Einführung in die Bodenkunde für Umweltingenieure
Einführung in die Bodenkunde für Umweltingenieure
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<strong>E<strong>in</strong>führung</strong> <strong>in</strong> <strong>die</strong> <strong>Bodenkunde</strong><br />
<strong>für</strong> Umwelt<strong>in</strong>genieure<br />
Wahlfach Umwelt<strong>in</strong>genieurwesen<br />
Ulrike Scherer<br />
Institut <strong>für</strong> Wasser und Umwelt<br />
Fachgebiet <strong>für</strong> Hydrologie und Flussgebietsmanagement<br />
Technische Universität München Department of Hydrology and River Bas<strong>in</strong> Management
<strong>E<strong>in</strong>führung</strong> <strong>in</strong> des Themengebiet<br />
� Was ist Boden?<br />
� E<strong>in</strong>flussfaktoren auf <strong>die</strong> Bodenbildung<br />
� Charakterisierung von Böden<br />
� Bestandteile von Böden<br />
� Funktionen von Böden<br />
� Warum ist <strong>die</strong> <strong>Bodenkunde</strong> <strong>für</strong> <strong>die</strong> Hydrologie wichtig?<br />
� Böden als schützenswerte Systeme<br />
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Literatur<br />
Scheffer, Schachtschabel ‐ Lehrbuch der <strong>Bodenkunde</strong> ‐<br />
15. Auflage (2008)<br />
Spektrum Lehrbuch<br />
� gibt es <strong>in</strong> der UB<br />
Bodenkundliche Kartieranleitung (2005)<br />
Hrsg.: Bundesanstalt <strong>für</strong> Geowissenschaften und Rohstoffe<br />
W<strong>in</strong>fried E.H. Blum:<br />
<strong>Bodenkunde</strong> <strong>in</strong> Stichworten, 6. Auflage<br />
Hirt Stichwortbücher<br />
� gibt es <strong>in</strong> der UB<br />
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Literatur<br />
Ulrich Gisi:<br />
Bodenökologie<br />
Thieme, 2. Auflage, 1997<br />
� gibt es <strong>in</strong> der UB<br />
E. Plate und E. Zehe:<br />
Hydrologie und Stoffdynamik kle<strong>in</strong>er E<strong>in</strong>zugsgebiete<br />
Schweizerbart 2008<br />
� gibt es <strong>in</strong> der UB<br />
L<strong>in</strong>ks: http://www.bodenwelten.de<br />
http://hypersoil.uni‐muenster.de/<br />
http://www.dbges.de/<br />
https://bodenkunde.uni‐hohenheim.de/profilsammlung.html<br />
http://www.wzw.tum.de/bk/<br />
http://www.lfl.bayern.de/iab/boden/bodenprofile.htm<br />
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Was ist Boden?<br />
� Der Boden ist e<strong>in</strong> Naturkörper und Teil der<br />
belebten obersten Erdkruste<br />
� Er wird nach unten durch festes oder lockeres<br />
Geste<strong>in</strong>, nach oben durch <strong>die</strong> Vegetation bzw.<br />
<strong>die</strong> Atmosphäre begrenzt<br />
� Er ist e<strong>in</strong> Umwandlungsprodukt der Lithosphäre<br />
und ist physikalischen, chemischen und<br />
biologischen Prozessen unterworfen<br />
� Die Pedosphäre ist e<strong>in</strong>e sehr wichtige<br />
Grenzfläche an der Erdoberfläche, <strong>in</strong> der sich<br />
Lithosphäre, Hydrosphäre, Biosphäre und<br />
Atmosphäre überlagern<br />
Bild: www.wikipedia.de<br />
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Faktoren der Bodenbildung<br />
Klima (K)<br />
Vegetation/<br />
Organismen (O)<br />
Geste<strong>in</strong> (G)<br />
B=f(G,K,O,R,W,M)∙Z<br />
Z E I T<br />
Relief (R)<br />
Grundwasser (W)<br />
Mensch (M)<br />
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Bodenregionen der Erde<br />
Quelle: USDA, NRCS<br />
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Bodengesellschaften <strong>in</strong> Deutschland<br />
Quelle: BGR, Hannover<br />
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Bodengesellschaften: Vergleich mit Geologie<br />
