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Lexikon der Biologie: Bodenentwicklung

Bodenentwicklung, Bodenbildung, Bodengenese, Pedogenese, Entstehung des Bodens aus mineralischen und organischen Ausgangssubstanzen durch bodenbildende Prozesse; im Verlauf der Bodenentwicklung differenziert sich der Bodenkörper zu einem bestimmten Bodentyp (Bodentypen). Faktoren der Bodenentwicklung ( vgl. Abb. ): Gesteine liefern die mineralischen Bodenbestandteile. Hauptsächlich Silicate (Kieselsäuren) sind Substrate für Mineralneubildungen (Mineralien); bei Verwitterungs- oder Umlagerungsprozessen entstehen aus ihnen die für den Boden wesentlichen Tonminerale. Carbonatgesteine entwickeln sich wegen der hohen Löslichkeit ihrer Bestandteile nur langsam zu flachgründigen Böden (Rendzina); Carbonatanteile in Silicatgesteinen verzögern die Bodenentwicklung so lange, bis die basisch wirkenden Kationen (Ca2+, Mg2+, Na+, K+) ausgewaschen sind. Quarz verwittert wegen seiner physikalischen und chemischen Widerstandsfähigkeit außerordentlich langsam, während Löß als Lockergestein rasch tiefgründig entwickelte Böden liefert. Die Richtung der Bodenentwicklung wird durch alle Faktoren und Prozesse gemeinsam bestimmt, so daß je nach Bedingungen aus demselben Ausgangsgestein verschiedene Bodentypen oder aus unterschiedlichen Gesteinen ähnliche Bodentypen entstehen können. Das Klima wirkt hauptsächlich über Energieeinstrahlung (Energieflußdiagramm) und Niederschlag, aber auch durch Wind (Windfaktor) auf die Bodenentwicklung ein. Erhöhte Bodentemperaturen beschleunigen normalerweise die Verwitterungs- und Zersetzungsprozesse (Zersetzung), andererseits werden bei Schwankungen um den Gefrierpunkt die Gesteine durch Frostsprengung zermürbt. Starke Temperaturschwankungen bewirken Temperatursprengung. Niederschläge gelangen als Sickerwasser (Bodenwasser) in den Boden. Von einer günstigen Durchfeuchtung des Bodens hängen Lösungs- und Transportvorgänge sowie die Tätigkeit der Bodenorganismen ab. Oberflächenwasser (Abflußregime) und Wind können bereits ausdifferenzierte Böden abtragen (Bodenerosion) und andernorts das verfrachtete Material ablagern (z. B. Auenböden, Stockwerkprofil). Während im humiden (humid) Klima der Bodenwasserstrom bevorzugt nach unten gerichtet ist, kehren sich die Verhältnisse in ariden (arid) Klimaten um; gelöste Stoffe (Carbonate und andere Salze) reichern sich dann in oberflächennahen Horizonten an. Da nicht nur die Prozesse der Bodenentwicklung, sondern auch die Vegetation vom Klima geprägt werden, entsprechen sich Klimazonen, Vegetationszonen und Bodenzonen weitgehend. Die Geländeform, das Relief, bestimmt vielfach Richtung und Geschwindigkeit der Bodenentwicklung. Südexponierte Hänge weisen eher ein trocken-warmes lokales Kleinklima (Bodenklima, Mikroklima) auf, nordexponierte ein kühl-feuchtes (Nordhalbkugel). Wechsel zwischen Gefrieren und Tauen sind an Südhängen häufiger, die sommerliche Oberflächenerwärmung bei dunklem Untergrund insbesondere im Gebirge enorm (bis ca. 70 °C). Falls es nicht zu trocken ist, erfolgt an Südhängen schnellere Bodenentwicklung, da die chemischen, physikalischen und biologischen Prozesse beschleunigt ablaufen. Mit zunehmender Hangneigung findet überwiegend oberflächenparalleler Transport der Bodenlösung und des Oberflächenwassers statt. Der Erosionsdruck an Steilhängen ist groß und in Gebirgslagen oft von Bodenfließen begleitet. Die Anreicherung der Verwitterungsprodukte erfolgt talwärts, die Ablagerung von Bodenmaterial am Hangfuß. Wasser als universelles Lösungsmittel ist mit verantwortlich für Verwitterung, Mineralneubildung, Zersetzung, Humifizierung, Gefügebildung, Ionenaustausch (Ionenaustauscher), Redoxvorgänge (Redoxreaktionen) und Bodenleben (Wasserkreislauf). Es gelangt als Sickerwasser (Lysimeter, Perkolation) über die Niederschläge in den Boden, verweilt als Haftwasser an Bodenteilchen und in den Kapillarräumen oder durchsickert den Boden und verlagert