Der Bodensäuregehalt im Rumbecker Holz

Der Bodensäuregehalt ist eine wichtige Kenngröße für einen Bodenstandort. Das Wasser in den Bodenporen ist Lösungsmittel von anorganischen Verbindungen, Reaktionsraum von Protolyse- und Redoxvorgängen, Stoffwechselraum von Mikroorganismen sowie Nährstoffreservoir und Nährstoff-Aufnahmeraum der Pflanzen. Diese Prozesse werden massiv beeinflusst von der vorhandenen Wasserstoffionen-Konzentration. Damit ist auch das Vorkommen von Bodenorganismen und Pflanzen sowie deren Vergesellschaftung am Existenzort vom jeweiligen Bodensäuregehalt abhängig.

Wie aus der folgenden Grafik (Abbildung 74 ) zu ersehen ist, trägt zum Eintrag von Protonen in den Boden eine Reihe verschiedener bodeninterner und bodenexterner Prozesse bei. Daneben spielen auch Prozesse, die den Protonengehalt reduzieren oder ziemlich konstant halten (Protonensenken, Puffer) eine wichtige Rolle für den Gesamtsäuregehalt des Bodens. Der Bodensäuregehalt ist sowohl auf einer größeren Fläche als auch entlang eines Bodenprofils unterschiedlich und kann sich im Laufe der Jahreszeiten verändern.  

Abb. 74: Prozesse der Bodenversauerung (verändert nach ROWELL 1994)

Ursachen für die Bodenversauerung

Bildung von Kohlensäure durch Atmungsprozesse

Durch die Stoffwechselaktivität vieler Bodenorganismen, besonders durch Atmung, Nitrifikation und Denitrifikation (Nitratatmung) wird CO2 freigesetzt und im Bodenwasser gelöst (siehe Kapitel „Bodenluft“). Es entstehen Kohlensäure bzw. Hydrogencarbonat und Protonen:
CO2 +  H2O  < - >  H2CO3  < - >  HCO3- + H+

Hydrolytische und protolytische Verwitterung

Bei der hydrolytischen und besonders bei der durch Säuren verursachten Verwitterung des silikathaltigen Grundgestein und der silikathaltigen Gesteinskomponenten der Lössauflage (siehe Kapitel „chemische Verwitterung“) werden Alkali- und Erdalkali-Ionen (basisch wirkende Ionen) freigesetzt und nur zum geringen Teil zur Neubildung von Tonen verwendet. In niederschlagsreichen Gebieten wie dem Sauerland wird ein erheblicher Teil dieser Ionen im Bodenprofil nach unten verlagert und ausgewaschen. Diesen Vorgang nennt man „Entbasung“. Die Böden über dem Sandstein des Schulumfelds sind u.a. deshalb sauer. Anders verhält es sich mit dem Verwitterungsfolgen im Boden über dem Kalkgestein der Sternhelle (siehe Kapitel „Gesteine Arnsberg“). Aus den Plattenkalken des Grundgesteins wird im Rahmen der chemischen Verwitterung und anderer Säureeinwirkungen das Carbonat CaCO3 zu löslichem Ca(HCO3)2 umgewandelt, wobei Ca2+ in erheblichem Maße ausgewaschen wird und die Base HCO3- als Puffersubstanz zur Verfügung steht (siehe unten „Bodenpuffer-Systeme“). Der Boden der Sternhelle ist deshalb schwach sauer bis schwach basisch (siehe Abbildung  ).      