Quelle: BGR, Hannover<br />
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E<strong>in</strong>fluss der Vegetation (Landnutzung)<br />
Landwirtschaft:<br />
� Wenig organische Substanz aufgrund<br />
der Ernte<br />
� Ke<strong>in</strong>e dauerhafte Bodenbedeckung<br />
Gefährdung durch Erosion<br />
Natürliche Vegetation:<br />
� Ungestörte Bodenentwicklung<br />
� Zulieferung von organischer Substanz<br />
� Schutz vor Erosion<br />
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E<strong>in</strong>fluss des Reliefs<br />
Niederschlag<br />
Abfluss<br />
Erosion Deposition<br />
Kolluvium<br />
Schwach entwickelte Böden<br />
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E<strong>in</strong>fluss des Grundwassers<br />
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E<strong>in</strong>fluss des Grundwassers<br />
Fichten/Eichen (auf Stagnogley)<br />
� Grundwasser (z.B. <strong>in</strong> Flussauen)<br />
bee<strong>in</strong>flusst <strong>die</strong> Bodenentwicklung<br />
� Vegetation: Wald, Grünland<br />
� Böden nicht <strong>für</strong><br />
den Ackerbau<br />
geeignet<br />
� Absenken des<br />
Grundwassers<br />
durch Dra<strong>in</strong>agen<br />
E<strong>in</strong>bau e<strong>in</strong>er<br />
Dra<strong>in</strong>age<br />
Bilder: Naturkundemuseum Kassel<br />
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E<strong>in</strong>fluss des Menschen<br />
� Ackerbau mit<br />
Bodenbearbeitung<br />
� Flurbere<strong>in</strong>igung<br />
� Versiegelung<br />
� Schadstoffe<br />
30%<br />
Flächennutzung <strong>in</strong> Deutschland<br />
13%<br />
2% 2%<br />
Quelle: Statistisches Bundesamt<br />
53%<br />
Ackerbau Bodenbearbeitung<br />
Landwirtschaft<br />
Wald<br />
Siedlungs- und<br />
Verkehrsfläche<br />
Wasserfläche<br />
Sonstige<br />
ca. 130 ha / Tag<br />
Versiegelung<br />
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Entstehung des Bodens<br />
unverwittertes<br />
Geste<strong>in</strong><br />
Risse<br />
entstehen<br />
Z E I T<br />
Fortschreiten der<br />
Verwitterung und erste<br />
Ansiedlung von Pflanzen<br />
Bodenentwicklung<br />
<strong>in</strong> <strong>die</strong> Tiefe<br />
Bild: http://hypersoil.uni‐muenster.de<br />
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Böden s<strong>in</strong>d vielfältig<br />
� Abhängig von der Art des Ausgangsgeste<strong>in</strong>s und den vor Ort e<strong>in</strong>wirkenden<br />
Bed<strong>in</strong>gungen entwickeln sich im Laufe der Zeit verschiedene Bodentypen, <strong>die</strong> durch<br />
e<strong>in</strong> charakteristisches Bodenprofil mit verschiedenen Bodenhorizonten<br />
gekennzeichnet s<strong>in</strong>d<br />
� Bodenprofile geben H<strong>in</strong>weise auf Prozesse, <strong>die</strong> <strong>in</strong> den Böden ablaufen oder<br />
abgelaufen s<strong>in</strong>d. Die Kenntnis <strong>die</strong>ser Prozesse ist wichtig um <strong>die</strong> Entstehung und <strong>die</strong><br />
Funktionen der Böden zu verstehen<br />
Parabraunerde Podsol Schwarzerde Aueboden Braunerde Pseudogley<br />
Bilder: www.bodenwelten.de<br />
Technische Universität München Department of Hydrology and River Bas<strong>in</strong> Management<br />
ca 1 m
Böden s<strong>in</strong>d vielfältig<br />
� Böden mit gleichem Entwicklungszustand, der durch e<strong>in</strong>e bestimmte<br />
Horizontkomb<strong>in</strong>ation ausgedrückt wird, bilden e<strong>in</strong>en Bodentyp<br />
� Die meisten Klassifizierungssysteme der Bodentypen s<strong>in</strong>d genetisch,<br />
