Skript zum Praktikum Bodenkunde I, SS2003

Transcrição

TECHNISCHE UNIVERSITÄT BRAUNSCHWEIG
Institut für
Bodenphysik
Geoökologie,
Abt.
Bodenkunde
und
Bodenkundliches Praktikum I
für Studierende der Geoökologie
4. Semester
W. Durner und R. Nieder
Braunschweig, April 2003
Durner, W. und R. Nieder (2003): Bodenkundliches Praktikum I. Skript. Institut für Geoökologie, Abteilung Bodenkunde und Bodenphysik, TU Braunschweig, 77 Seiten.
ii
III
Vorwort
Das mit dem vorliegenden Skript beschriebene Grundpraktikum Bodenkunde hat einen
Projektcharakter. Dies bedeutet, dass von den Studierenden neben den reinen Laborarbeiten
eine einführende Probenahme im Feld mit zugehöriger Standortsansprache, sowie als
Abschluss der Veranstaltung eine synoptische Darstellung aller Versuchsergebnisse in Form
eines Symposiums vorgenommen wird.
Das Praktikum umfasst acht praxisrelevante Laborversuche. Auf Grundlage der Versuchsergebnisse sollen zwei Standorte mit unterschiedlichen Eigenschaften bodenkundlichökologisch charakterisiert werden. Wir legen großen Wert darauf, dass die Ergebnisse der
einzelnen Versuche dieser Intention entsprechend nicht isoliert, sondern in ihrer Gesamtheit
gesehen werden. Auch hoffen wir, dass die Versuche
nicht
„nach Kochrezept“
heruntergespult, sondern mit Neugierde auf das jeweilige Resultat durchgeführt werden.
Die Darstellung der Arbeiten in diesem Skript erfolgt in drei Teilen. Im ersten Teil
„Organisatorisches“ finden sich alle technischen Angaben im Zusammenhang mit dem
geplanten Ablauf des Praktikums. Der zweite Teil Probenahme und Probenvorbereitung gibt
ausführlich Hinweise auf Aspekte, die bei der bodenphysikalischen und bodenchemischen
Probnahme wichtig sind. Im dritten Teil finden sich acht Versuchsbeschreibungen. Zu jedem
Versuch werden zunächst die methodischen Grundlagen und die Versuchsdurchführung
beschrieben, gefolgt von Hinweisen zur Auswertung. In einigen Fällen sind die
Auswertungen bewusst nicht bis zur letzten Gleichungsumformung beschrieben, die
gegebenen Informationen sollten jedoch stets zur Beantwortung der Fragestellung
ausreichen. Bei Fragen zu Auswertungen können aber stets die Versuchsbetreuer – auch
außerhalb der Praktikumzeiten – konsultiert werden. Den Abschluss jedes Kapitels bildet die
konkrete Aufgabenstellung.
Angesichts der begrenzten Zahl der Versuchstage mussten wir uns auf eine kleine Auswahl
bodenchemischer und bodenphysikalischer Untersuchungsmethoden beschränken, wobei
die Methodenauswahl aufgrund der oben genannten Zielrichtung erfolgte. Die Versuchsbeschreibungen beruhen teilweise auf Skriptvorlagen für die Praktika der vergangenen
Jahre. Stärkere Überarbeitungen fanden insbesondere für die bodenphysikalischen
Versuche statt, wobei die Skripte „Geoökologisches Freilandpraktikum – Physikalische
Methoden“ (Durner et al., 2000) „Methoden der Bodenphysik“ (Huwe et al., 1999),
„Kulturtechnisch-bodenkundliches Praktikum“ (Kretzschmar, 1996) sowie Teile der „Methods
of Soil Analysis – Physical Methods“ (Klute, 1986) als Vorlagen dienten.