Ionenabgabe bei der Nährstoffaufnahme durch die Pflanzenwurzeln

Bei der Aufnahme von Kationen, z.B. Ammonium, durch die Pflanzenwurzel werden im Austausch zur Wahrung der elektrischen Neutralität Protonen in die Wurzelumgebung abgegeben. Bei der Aufnahme von Anionen, z.B. Nitrat, werden äquivalente Mengen Hydroxid OH- oder HCO3- ausgeschieden, was zur Erhöhung des pH-Wertes führt. Werden zur Stickstoffernährung gleichviel Ammonium und Nitrat aufgenommen, kommt es zu keiner Änderung des pH-Werts. Ein indirekter Versauerungseffekt tritt ein, wenn das mineralgebundene Stickstoffangebot im Boden fast ausschließlich in Form von Ammonium vorliegt (siehe Kapitel „Ammonium-Nitrat“). Das NH4+ -Ion ersetzt an Austauscher-Substanzen basisch wirkende Kationen wie Ca2+ und K+ (siehe Kapitel „Kationen-Austausch“), welche in der Bodenlösung mit dem von der Pflanzenwurzel abgegebenen Hydroxid OH- oder Hydrogencarbonat HCO3- zu basischen Hydroxiden reagieren. Diese werden jedoch in niederschlagsreichen Gebieten wie dem Sauerland zu einem erheblichen Teil ausgewaschen werden (Entbasung des Bodens) und stehen somit nicht für eine Neutralisation der Protonenabgabe bei der Ammoniumaufnahme und damit zur Erhöhung des pH-Werts zur Verfügung.

Säurebildung bei der Humifizierung

Beim Zersetzungsprozess toter organischer Substanz entstehen Huminstoffe wie Huminsäuren und Fulvosäuren, die viele dissoziierbare Protonen an Carboxylgruppen enthalten und so erheblich zur Bodenversauerung beitragen.

Kationenaustausch und Säurespeicherung

Die verschiedenen Bodenpartikel wie Glimmer, Tone, kristalline Sesquioxide (Oxide und Hydroxide von Eisen und Aluminium) und Humuspartikel weisen an den Grenzflächen zur Bodenlösung negative Ladungen auf und adsorbieren auf ihrer Oberfläche austauschbare Kationen aus der Bodenlösung, hauptsächlich Aluminium Al3+, Calcium Ca2+, Magnesium Mg 2+, Kalium K+ und Wasserstoff H+. Bei einer Zunahme von Protonen und Al3+-Ionen in der Bodenlösung ersetzen diese zum großen Teil die Bindungsplätze der Alkali- und Erdalkali-Ionen und bilden ein Säurepotential. Die basisch reagierenden Kationen gelangen wieder in die Bodenlösung und werden zunehmend ausgewaschen. Diese „Entbasung“ führt zu einer Versauerung des Bodens.

Säureeintrag in den Boden durch den Menschen

Bei technischen Verbrennungsprozessen mit Luftzufuhr wie in Verbrennungsmotoren oder Kohlekraftwerken entstehen Stickoxide, teilweise auch Schwefeldioxid, welche in die Atmosphäre gelangen, in der Luftfeuchtigkeit zu Säuren HNO2, HNO3 und H2SO4 gelöst werden und mit dem Niederschlag als „saurer Regen“ in den Boden gelangen.

Bodenpuffer

Wie aus Abbildung   hervorgeht werden bei mehreren Reaktionsprozessen im Boden H+ - Ionen freigesetzt. Oder diese gelangen durch den Säureeintrag von außen mittels saurem Regen in den Boden. Dies kann erhebliche Auswirkungen auf die Aktivität der Bodenorganismen und der Pflanzenernährung haben. Allerdings sind Bodenminerale und Humusstoffe vorhanden, die durch ihre negative Oberflächenladung einer zu starken Erhöhung des Bodensäuregehalts entgegenzuwirken. Sie „puffern“ den Säureeintrag, z.T. auch den Baseneintrag ab. Diese pH-Wert-Stabilisierung des Bodens kann reversibel oder irreversibel sein.

Je nach Gesamt-Bodenazidität sind unterschiedliche Puffersysteme wirksam (z.B. nach GISI et.al. 1997):