dabei Salze, Carbonate, Ton, Humus, Oxide und Hydroxide. Bei großer Verdunstung steigt es aufwärts und reichert Salze, Oxide, Hydroxide und Carbonate oberflächennah an. Als stagnierendes Grundwasser oder Stauwasser sorgt es für Redox- und Diffusionsvorgänge (Diffusion) und für Humusanreicherung. Grundwasser, Stauwasser oder überstauendes Wasser haben so wesentlichen Einfluß auf die Differenzierung des Bodenkörpers, daß in der Bodensystematik grundwasserunabhängige (terrestrische) Böden von (hydromorphen) Grundwasserböden und (subhydrischen) Unterwasserböden (Sapropel, Dy, Gyttja) unterschieden werden. Die Vegetation und die Bodenorganismen sind die empfindlichsten Parameter der Bodenentwicklung, da sie ihrerseits von allen anderen Faktoren und vom Boden selbst abhängen, diese aber auch entscheidend beeinflussen. Sie bilden mit dem Boden und der Umwelt ein Ökosystem. Die Vegetation ist nicht selten ein guter Indikator für den Stand der Bodenentwicklung (Bodenzeiger). Die pflanzliche Streu, die von Mikroorganismen und Kleintieren zu Humus abgebaut wird (Streuabbau), stellt die Hauptquelle für die Bildung organischer Bodenbestandteile dar. Menge und Zusammensetzung der Streu variieren mit der Pflanzengesellschaft (z. B. stickstoffreiche Streu unter Hülsenfrüchtlern, saure Streu unter Callunaheiden (Calluno-Ulicetalia) und Nadelhölzern), entsprechend bilden sich unterschiedliche Humusformen. Gelöste Nährstoffe gelangen über die Wurzel in den Sproß (Sproßachse) und kehren mit der Streu nach ihrer Mineralisierung (Mineralisation) in den Oberboden zurück, unterliegen also einem Stoffkreislauf (Stoffkreisläufe, Kohlenstoffkreislauf, Stickstoffkreislauf). Die Pflanzen wirken so der Auswaschung der Nährstoffe entgegen. Pflanzenwurzeln lockern den Boden, sind selbst an der Gesteinsverwitterung beteiligt (Wurzelsprengung) und hinterlassen nach dem Absterben Hohlräume, die Lüftung und Durchfeuchtung begünstigen. Die Pflanzendecke festigt den Oberboden und schützt gegen Erosion (Bodenerosion) durch Wind und Wasser. Das Blattwerk (Blatt) fängt einen Teil der Niederschläge ab (Interzeption) und absorbiert Sonneneinstrahlung (Lichtfaktor). Auf diese Weise beeinflußt der Bewuchs das bodennahe Kleinklima. Organische Säuren und Komplexbildner, die von Wurzeln und Mikroorganismen ausgeschieden werden, sind an Verwitterungs- und Verlagerungsvorgängen wesentlich beteiligt. Kleintiere und Mikroorganismen vermischen und verkleben Bodenpartikel zu stabilen Aggregaten. Wühlende Bodentiere, wie Regenwürmer und Nagetiere, tragen zur Bodenentwicklung bei, indem sie den Boden lockern und mischen (Bioturbation); dabei wirken sie jedoch einer Profildifferenzierung entgegen. Außerordentlich vielschichtig sind die Eingriffe des Menschen in die Bodenentwicklung (Bodenbearbeitung). Indirekte Einflüsse haben Rodung, Reliefveränderungen (Terrassierung), Entwässerung, Grundwassernutzung, Gewässerverbauung und Tritt(verdichtung) durch Mensch und Tier. Neue, anthropogene Böden entstehen bei Abtorfung von Mooren, Tiefumbruch von Podsolen, Überschlickung und Überflutungen, Plaggennutzung usw. Bodenbeeinflussende landwirtschaftliche Maßnahmen sind Pflügen, Düngung, Kalkung, Bewässerung, Humuszufuhr und Anbaumethoden. Dabei kann es zu Verdichtung, Verschlämmung, Erosion, Aggregatzerstörung, Humusabbau und Versalzung (Bodenversalzung) kommen. Im Oberboden entsteht ein bearbeiteter Ap-Horizont (Bodenhorizonte). Fichten- und Kiefernkulturen auf forstlich genutzten Böden liefern schwer zersetzbare Streu; Folgen sind Versauerung, Rohhumusbildung und Podsolierung; Forstdüngung hat gegenteilige Wirkung. Emissionen aller Art gelangen in den Boden und werden hier von vielfältigen Mechanismen (Adsorption, Fällung, Verharzung) festgehalten, z. B. Auftausalze, Mineralöl, Schwefeloxide als saure Niederschläge, Düngemittel und Waschmittelphosphate über Oberflächenwasser und Abwasser. – Prozesse der Bodenentwicklung: vgl. Infobox. Bodengeschichte.