Braunschweig, im April 2003,
W. Durner und R. Nieder
IV
v
Inhaltsverzeichnis
Ziel und Ablauf
1
1. Ziel des Praktikums......................................................................................................... 1
2. Überblick über Verfahren und Methoden........................................................................ 1
3. Teilnehmer und Teilnahmevoraussetzungen ................................................................. 2
4. Zeitlicher Umfang............................................................................................................ 2
5. Besondere Hinweise ....................................................................................................... 3
5. Literatur ........................................................................................................................... 5
Probenahme und Probenvorbereitung
6
1. Allgemeines .................................................................................................................... 6
2. Probenahme gestörter Bodenproben ............................................................................. 7
3. Probenahme „ungestörter“ Bodensäulen ....................................................................... 9
4. Probenahme für Stechzylinder ..................................................................................... 12
5. Bodenansprache (Texturbestimmung) ......................................................................... 13
6. Literatur ......................................................................................................................... 18
7. Aufgaben Probenahme ................................................................................................. 18
8. Aufgaben Probenvorbereitung...................................................................................... 19
Versuch 1: Körnungsanalyse
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Versuch 2: Lagerungsdichte, Porosität, Feldkapazität,
Porengrößenverteilung
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
45
Versuchsdurchführung bei konstantem Überstau .................................................. 45
Versuchsdurchführung bei fallendem Überstau ..................................................... 47
Auswertung............................................................................................................. 48
Aufgabe .................................................................................................................. 49
Versuch 4: Wasserretention und Luftleitfähigkeit
4.1
4.2
4.3
4.4
34
Grundlagen ............................................................................................................. 34
Begriffsdefinitionen ................................................................................................. 35
Versuchsdurchführung ........................................................................................... 37
Literatur................................................................................................................... 42
Aufgabe .................................................................................................................. 42
Versuch 3: Gesättigte Wasserleitfähigkeit
3.1
3.2
3.3
3.4
21
Grundlagen ............................................................................................................. 21
Prinzip ..................................................................................................................... 23
Probenvorbereitung (nach DIN 19683, Blatt 2) ...................................................... 25
Siebung (nach DIN 19683, Blatt 1 und 2, DIN 18123) ........................................... 27
Kettenaräometer-Methode...................................................................................... 28
Literatur................................................................................................................... 32
Aufgabe .................................................................................................................. 33
50
Grundlagen ............................................................................................................. 50
Versuchsdurchführung ........................................................................................... 52
Auswertung............................................................................................................. 54
Aufgaben ................................................................................................................ 54
vi
Versuch 5: Gehalt des Bodens an organischer Substanz und biologische
Umsetzungsrate
50
5.1
5.2
5.3
Grundlagen ............................................................................................................. 56
Ermittlung des Gehaltes an organischer Substanz ................................................ 56
Biologische Umsetzungsrate: Adsorptionsmethode nach Isermeyer..................... 58
Versuch 6: pH-Wert, Kalkbedarf und elektrische Leitfähigkeit
6.1
6.2
6.3
Bestimmung des pH-Wertes................................................................................... 60
Bestimmung des Kalkbedarfs................................................................................. 63
Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit............................................................. 64
Versuch 7: Nährstoffgehalt und -Verfügbarkeit
7.1
7.2
7.3
7.4
65