  • Im pH-Bereich zwischen 7 und 8: Carbonat-Puffer
    Durch Carbonat und Hydrogencarbonat werden zusätzliche H+ -Ionen abgefangen.
    Der Carbonatpuffer ist z.B. in dem stark kalkhaltigen Boden des Untersuchungsgebiets „Sternhelle“ wirksam.
  • Im Bereich zwischen 5 und 7: Ionenaustausch-Puffer durch negative Ladungen an Tonen, Huminstoffen und Sesquioxiden.
    An Tonen und Oxiden adsorbierte oder an die Carboxylgruppen der Huminstoffe gebundene Alkali- und Erdalkali-Ionen werden durch eingetragene H+ -Ionen ersetzt.
    Die Pufferwirkung durch die Bodenminerale, Huminstoffe und Eisen- und Magnesiumoxide und -hydroxide ist in weiten Teilen der Untersuchungsfläche „Rumbecker Holz“ wirksam.
  • Im pH-Bereich zwischen 4 und 5: Silikat-Puffer
    Durch Säureeintrag werden auf der Oberfläche von primären Silikaten wie Feldspäten irreversibel Alkali- und Erdalkali-Ionen freigesetzt, Tone werden durch Freisetzen von Aluminium- und/oder Magnesium-Ionen teils zerstört.
  • Im pH-Bereich unter 4: Aluminium- und Eisenhydroxidpuffer
    Eine zusätzliche H+-Zufuhr bei sehr niedrigem ph-Wert unter pH 4 hat die zunehmende Freisetzung von gelösten Aluminium-Ionen aus den Kristallgittern von Silkaten zur Folge. Unterhalb von pH 3 werden auch Eisenhydroxide gelöst. Gelöste Aluminium-Ionen verdrängen an den Ionenaustauschplätzen von Tonen, Huminstoffen und Sesquioxiden zunehmend wichtige Pflanzennährstoffe wie Calcium- und Magnesium-Ionen. Außerdem stellt eine hohe Al3+ - Konzentration in der Bodenlösung ein Problem für Pflanzen dar. Aluminium-Ionen wirken auf viele Pflanzenarten toxisch, so dass diese auf stark sauren Boden mit hohem Gehalt an gelösten Aluminium-Ionen nicht wachsen können (siehe Kapitel „Kationengehalt“). Auf der Untersuchungsfläche „Rumbecker Holz“ ist dieses Problem am Pflanzenbewuchs des nordöstlichen Teils erkennbar (vergleiche ökologische Gruppen „Drahtschmielengruppe“ und „Waldflattergrasgruppe“).

Messergebnisse zur Boden-Azidität auf der Untersuchungsfläche Rumbecker Holz

Der pH-Wert entlang des Profils von Pseudogley-Braunerde und Pseudogley an Probestellen im Rumbecker Holz (siehe Kapitel "Bodenprofil")

Die jeweils vorhandene H+ (H3O+) - Konzentration in der wässrigen Bodenlösung ist die aktuelle oder aktive Azidität des Bodens. Darüber hinaus tragen noch an negativ geladenen Bodenpartikel (Verwitterungsprodukte, Tonminerale, Humusstoffe) adsorbierte und austauschbare H+ -Ionen und Al3+ -Ionen, die einen „Säurespeicher“ bilden, zu der potentiellen oder der Gesamt-Azidität bei (s. Kapitel „Kationen-Austausch“). Die Bestimmung der aktiven und der potentiellen Azidität entlang der beiden Schürfgruben-Profile erfolgte nach Aufbereitung der Proben in einer 0,01 molaren CaCl2 – Lösung mittels pH-Meter mit pH-Elektrode.

Abb. 75: Messdaten zum pH-Wert einer Pseudogley-Braunerde
Abb. 76: Messdaten zum pH-Wert eines Pseudogleys

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Die Messergebnisse lassen Folgendes erkennen:

  • Im Profil der Pseudogley-Braunerde nimmt die Bodenazidität von der Humusauflage bis zu einer Tiefe von 25 cm deutlich ab, bleibt dann bis zum C-Horizont in etwa gleich.
  • Potentielle Azidität und aktive Azidität zeigen in etwa den gleichen Profilverlauf. Dabei ist der pH-Wert in Wasser um ca. eine Stufe höher als der entsprechende Wert in CaCl2-Lösung, der auch die adsorbierten, austauschbaren Protonen erfasst.
  • Auffällig ist, dass die potentielle Azidität im Bereich der Humusauflage und damit der Humussäuren besonders hoch ist.

