Das Verhältnis von Kohlenstoffgehalt zu Stickstoffgehalt im Auflagehorizont des Bodens im Rumbecker Holz

Stickstoffquelle der Pflanzen

An der Zersetzung der jährlich anfallenden Laubstreu ist entscheidend die Vielfalt der Mikroorganismen im Boden beteiligt. Deren Abbautätigkeit wird von Bodenfaktoren wie von dem Bodensäure-Gehalt beeinflusst. Von dem Aktivitätsgrad der Mikroorganismen wiederum hängt die Mineralisierungsrate der organischen Substanz ab und damit die zur Verfügung stehende Menge der für die Pflanzenernährung wichtigen anorganischen Nährstoffe. Zu den von den Pflanzen dringend benötigten Pflanzennährstoffen gehört Stickstoff in Form Nitrat NO3- und Ammonium NH4+. Mit dem Luftstickstoff N2 steht theoretisch ein unerschöpfliches Stickstoff-Reservoir zur Verfügung, welches aber von den meisten höheren Pflanzen nicht aufgeschlossen werden kann. Einige Spezialisten greifen indirekt über Symbiosen mit Stickstoff bindenden Bakterien auf Luftstickstoff zurück. Die meisten Landpflanzen müssen ihren Stickstoffbedarf nur aus der Mineralisierung organischer stickstoffhaltiger Substanz im Boden decken (siehe Kapitel „Stickstoffkreislauf“).

Humusform, biologische Aktivität und C/N-Verhältnis

Einen Hinweis auf die Intensität der Zersetzung und Humifizierung der organischen Substanz und damit auf den Gehalt der im Boden zur Verfügung stehenden Stickstoff-Nährstoffe gibt das Massen-Verhältnis von organisch gebundenem Kohlenstoff zu organisch und anorganisch gebundenem Stickstoff (Gesamt-Stickstoff) im Oberboden. Beide Elemente sind in organische Substanzen eingebunden und gelangen gleichermaßen durch Laubstreu in die Zersetzungsprozesse heterotropher Organismen des Oberbodens. Bei einer gehemmten Zersetzungsrate und langsam ablaufenden Stoffwechselprozessen im Auflagehorizont wie beim Rohhumus oder Moder auf sauren Böden sammelt sich organische Humussubstanz an und damit ein hoher Kohlenstoffgehalt, der noch nicht in den Stoffwechsel heterotropher Bodenorganismen wie Pilze und Bakterien einbezogen wurde. Auch der in wesentlich geringerer Menge als Kohlenstoff vorhandene organisch gebundene Stickstoff wird nur langsam abgebaut und in Form der Mineralisierungsprodukte Ammonium und Nitrat freigesetzt. Auch deren Nachlieferung bei Entzug durch die Pflanzenwurzeln verläuft langsam. Damit liegt das Verhältnis von organisch gebundenem Kohlstoffgehalt zu Gesamt-Stickstoffgehalt stark auf Seiten von Kohlenstoff, die Verhältnisrate ist hoch und das Verhältnis weit, z.B. C/N von 30 bis 50.  Bei der Humusform Mull auf schwach sauren bis alkalischen Böden ist die Stoffwechsel-Aktivitätsrate der Mikroorganismen und damit der Verbrauch organischer Substanz und die Mineralisierungsrate hoch, so dass viel relativ viele Ammonium- und Nitrationen entstehen, die für die Pflanzenernährung zur Verfügung stehen und nach Entzug durch die Pflanzenwurzeln fortlaufend nachgeliefert werden. Hier ist das Verhältnis von Gesamt-Kohlstoffgehalt zu Gesamt-Stickstoffgehalt nicht so stark zum Kohlenstoff verschoben, die Verhältnisrate ist niedrig und das Verhältnis eng, z.B. C/N von 10 bis 15.  Vom C/N-Wert lässt sich somit gut auf die längerfristige gesicherte Verfügbarkeit von Pflanzennährstoffen im Boden, primär der Stickstoff-Verbindungen schließen.

Methode zur Bestimmung des C/N-Verhältnisses

Abb. 34: Apparatur für den Kjeldahl-Aufschluss zur Bestimmung des Gesamt-Stickstoffhehalts (Bild M. Voß).
Abb. 35: Einführung in die Handhabung der Kjeldahl-Apparatur bei der Fa. Schering/Bergkamen (Bild M. Voß)
Abb. 36: Schülerinnen des LK Chemie beim Praktikum im Ausbildungslabor der Fa. Schering/Bergkamen (Bild M. Voß)

 

 

 

 

 

 

 

 

Die Bestimmung des Gehalts an organisch gebundenem Kohlenstoff erfolgte durch die Glühverlust-Methode. Da bei dem Glühvorgang der getrockneten Proben nicht nur CO2 und feste Glührückstände entstehen, sondern zusätzlich auch Haftwasser von Huminstoffen, Tonmineralen und Eisenoxid-Hydroxiden abgegeben wird, war der gemessene C-Wert zu hoch. Nach dem Korrekturvorschlag des Geologischen Landesamts NRW (heute Geologischer Dienst NRW) wurden die Messwerte durch den empirischen Faktor 1,72 dividiert.