Grundlagen ............................................................................................................. 65
Aufgabe .................................................................................................................. 66
Durchführung .......................................................................................................... 66
Auswertung............................................................................................................. 67
Versuch 8: Austauschbare Kationen und Austauschkapazität
8.1
8.2
8.3
8.4
60
68
Grundlagen ............................................................................................................. 68
Technik der Versuchsanstellung ............................................................................ 68
Durchführung .......................................................................................................... 68
Bestimmung von K, Na, Ca, Mg und Al .................................................................. 69
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Geräte-Aufbau zur Probenahme der ungestörten Bodensäule. .................................. 10
Abb. 2: Einrammen des Zylinder-Verbundes ........................................................................... 11
Abb. 3: Diagramm der Bodenartenuntergruppen des Feinbodens (aus AG Boden, 1994). .... 14
Abb. 4: Körnungssummenkurven für Kies, Ton und Lehm (aus DIN 18123)........................... 24
Abb. 5: Auswertung einer Trockensiebung (aus DIN 18683)................................................... 27
Abb. 6: Aräometer (aus DIN 18123)......................................................................................... 29
Abb. 7: Vordruck zur Aräometer-Auswertung (aus DIN 18123) und Temperaturkorrektur
CT. ................................................................................................................................ 30
Abb. 8: Nomogramm zur Aräometermessung-Auswertung (aus DIN 18123).......................... 31
Abb. 9: Beispiel zur Aräometer-Auswertung (aus DIN 18123)................................................. 32
Abb. 10: Unterdruckmethode zur Messung der Retentionscharakteristik (aus Huwe, 1999). . 38
Abb. 11: Überdruckmethode zur Messung der Retentionskurve (Abb. aus Huwe, 1999). ...... 41
Abb. 12: Aufbau der Ks-Messung. ........................................................................................... 45
Abb. 13: Aufbau der Ks-Messung- „falling head“. .................................................................... 47
Abb. 14: Multi-Step-Experiment: typische Ergebnisse für einen lehmigen Sand..................... 51
Abb. 15: Bestimmung der Luftleitfähigkeit................................................................................ 53
vii
Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Kornfraktionen des Feinbodens (Faksimile der Tab. 24 aus AG Boden, 1994). ......... 14
Tab. 2: Definition der Bindigkeitsstufen (aus Bodenkundl. Kartieranleitung, AG Boden,
1994)............................................................................................................................ 15
Tab. 3: Definition der Formbarkeitsstufen (aus Bodenkundl. Kartieranleitung, AG Boden,
1994)............................................................................................................................ 15
Tab. 4: Schlüssel zur Bestimmung der Bodenarten des Feinbodens im Gelände mittels
Fingerprobe (Faksimile der Tabelle 29 der Bodenkundlichen Kartieranleitung) ......... 16
Tab. 5: Korngrößenklasseneinteilung nach bodenkundlicher Kartieranleitung (1994) ............ 23
Tab. 6: Einteilung der Porengrößenbereiche nach dem Porendurchmesser und pF-Wert. .... 34
Tab. 7: Einteilung der Luftleitfähigkeiten. ................................................................................. 52
Tab. 8: Anzustrebende pH-Werte von Acker- und Grünland in Abhängigkeit vom Ton- und
Humusgehalt................................................................................................................ 62
Tab. 9: Notwendige Kalkmenge für Oberböden ....................................................................... 63
Ziel und Ablauf
1. Ziel des Praktikums
Ziel des Praktikums ist, an zwei Beispielstandorten eine Reihe von grundlegenden
bodenkundlichen Analysen vorzunehmen, die für eine bodenkundlich-ökologische Basischarakterisierung von Standorteigenschaften nötig sind.
Sie werden als Praktikumsteilnehmer anhand dieser Bestimmungen eine Palette von heute
üblichen Labormethoden aus dem bodenkundlich/bodenphysikalischen Bereich kennen
lernen. Durch den Vergleich Ihrer Ergebnisse mit den parallelen Messungen Ihrer
Kommilitonen werden Sie ein Gefühl für die Genauigkeit der Messmethoden sowie für
räumliche Variabilität erhalten. Durch den notwendigen Austausch von Daten zwischen den
Gruppen (und sogar zwischen verschiedenen Lehrveranstaltungen) werden Sie mit der
Notwendigkeit konfrontiert, Datenhaltung und Datenaustausch unter Nutzung von
Datenservern und dem Tabellenkalkulationsprogramm EXCEL vorzunehmen. Durch die
Anfertigung eines Protokolls werden Sie grundlegende Techniken zur Abfassung
wissenschaftlicher Arbeiten anwenden, und quasi als „Beiprodukt“ gezwungen sein, sich mit
computergestützter Textverarbeitung zu beschäftigen. Und schließlich – last but not least –
sollen Sie lernen, ihre Ergebnisse vor einer Audienz kurz und prägnant, dabei aber
vollständig und präzise zu präsentieren.