R.K.

Lit.: Kuntze, H., u. a.: Bodenkunde. Stuttgart 51994. Rowell, D.L.: Bodenkunde. Untersuchungsmethoden und ihre Anwendungen. Heidelberg – Berlin 1997. Schachtschabel, P., u. a.: Lehrbuch der Bodenkunde. Stuttgart 1992. Wild, A.: Umweltorientierte Bodenkunde. Heidelberg 1995.


Bodenentwicklung


Prozesse der Bodenentwicklung

Die Faktoren der Bodenentwicklung (vgl. Grundtext) bewirken je nach ihrer Kombination spezifische bodenbildende Umwandlungs- und Verlagerungsprozesse.

Verwitterung setzt am Ausgangsgestein an. Bei physikalischen Verwitterungsprozessen (
Frostsprengung, Temperatur-, Salz- oder Wurzelsprengung) wird das Gestein zerkleinert, wobei selbst Schluff (Gefügeformen) und Grobton entstehen können. Bei chemischen, insbesondere Lösungsvorgängen werden einzelne Mineralbestandteile verfrachtet und Minerale neu gebildet. Entsprechend der Löslichkeit nimmt die Auswaschungsgeschwindigkeit von den Alkalisalzen über Gips, Calcium- und Magnesiumcarbonate zu den Silicaten ab. Die Entkalkung wird beschleunigt bei niedriger Temperatur und Zufuhr von Säuren (Kohlensäure, organische Säuren der Pflanzenwurzeln, saure Niederschläge; saurer Regen), da hierdurch die Carbonatlöslichkeit gesteigert wird. Die Entkalkung selbst ist mit einer Versauerung (Bodenreaktion) verbunden. Da sich Kieselsäuren nur im sauren Milieu merklich lösen, kann die Silicatverwitterung erst nach der Entkalkung einsetzen. Tropische Böden, bei denen wegen des feucht-warmen Klimas die Silicatverwitterung begünstigt ist, können im Laufe von Jahrmillionen bis zu 60 m tief verwittert sein (Latosole). Aus Eisen- (Eisen) und Mangan-haltigen (Mangan) Mineralen werden im Verlauf der Lösungsverwitterung Fe- und Mn-Oxide freigesetzt, die dem Boden eine charakteristische Braunfärbung vermitteln (Bodenfarbe). Die Verbraunung ist häufig ein gutes Merkmal für den Verwitterungszustand des Bodens. Eng verbunden mit der Lösung und Verlagerung von Mineralbestandteilen sind die Umwandlung und Neubildung von mehrschichtigen Tonmineralen, welche für den Wasser- und Ionenhaushalt des Bodens von entscheidender Bedeutung sind. Zunehmende Tonbildung wird als Verlehmung bezeichnet.