das heißt sie basieren auf der Entstehung der Böden<br />
� E<strong>in</strong> Bodentyp entspricht e<strong>in</strong>em bestimmten Entwicklungszustand und stellt somit<br />
e<strong>in</strong>e bestimmte Komb<strong>in</strong>ation von Eigenschaften dar � Nutzbarkeit<br />
Parabraunerde Podsol Schwarzerde Aueboden Braunerde Pseudogley<br />
Bilder: www.bodenwelten.de<br />
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ca 1 m
Bodenhorizonte<br />
Streu: weitgehend unzersetztes<br />
organisches Ausgangsmaterial<br />
(L von „Litter“)<br />
Organischer Horizont<br />
Oberboden: oberer m<strong>in</strong>eralischer,<br />
mit organischer Substanz vermischter<br />
Horizont<br />
Unterboden: M<strong>in</strong>eralischer Horizont<br />
durch Ver‐/Umlagerungen mit Ton,<br />
Eisen, Alum<strong>in</strong>ium und / oder<br />
organischer Substanz angereichert<br />
Unverwittertes Ausgangsgeste<strong>in</strong><br />
L<br />
O<br />
A<br />
B<br />
C<br />
Pedosphäre<br />
Lithosphäre<br />
Bild: http://hypersoil.uni‐muenster.de<br />
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Beispiel e<strong>in</strong>er Bodenentwicklung: Kieselserie<br />
Ranker<br />
O<br />
Ah<br />
C<br />
Braunerde<br />
Z E I T<br />
Bilder: Profilsammlung, Uni Hohenheim<br />
Technische Universität München Department of Hydrology and River Bas<strong>in</strong> Management<br />
O<br />
Ah<br />
Bv<br />
C<br />
Podsol<br />
O<br />
Ae<br />
Bh<br />
Bs<br />
C
Bestandteile des Bodens: drei Phasen<br />
Böden s<strong>in</strong>d 3‐Phasen‐Gemische <strong>in</strong> denen wichtige Regelungsprozesse stattf<strong>in</strong>den:<br />
Festphase (Bodenmatrix)<br />
Gasphase (Bodenluft)<br />
Flüssigphase (Bodenwasser)<br />
Die Gesamtheit der Böden bilden <strong>die</strong> Pedosphäre, <strong>die</strong> sich im Überschneidungsbereich<br />
von Lithosphäre, Atmosphäre und Hydrosphäre zusammen mit der Biosphäre<br />
entwickelt hat.<br />
Aus der örtlichen und zeitlichen Überlagerung der drei Phasen ergeben sich spezifische<br />
Eigenschaften, <strong>die</strong> <strong>die</strong> Pedosphäre zu e<strong>in</strong>em eigenen Kompartiment der belebten<br />
Erdoberfläche machen.<br />
Bilder: www.bodenwelten.de und LS <strong>Bodenkunde</strong>, TUM<br />
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Bestandteile des Bodens: Festphase<br />
Bei der Bodenbildung entstehen neue Stoffe<br />
aus der Lithosphäre und Biosphäre:<br />
M<strong>in</strong>eralsubstanz<br />
(ca 90 %)<br />
Organische Substanz<br />
(ca. 10 %)<br />
tote Biomasse<br />
(ca. 85 %)<br />
Wurzeln<br />
(ca. 8 ‐ 10 %)<br />
Bodenorganismen<br />
(ca 5 ‐ 7 %)<br />
Bilder: www.bodenwelten.de<br />
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Grenzflächen und Stoffgra<strong>die</strong>nten<br />
Die Pedosphäre weist e<strong>in</strong>e sehr starke Strukturierung auf:<br />
� Sehr große, spezifische Oberfläche mit <strong>in</strong>tensivem Stoffaustausch<br />
� Im Gegensatz zur Atmosphäre und zur Hydrosphäre werden Gra<strong>die</strong>nten nur sehr<br />
langsam ausgeglichen<br />
� Stofftransport <strong>in</strong> der Bodenmatrix läuft langsam ab<br />
Regelungsfunktionen:<br />
� Ernährung von Pflanzen <strong>in</strong> verschiedenen<br />
Wachstumsphasen<br />
� Lebensraum <strong>für</strong> Bodenorganismen<br />
� Gewährleistung der Wasserversorgung auch<br />
bei längerem Ausbleiben von Niederschlägen<br />
� Böden üben „Filterfunktionen“ aus<br />
‐ Filterung von Wasser<br />
‐ Stoffumwandlung und Stoffrückhalt<br />
‐ Stoffabbau durch Bodenorganismen<br />