Die Bodenazidität im Ah-Horizont der Gesamtfläche des Rumbecker Holzes

Die Bestimmung der potentiellen Bodenazidität des Ah-Horizonts auf der Untersuchungsfläche wurde wie folgt durchgeführt:

  • Insgesamt wurden an 145 über die Fläche verteilten und kartierten Mess-Stellen Proben entnommen.
  • Von jeder Mess-Stelle wurden zwei Parallelproben auf einer Fläche von ca. einem ½ Quadratmeter entnommen.
  • Zeitraum der Probeentnahme und pH-Wert-Bestimmung war März und April.
  • Die frischen Bodenproben wurden in einer 1-molare KCl-Lösung im Verhältnis 1 : 2,5 ca. 15 Minuten geschüttelt.
  • Die pH-Wert-Bestimmung erfolgte im Filtrat mittels pH-Meter mit pH-Elektrode.
Abb. 77: Messstellen und Messwerte zur pH-Wert-Bestimmung
Abb. 78: Grobe Bereiche mit unterschiedlichem pH-Wert

 

 
 
 
 
 
 
 
 

Die Messergebnisse für die Probenstellen sind in Abbildung 77 kartografisch zusammengestellt. Es zeichnet sich auf der Untersuchungsfläche deutlich eine Heterogenität des Bodensäuregehalts ab. In Abbildung 78 sind Teilflächen mit ähnlich hohen pH-Werten zusammengefasst und daraus grob Bereiche mit Bodensäuregehalten von sehr sauer bis schwach sauer abgegrenzt. Diese Karte wurde, gemeinsam mit entsprechenden Messwertkarten zum Bodenfeuchte-Gehalt und zum C/N-Verhältnis, als Hintergrund-Bild für die Verbreitungskarten der Pflanzenarten im Rumbecker Holz verwendet. Dabei lässt sich auf der Basis realer Daten sehr anschaulich die Abhängigkeit der Pflanzenvorkommen von der Bodenazidität ableiten (siehe Kapitel „Verbreitungsatlas der Blüten- und Farnpflanzen“).  

Kleinräumige Veränderung der Bodenazidität am Stammfuß eines Baumes

Im Rumbecker Holz wurde im Umkreis des Stammfußes einer alten Rotbuche der Boden-pH-Wert im Ah-Horizont vom Baum bis zum Abstand von 1,25 m alle 25 cm in 8 Himmelsrichtungen gemessen. Die Buche stand am Hang einem sauren Bodenbereich der Untersuchungsfläche.

Abb. 79: pH-Werte am Stammfuss einer Buche

Die Messergebnisse sind in Abbildung 79 dargestellt. Es zeigt sich Folgendes:

Auf der ca. 5 m² großen Bodenfläche unter dem inneren Kronen-Traufbereich unweit vom Stammfuß variiert der Bodensäuregehalt sehr kleinräumig zwischen pH 2,8 und 3,4. Hangabwärts nach Norden und Osten ist der pH-Wert niedriger als im umliegenden Boden. Dagegen ist der pH-Wert hangaufwärts im Westen höher als der der Umgebung.
Dieses Untersuchungsergebnis lässt folgende Vermutung zu:
Niederschlagswasser aus dem Traufbereich der Krone und dem Regenabfluss an starken Äste und dem Stamm vernässt erheblich den Stammfußbereich. Dabei werden auch im Regenwasser gelöste Säurepartikel („saurer Regen), die im Kronenbereich „ausgewaschen“ werden, in den Boden eingeschwemmt. Das Sickerwasser mit H+-Ionen, evtl. auch Al3+-Ionen, fließt um den Stammfuß herum nach Nordosten hangabwärts. Dabei werden u.a. Wasserstoff-Ionen im Bereich oberhalb des Stammfußes ausgewaschen und der pH-Wert steigt. Unterhalb des Stammfußes werden die H+ -Ionen konzentriert und der pH-Wert sinkt, so dass ein kleinräumiges Mosaik der Bodenazidität entsteht.
Da es sich hier nur um eine Messung handelt, müssten für eine gesicherte Hypothese noch mehrere Parallelmessungen durchgeführt werde. Genauere Messungen zum gleichen Thema wurden z.B. im Teutoburger Wald auf calcithaltigem Boden von NEITE u. RUNGE 1986 durchgeführt. Diese zeigen sehr deutlich die Versauerung durch Stammablaufwasser im Umkreis von Buchen-Stammfüßen und eine Ausweitung der Versauerung hangabwärts. Aus diesen Untersuchungsergebnissen wird darüber hinaus eine Veränderung der Vegetation am versauerten Stammfußboden gegenüber dem basischen Boden der Umgebung erkennbar.