Humusbildung: Organische Substanzen pflanzlicher oder tierischer Herkunft werden größtenteils völlig abgebaut (mineralisiert), zum Teil aber auch beim Abbau in Huminstoffe umgewandelt. Huminstoffe und Streureste bilden den Humuskörper (Humus). Ausgangsstoffe und Standortverhältnisse bestimmen die Humusform des Bodens mit charakteristischen, aufeinanderfolgenden Horizonten (Bodenhorizonte). Unzersetzte oder wenig zersetzte Streu liegt dem Boden als Rohhumus auf (L- oder O-Horizont). Moder besteht aus stärker zersetzter Streu in der Humusauflage, Huminstoffe sind in den obersten mineralischen Horizont bereits eingearbeitet (O- und Ah-Horizont). Beim Mull fehlt die Humusauflage; Humine und Tonminerale sind im stark ausgeprägten Ah-Horizont eng miteinander verbunden. Humusbildung ist im wesentlichen das Werk zersetzender und durchmischender Bodenorganismen (Lebendverbauung). Unter anoxischen Bedingungen stauenden Grundwassers oder bei Unterwasserböden bilden sich hydromorphe Humusformen mit schwach zersetzter organischer Substanz (Anmoor, Torf, Dy, Gyttja, Sapropel).

Gefügebildung: Mineralische und organische Bestandteile bilden miteinander ein räumlich geordnetes Gefüge (Gefügeformen). Für die Verkittung der Partikel zu Aggregaten sind die zwischen ihnen wirksamen Kräfte verantwortlich. Sandböden besitzen oft Einzelkorngefüge, humusreiche Böden ein Koagulatgefüge. Feinsandreiche, humose Böden weisen meist ein Krümelgefüge auf, an dessen Entstehung Regenwürmer beteiligt sind (Wurmlosungsgefüge). Ein lockeres Bodengefüge begünstigt wegen der guten Durchlüftung (Bodenluft) zahlreiche Entwicklungsprozesse. Tonreiche Böden weisen im gequollenen Zustand ein Kohärentgefüge auf, bei Trocknung und Schrumpfung kommt es zur Absonderung von prismen- oder polyederförmigen Aggregaten.

Tonverlagerung, Lessivierung: Partikel der Tonfraktion sowie Eisen- und Aluminiumoxide und -hydroxide werden bei guter Wasserführung und Dränung in Grob- und Mittelporen (Porung) oder Schwundrissen nach unten verlagert. Mobilisiert, d. h. dispergiert, werden diese Partikel erst dann, wenn koagulierende Agenzien, insbesondere Ca2+ oder Al3+, fehlen. Tonverlagerung setzt deshalb erst nach Entkalkung bzw. bei Versauerung des Bodens ein. Bei starker Versauerung (pH < 5) verhindern freiwerdende Al3+-Ionen die weitere Dispergierung. Auch hohe Salzkonzentrationen wirken koagulierend. Abgelagert werden die verfrachteten Partikel, wenn im Unterboden die Konzentration an Ca2+-Ionen oder Salzen zunimmt, die Poren (Porenvolumen) sich verengen oder blind enden. Die blättchenförmigen Minerale lagern sich meist oberflächenparallel in den Transportbahnen als Tonbeläge oder Tonbänder ab. Typische lessivierte Böden sind die Parabraunerden der kühl-humiden Klimate oder die Acrisole im warmen Klima mit jeweils einem ausgewaschenen (lessivierten) Bl-Horizont und einem mit Ton angereicherten Bt-Horizont.

Podsolierung: Niedermolekulare organische Verbindungen, die aus Pflanzenwurzeln freigesetzt werden oder bei der Streuzersetzung als Huminstoffe anfallen, bilden mit Fe2+- und Al3+-Ionen wasserlösliche metallorganische Komplexverbindungen. Diese werden mit dem Sickerwasser, ähnlich wie Tonminerale, nach unten verlagert (Eisenverlagerung). Da die Metallionen erst bei der Silicatverwitterung frei werden, ist Podsolierung nur im sauren Boden möglich. Zumeist entsteht die Versauerung durch eine Vegetation, die nährstoffarme, schwer zersetzbare Streu erzeugt (Heide, Nadelwälder). Zur Ablagerung kommt es im Unterboden, wenn der pH-Wert bzw. der Kalkgehalt steigt oder die wasserlöslichen Komplexverbindungen aus anderen Gründen zerfallen oder ausflocken. Der obere, an Humus verarmte Auswaschungshorizont oder Eluvialhorizont (Ae-Horizont) bleicht aus; im Einschwemmungshorizont, Einwaschungshorizont oder Illuvialhorizont (Bh-Horizont) lagert sich Humus ab (Humuspodsol, Orterde; Podsol); oft ist Eisen so stark angereichert, daß es zu einer Verfestigung kommt (Eisen-Humus-Podsol, Ortstein).