Sollten Sie im bisherigen Studium sich noch nicht intensiv mit dem Computer umgegangen
sein, so werden Sie die letztgenannten Elemente wahrscheinlich als zeitaufwendig und
vielleicht auch anstrengend empfinden. Denken sie aber daran, dass Sie sich damit
grundlegende Qualifikationen erarbeiten, die für ihr Hauptstudium, die Studien- und
Diplomarbeit, sowie für die nachfolgende Berufstätigkeit nicht nur sinnvoll, sondern absolut
notwendig sein werden.
2. Überblick über Verfahren und Methoden
Im Gelände werden folgende Arbeiten durchgeführt
1. Bodenansprache und Probenahme
– Profilansprache; Horizonteinteilung; Fingerprobe
– Horizontweise Beprobung des Profils: Bodensäulen, Stechzylinder, Beutelproben
Im Labor werden folgende Arbeiten durchgeführt
1. Probenvorbereitung
– Trocknen von Bodenmaterial (Trockenschrank, 105°C)
– Aufkalken in 4 Schritten (Oberbodenmaterial)
– Aufsättigen von Stechzylindern (100 cm³) und Bodensäulen (500 cm³)
– Packen von Stechringen (1 cm³) für die Drucktöpfe
– Zerstören von organischen Kittsubstanzen für Korngrößenanalyse
2. Bestimmung der Korngrößenverteilung
Zerstörung von Kittsubstanzen, von organischer Substanz (H2O2), Dispergieren der
2
Ziel und Ablauf
Proben. Siebung, Aräometermethode (teilweise Pipettmethode) zur Bestimmung der
Feinkornanteile.
3. Bestimmung von Feldwassergehalt, Feldkapazität, Gesamtporenvolumen, Luftvolumen, und Porengrößenverteilung.
4. Bestimmung von gesättigter hydraulischer Leitfähigkeit und Luftleitfähigkeit bei
unterschiedlichen Wassersättigungen
5. Bestimmung des Gehalts an organischer Substanz und an Karbonat
6. Bestimmung der biologischen Umsetzungsrate der organischen Substanz
7. Bestimmung der Zusammensetzung der Bodenlösung (Kationen und Anionen,
Ionenstärke, elektrische Leitfähigkeit, pH)
8. Bestimmung der Kationenaustauschkapazität (KAK), der Nährstoffgehalte und der
Nährstoffverfügbarkeit
3. Teilnehmer und Teilnahmevoraussetzungen
Das Praktikum wendet sich an Studierende der Geoökologie im Grundstudium. Die
Teilnahme am Praktikum ist Pflicht, die Teilnahme wird durch Schein bestätigt. Voraussetzung zur Teilnahme sind die Immatrikulation im Studienfach Geoökologie an der TU
Braunschweig und die Erreichbarkeit unter einer E-mail-Adresse.
Das Praktikum und die Auswertungen erfordern den sicheren Umgang mit computergestützten Dokumentations-, Auswerte- und Präsentationsverfahren, sowie den Datenaustausch über Internet. Es besteht die Möglichkeit, am Computer-Pool des Instituts
entsprechende Software (MS-Office, Star-Office) zu nutzen. Eine Einführung in MSPowerpoint erfolgt zu gegebener Zeit.
Am ersten Praktikumstermin erfolgt eine Sicherheitsbelehrung für die Arbeiten im Labor. Die
Teilnahme an der Sicherheitsbelehrung ist Pflicht und muss durch Unterschrift bestätigt
werden.
Voraussetzung für den Erhalt des Scheins sind
1. die Teilnahme am Praktikum an allen Terminen
2. die Darstellung aller Versuchsergebnisse einer Gruppe in einem Gruppenprotokoll
3. die Darstellung der praktikumsweiten Ergebnisse eines Versuches in der
Schlusspräsentation
4. Zeitlicher Umfang
Das Praktikum gliedert sich in eine Vorbesprechung mit Sicherheitsbelehrung, eine
Probenahme im Feld, einen Vorbereitungstermin, 8 Einzelversuchseinheiten, sowie zwei
abschließenden Präsentations- und Diskussionstermine. Anwesenheit ist zu allen Terminen
Pflicht. Tragen Sie sich bitte zu jedem Termin um 8:00 Uhr in die Anwesenheitsliste ein. Bei
mehr als zweimaliger Verspätung wird kein Schein mehr ausgestellt werden. Können Sie zu
einem Termin nicht erscheinen, so nehmen Sie bitte im Vorfeld Kontakt zur
Praktikumsleitung auf (E-mail an [email protected] und in cc an [email protected]).