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Der Boden als Lebensraum und Lebensgrundlage<br />
� Boden versorgt Pflanzen und Edaphon mit Wasser und Nährstoffen<br />
� Pflanzen liefern Sauerstoff und organische Substanz � Nahrung <strong>für</strong> Edaphon<br />
� Edaphon veratmet <strong>die</strong> organische Substanz und m<strong>in</strong>eralisiert Nährelemente<br />
Pflanzen<br />
Humus<br />
Nematoden<br />
Wurzelfresser<br />
Pilze<br />
Bakterien<br />
Arthropoden<br />
Zerkle<strong>in</strong>erer<br />
Nematoden<br />
Pilz‐ und<br />
Bakterienfresser<br />
Protozoen<br />
Amöben<br />
Arthropoden<br />
Räuber<br />
Regenwürmer<br />
Vögel<br />
Bodentiere<br />
Quelle: LS <strong>Bodenkunde</strong>, TUM<br />
Technische Universität München Department of Hydrology and River Bas<strong>in</strong> Management
Der Boden als Bestandteil im Wasser‐ und Stoffkreislauf<br />
Boden ist e<strong>in</strong> wesentliches Glied im Wasser‐ und Stoffkreislauf e<strong>in</strong>er Landschaft<br />
� Boden ist e<strong>in</strong> offenes System –Import, Export und Speicherung von Wasser und<br />
Stoffen ist von zentraler Bedeutung<br />
� Durch Wasser‐, Stoff‐ und Energieflüsse starke Verzahnung mit<br />
Nachbarkompartimenten<br />
E<strong>in</strong>trag<br />
Austausch mit dem Grundwasser<br />
Austausch von Wasser<br />
Stoffen und Energie mit<br />
der Atmosphäre<br />
Austrag<br />
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Filter, Puffer und Transformationsfunktionen<br />
Im Stoffhaushalt der Ökosphäre bilden Böden e<strong>in</strong> natürliches Re<strong>in</strong>igungssystem<br />
� Je nach Eigenschaften der Schadstoffe können <strong>die</strong>se (mehr oder weniger)<br />
gebunden oder abgebaut und damit aus dem Ökokreislauf entfernt werden<br />
Aufnahme<br />
durch<br />
Pflanzen<br />
Bodenlösung<br />
Auswaschung<br />
Grundwasser<br />
Erosion<br />
Adsorption<br />
chemische<br />
Fällung<br />
Verflüchtigung<br />
als Gas<br />
Schadstoffe<br />
Filterung<br />
fester<br />
Substanzen<br />
photochemischer<br />
Abbau<br />
mikrobieller<br />
Abbau<br />
chemischer<br />
Zerfall<br />
nach Scheffer/Schachtschabel (2008)<br />
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Der Boden als bedeutender Landschaftsbestandteil<br />
E<strong>in</strong>e Landschaft ist e<strong>in</strong> charakteristischer Ausschnitt der Ökosphäre<br />
� In e<strong>in</strong>er Landschaft s<strong>in</strong>d ähnliche und verschiedene Böden mite<strong>in</strong>ander<br />
vergesellschaftet<br />
� Die Böden e<strong>in</strong>er Landschaft s<strong>in</strong>d durch Energie‐, Wasser‐ und Stoffflüsse verknüpft<br />
� Beispiel Catena: Sequenz von Bodenprofilen entlang e<strong>in</strong>es Hanges<br />
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Entwicklung landschaftsspezifischer Catenen<br />
Bodengesellschaften <strong>in</strong> Abhängigkeit von Relief und Erosion<br />
� am Beispiel e<strong>in</strong>er Lösslandschaft (Weiherbachgebiet im Kraichgau)<br />
Höhe [m]<br />
162 - 173<br />
173 - 184<br />
184 - 195<br />
195 - 205<br />
205 - 216<br />
216 - 227<br />
227 - 238<br />
238 - 248<br />
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Entwicklung landschaftsspezifischer Catenen<br />
Bodengesellschaften <strong>in</strong> Abhängigkeit von Relief und Erosion<br />
Bodentypen<br />
Keuper-Kolluvisol<br />
Löss-Kolluvisol ( 1,9 m )<br />
Löss-Pararendz<strong>in</strong>a<br />
Parabraunerden<br />
Kolluvium<br />
Pararendz<strong>in</strong>a<br />
Profil: LfL<br />
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Entwicklung landschaftsspezifischer Catenen<br />
