden Abbildung 72 zusammengestellt.  Dabei wird deutlich, dass Kohlenstoffdioxid Endprodukt unterschiedlicher Stoffwechselprozesse zur Energiegewinnung ohne Lichtenergie im Boden ist und sich somit in der Bodenluft ansammelt. Ein Teil des freiwerdenden CO2 wird im Bodenwasser gelöst und kann so zu Versauerung des Bodens beitragen.

Abb. 72: Herkunft der Bodenluft-Komponenten

Der Anteil von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid in der Bodenluft schwankt im Jahresverlauf erheblich. Dies geht aus der folgenden Abbildung 73 für einen Boden aus tonhaltigem Schluff ähnlich dem der Pseudogley-Braunerde im Rumbecker hervor:

Der Sauerstoffgehalt im Boden ist während des gesamten Jahres geringer als in der Luft über dem Boden. Dies weist auf den Sauerstoff-Verbrauch durch Lebensaktivitäten aerobe lebender Bodenorganismen und einen nur langsamen Sauerstoff-Ersatz im Boden durch Sauerstoff aus der atmosphärischen Luft hin. Sehr hoch ist der Sauerstoff-Verbrauch während der Wachstums- und Vermehrungsperioden bei höheren Bodentemperaturen und damit intensiverem Atmungs-Stoffwechsel. Dann kann der Sauerstoffanteil des Sauerstoffs an der Bodenluft in 30 cm Tiefe bis auf 10 % absinken. Besonders extrem ist die Sauerstoff-Abnahme während des Frühjahrs und Sommers in größerer Bodentiefe.

Mit der Abnahme des Sauerstoff-Gehalts im Boden zeigt sich eine zeitgleiche Zunahme des Gehalts an Kohlenstoffdioxid bis ca. 5%. Die hohe biologische Aktivität im Boden von März bis August mit einer intensiven Sauerstoffatmung des Edaphons vor allem im Oberboden, aber auch mit weiteren Atmungsprozessen von Mikroorganismen in anaeroben Bodenbereichen hat einen Kohlenstoffdioxid-Gehalt im Boden zur Folge, der den der Luft über dem Boden zeitweise bis zum Hundertfachen übersteigt.

Abb. 73: Jährliche Schwankungen des Sauerstoff- und Kohlenstoffdioxid-Gehalts im Boden (verändert nach SCHEFFER/SCHACHTSCHNABEL 1998)