Die Teilnehmerinnen teilen sich zur Vorbesprechung in insgesamt 8 Gruppen auf. Diese
Gruppen übernehmen die Durchführung der einzelnen Versuche und die Anfertigung der
Gruppenprotokolle. Am Abschlusssymposium werden alle Ergebnisse eines Versuchstyps
Ziel und Ablauf
3
durch jeweils eine Gruppe zusammengefasst und präsentiert. Es ist deshalb von Anfang an
ein sehr disziplinierter Datenaustausch notwendig.
Die Aufteilung der Versuche auf die Praktikumstermine sowie Zuordnung der Aufgaben für
die Präsentation im Abschlusssymposium ist wie folgt:
Termin
Gr. 1
Gr. 2
Gr. 3
Gr. 4
Gr. 5
Gr. 6
Gr. 7
Gr. 8
10. April 2003
Vorbesprechung mit Ausgabe der Skripte und Sicherheitsbelehrung
11. April 2003
Probenahme
17. April 2003
Probenvorbereitung
Untersuchungen Boden „FAL“
24. April 2003
V1
V2*
V3
V4
V5
V6
V7
V8
8. Mai 2003
V2*
V3
V4
V1
V6
V7
V8
V5
15. Mai 2003
V3
V4
V1
V2*
V7
V8
V5
V6
22. Mai 2003
V4
V1
V2*
V3
V8
V5
V6
V7
Untersuchungen Boden „Podsol“
5. Juni 2003
V5
V6
V7
V8
V1
V2*
V3
V4
19. Juni 2003
V6
V7
V8
V5
V2*
V3
V4
V1
26. Juni 2003
V7
V8
V5
V6
V3
V4
V1
V2*
3. Juli 2003
V8
V5
V6
V7
V4
V1
V2*
V3
Symposium: Schlusspräsentationen
17. Juli 2003
V1
V2*
V3
V4
-
-
-
-
18. Juli 2003
-
-
-
-
V5
V6
V7
V8
24.4. bis 22.5.: V1 bis V8 = Versuch 1 bis Versuch 8 am Boden „FAL“·
5.6. bis 3.7. V1 bis V8 = Versuch 1 bis Versuch 8 am Boden „Podsol“
* Die Termine des Versuches 2 sind individuell und müssen mit dem Betreuer abgesprochen werden!
5. Besondere Hinweise
Protokolle
Die Protokolle sind mit Textverarbeitung (LaTeX, Word, StarOffice) anzufertigen und sowohl
in Papierform und als einzelner File bis zum 31. Juli 2003 abzugeben. Ein Protokoll enthält
1. die Namen der Beteiligten und die Gruppennummer
2. Für jede Aufgabe das Datum, die Nummer und Bezeichnung der Aufgabe
Die Darstellung jeder Aufgabe sollte wie folgt gegliedert sein (in allen Punkten ausgewogen):
1. Einleitung und Fragestellung (Was ist Sinn und Ziel der Aufgabe?)
2. Methode (wie wurde die Untersuchung durchgeführt, einschließlich Berechnungen)
3. Ergebnisse (einschließlich Tabellen und graphischen Darstellungen)
4. Diskussion (was bedeutet das Ergebnis im Hinblick auf die Fragestellung?)
Bei der Abfassung der Protokolle sind die Standards zur Abfassung wissenschaftlicher
Arbeiten einzuhalten1 (Durner, 2003). Bei Verwendung eines Textverarbeitungssystems (am
Computer Pool des Instituts für Geoökologie sind MS-Office und Star-Office installiert!) sollte
1
Durner W. (2003): Anleitung zur Abfassung wissenschaftlicher Arbeiten. Institut für Geoökologie, TU Braunschweig
(http://www.soil.tu-bs.de/lehre/Skripte/2003.Wissenschaftliches_Schreiben.pdf, 01.03.2003).