Bodengesellschaften <strong>in</strong> Abhängigkeit vom<br />
Grundwasser<br />
Quelle: Scheffer/Schachtschabel (2008), Profile: LfL<br />
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Der Boden als bedeutender Landschaftsbestandteil<br />
Schrumpfungsrisse bei Tonböden bestimmen den Infiltrationsprozess<br />
Thannhausen, Nordbaden<br />
Hassberge, Franken<br />
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Der Boden als bedeutender Landschaftsbestandteil<br />
E<strong>in</strong>fluss biogener Makroporen auf <strong>die</strong> Infiltration<br />
Makroporen im<br />
Weiherbach‐<br />
gebiet<br />
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Der Boden als bedeutender Landschaftsbestandteil<br />
E<strong>in</strong>fluss biogener Makroporen auf <strong>die</strong> Infiltration<br />
Kolluvium<br />
� Kolluvium ist toniger und weist höhere<br />
Gehalte an organischer Substanz auf<br />
� besseres Wasserspeichervermögen<br />
� höheres Nährstoffangebot<br />
� bessere Lebensbed<strong>in</strong>gungen!<br />
Pararendz<strong>in</strong>a<br />
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Der Boden als schützenswertes System<br />
Schadstoffe<strong>in</strong>träge <strong>in</strong> den Boden<br />
� Atmosphärische Deposition<br />
� Verkehr<br />
� Düngemittel und Pestizide<br />
Landwirtschaftliche Bewirtschaftung<br />
� Erosion (4‐6 mm/a weltweit, Bodenneubildung 0,1 mm/a)<br />
� Verdichtung<br />
Fahrspuren<br />
Deposition<br />
Pestizidausbr<strong>in</strong>gung<br />
Erosionsr<strong>in</strong>ne<br />
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Der Boden als schützenswertes System<br />
Auszug aus dem Bodenschutzgesetz (BBodSchG 1998): Paragraph 1<br />
Die Funktionen des Bodens s<strong>in</strong>d nachhaltig wiederherzustellen, schädliche<br />
Bodenveränderungen abzuwehren, der Boden und Altlasten sowie hierdurch<br />
verursachte Gewässerverunre<strong>in</strong>igungen zu sanieren und Vorsorge gegen<br />
nachteilige E<strong>in</strong>wirkungen auf den Boden zu treffen.<br />
Bei E<strong>in</strong>wirkungen auf den Boden sollen Bee<strong>in</strong>trächtigungen der natürlichen<br />
Funktionen sowie se<strong>in</strong>er Funktion als Archiv der Natur‐ und Kulturgeschichte<br />
soweit wie möglich vermieden werden.<br />
� Der Schutz erstreckt sich auf alle Bodenfunktionen, wie zum Beispiel <strong>die</strong><br />
natürliche Funktion als Lebensgrundlage‐ und raum, Standort <strong>für</strong> land‐ und<br />
forstwirtschftliche Nutzung und Bestandteil des Naturhaushalts.<br />
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Ziele der Vorlesung<br />
� Verständnis der Eigenschaften, des Zustandes und der Prozesse, <strong>die</strong> <strong>in</strong> den Böden<br />
ablaufen oder abgelaufen s<strong>in</strong>d:<br />
Die Kenntnis <strong>die</strong>ser Prozesse ist wichtig um <strong>die</strong> Entstehung und <strong>die</strong> Funktionen der<br />
Böden zu verstehen<br />
� Böden sollen als bedeutende Bestandteile von Landschaften verstanden werden:<br />
Das Verständnis der Bodeneigenschaften sowie der räumlichen Anordnung von<br />
Bodentypen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Landschaft ist wesentlich <strong>für</strong> das Verständnis der<br />
Niederschlagsabfluss‐ und Stofftransportprozesse <strong>in</strong> E<strong>in</strong>zugsgebieten<br />
� Fähigkeit zur Beurteilung der Auswirkungen von E<strong>in</strong>griffen <strong>in</strong> <strong>die</strong> Pedosphäre<br />
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