Hydromorphierung: Grund- oder Stauwasser dicht unter Flur beeinflussen die Profildifferenzierung, weil anoxische (reduzierende) und oxische (oxidierende) Bedingungen aneinandergrenzen. Eisen- und Manganoxide werden bei Sauerstoffmangel reduziert und bilden mit niedermolekularen organischen Verbindungen wasserlösliche Komplexe. Dabei ändert sich die Stoffverteilung im Boden. Bei typischer Vergleyung bildet sich im Bereich des gleichmäßig stagnierenden Grundwassers ein gebleichter, durch Verarmung an Metalloxiden und Entstehung fahlgrün gefärbter Eisenhydroxide gekennzeichneter Reduktionshorizont (Gr-Horizont; Gley); darüber reichern sich durch kapillaren Transport verlagerte und durch Oxidation ausgefällte Eisen- und Manganoxide an, die dem Oxidationshorizont (Go-Horizont) eine rot- bis schwarzbraune Färbung verleihen. Bei guter Wasser- und Luftdurchlässigkeit im Oberboden kann sogar ein verfestigter Anreicherungshorizont entstehen (Raseneisenstein). Schwankende Wassersättigung führt zur Pseudovergleyung. Im Bereich wechselnder Vernässung und Austrocknung entsteht ein marmorierter Horizont, in dem Rostflecken und gebleichte Zonen nebeneinanderliegen.

Carbonatisierung: Neben völliger Auswaschung von Carbonaten (Entkalkung) ist auch deren Verlagerung bzw. Anreicherung in verschiedenen Horizonten möglich. In trockenem Klima mit geringen Sickerwassermengen werden die gelösten Hydrogencarbonate im Unterboden wieder ausgefällt und akkumuliert, teils als Konkretionen in Hohlräumen oder bei gleichmäßiger Verteilung als verfestigte Kalkbänke. Aus kalkhaltigem Grundwasser kann an der Bodenoberfläche bei CO2-Entzug (Photosynthese der Pflanzen) Carbonat ausfallen (Wiesenkalk oder Almkalk). Ebenso kann in ariden Gebieten mit aufwärtsgerichtetem Bodenwasserstrom an der Oberfläche Kalk in Form von Krusten angereichert werden.

Versalzung: Sie ist im humiden Klima nur im Küstenbereich (Marschböden) oder in der Nähe salzhaltiger Quellen anzutreffen (Salzböden). Zunehmend erhöht sich die Salzbelastung zahlreicher Binnenlandböden mit steigender Salzfracht in Flüssen durch Verregnung Natrium-haltiger Abwässer und durch Auftausalze (Streusalzschäden). Arides Klima begünstigt die Salzanreicherung, da bei der hohen Verdunstung die gelösten Ionen im Oberboden zurückbleiben. Salze können über Niederschläge (verfrachtete Meeresgischt) oder mit Oberflächenwasser herbeitransportiert werden sowie aus geologischen Ablagerungen mit dem Grundwasser aufsteigen; es entstehen Alkaliböden. Mit der Bewässerung und Landnutzung in ariden Gebieten stellt sich grundsätzlich das Problem der künstlichen Versalzung, die schwer reversible Bodenschädigung und Ertragsminderung nach sich zieht.

Turbationen: Innerhalb eines Bodenhorizonts oder über die Horizontgrenze hinaus wird Bodenmaterial vermischt durch wühlende Bodentiere (Bioturbation, Bodenorganismen), durch wiederholtes Schrumpfen und durch Quellen, die Hydroturbation, oder durch Eisbildung und durch Tauen, die Kryoturbation.

R.K.




Bodenentwicklung

Bodenbildende Faktoren

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