Die Bestimmung des organisch und anorganisch gebundenen Stickstoffs (Gesamt-Stickstoffgehalt) erfolgte mittels Kjeldahl-Aufschluss (siehe Abbildungen 34-36). Einzelheiten zur praktischen Durchführung der Bestimmung des Kohlenstoff- und Stickstoffgehalts sind den Zusammenstellungen von VOSS (2010) zu entnehmen.

Die Bestimmung des C/N-Wertes des Ah-Horizonts an verschiedenen Probestellen im Rahmen des Bodenprojekts war anspruchsvoll und war mit der Ausstattung des Schullabors alleine nicht durchzuführen. Bei der der Bestimmung des Gesamt-Stickstoffgehalts wurde deshalb auf die Hilfe außerschulischer Partner zurückgegriffen.

Messergebnisse

Im Rahmen des Bodenprojekts wurde auf der Untersuchungsfläche Rumbecker Holz an 16 Stellen das C/N-Verhältnis ermittelt (siehe Abbildungen 37-38). Zusätzlich wurde eine Vergleichsmessung auf der Untersuchungsfläche Sternhelle durchgeführt. An den Probestellen wurde zusätzlich der pH-Wert gemessen. Am Profil der beiden Schürfgruben (siehe Kapitel „Bodenprofil“) wurden auch die C/N-Werte im Oberboden und dem angrenzenden Unterboden bestimmt (siehe Abbildung 39).

Abb. 37: C/N-Verhältnis an verschiedenen Stellen im Rumbecker Holz
Abb. 38: C/N-Verhältnis im Rumbecker Holz und der Sternhelle

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 39: C/N-Werte von Horizonten des oberen Bodenbereichs

Aus den grafischen Darstellungen der Messergebnisse lässt sich deutlich eine Zweiteilung bezüglich der C/N-Werte ableiten: Auf dem flachen Hangbereich auf der Mittelterrasse der Ruhr (siehe Kapitel "Ruhr-Terrassen") unterhalb des Waldfriedhofs liegen die C/N-Werte zwischen 15 und 25 und zeigen damit Humusformen des Moders an. Im Bereich des steileren, teils eingeschnittenen Abfalls zum Ruhrbett liegen die C/N-Werte mit 30 bis 35, vereinzelt bis 50 wesentlich höher und zeigen damit stickstoffarme Übergangsformen des Moders zum Rohhumus oder sogar Rohhumus an. Niedrige C/N-Werte von 5 bis 15 treten nur an Wegrändern, an Waldrändern mit eingetragenen Gartenabfällen und auf der Untersuchungsfläche Sternhelle auf. Der hier zu findende Mull ist vergleichsweise stickstoffreich.

Aus Abbildung 39 wird der große Unterschied beim Boden-Stickstoffgehalt zwischen dem feinhumusreichen Moder über Braunerde und dem Feuchtmull über Pseudogley deutlich.  

C/N-Wert-Karte

Abb. 40: Bereiche unterschiedlichen C/N-Verhältnisses im Rumbecker Holz

Auf der Grundlage der Messwerte wurde eine Karte mit Bereichen unterschiedlich hoher C/N-Werte entwickelt (Abbildung 40), welche als Darstellungs-Grundlage der Beziehung zwischen dem Bodenfaktor Stickstoff-Gehalt und der Verbreitung der Pflanzenarten genutzt wurde (siehe im Vergleich C/N-Karte „Hainsimsengruppe“, C/N-Karte „Waldflattergrasgruppe“, C/N-Karte „Brennnesselgruppe“). Da für diese Karte im Gegensatz zu den entsprechenden Karten für die Bodenfeuchte und den Bodensäuregehalt die Anzahl der Messstellen gering und deren Verteilung über die Untersuchungsfläche ungleichmäßig war, wurde an einigen Stellen zur besseren Abgrenzung der Bereiche auch die Humusform vor Ort sowie der dortige pH-Wert zu Hilfe genommen, da ph-Wert und C/N-Wert gut miteinander korrelieren. Die C/N-Wert-Bereiche wurden auf der Kartenlegende aus didaktischen Gründen nur den drei Haupt-Humusformen Rohhumus, Moder und Mull zugeordnet. Dabei ist zu beachten, dass echter Rohhumus im Rumbecker Holz nur vereinzelt vorkommt und der Begriff Rohhumus hier auch Übergangsformen zu Moder einschließt.