4
Ziel und Ablauf
mit Druckformatvorlagen gearbeitet werden.2
Es wird dringend angeraten, die Protokolle zu jedem Versuch möglichst innerhalb der
direkten Folgewoche anzufertigen, da der Umgang mit der Software auf diese Art
schrittweise erlernt werden kann!
Kleidung
Zum Praktikum wird schmutzunempfindliche Schutzkleidung angeraten; für den ersten
Praktikumstag (Probenahme und –verarbeitung) ist darauf zu achten, dass der Witterung
angepasste Kleidung (warm, regendicht, verschmutzungsunempfindlich) getragen wird; dies
gilt besonders für das Schuhwerk. Je nach Witterung für den Wechsel vom Feld ins Labor
sollte man evtl. verschiedene Schuhe vorsehen. Im Labor ist das Tragen eines Laborkittels
sowie von geschlossenen Schuhen (keine Sandalen!) Pflicht.
Standortschonung
Probenahmen sind relativ radikale Eingriffe in Standorte und Standorteigenschaften. Hauptprobleme sind (1) Verdichtungen durch Betreten, und (2) Massenverlust durch Materialentnahmen und (3) Umlagerungen und Aufhäufungen von Bodenmassen an Stellen, wo sie
nicht hingehören. Der beste Schutz vor schädlichen Bodenveränderungen liegt demgemäss
darin, die Probenahmefläche so wenig wie möglich zu betreten, entnommene Massen zu
ersetzen, und notwendige Umlagerungen unmittelbar nach der Probenahme soweit möglich
zu revidieren. Dies bedeutet, dass Probenahmen bei oberflächlich abgetrockneten Böden
erfolgen sollten3, die Flächen nur von den Personen betreten werden, die dort auch zu
arbeiten haben, dass kein unnötiges Herumgehen stattfindet, und dass bei Umschichtungen
darauf geachtet wird, das sie reversibel vorgenommen werden (bei Aushebungen Trennung
von Ober- und Unterboden).
Besonders problematisch ist meist die Entnahme von ungestörten Bodenproben, die
ausgegraben werden müssen. Falls dies auf Vegetationsflächen erfolgt, hat sich das
Abstechen von Soden an der Oberfläche bewährt, die nach dem Eingriff wieder eingesetzt
werden können. Das ausgehobene Material, das zur späteren Rückverfüllung verwendet
werden soll, wird günstigerweise auf einer Folie abgelagert, so dass die darunterliegende
Vegetation nicht eingeschlämmt wird. Für größere Bodensäulen setzen wir in diesem
Praktikum eine hier entwickelte Probenahmetechnik ein, die bei sorgfältiger Ausführung eine
absolut minimale Bodenbelastung ergibt, da kaum Bodenmassen umgelagert werden
müssen.
Bitte seien Sie sich der Problematik der Standortschädigung bewusst, und nehmen Sie
gerade als GeoökologInnen die Standortschonung nicht auf die leichte Schulter! Es sollte ihr
Ehrgeiz sein, „ihren“ Standort so minimal wie möglich zu stören. Die Standortschonung ist
zum einen aus ästhetischen Gesichtspunkten, zum anderen aus ökologischen
Gesichtspunkten zu sehen. Der Idealfall ist erreicht, wenn der Standort nach der
Probenahme genau so aussieht wie vorher, und wenn das Pflanzenwachstum durch die
Probenahme unbeeinflusst bleibt.
Kommunikation
Die Kommunikation zwischen Praktikumsleitung und den Teilnehmern wird neben den
Laborterminen über E-mail und WWW erfolgen (http://www.soil.tu-bs.de/lehre/). Es wird
davon ausgegangen, dass E-mails regelmäßig gecheckt werden und ein Zugang zum WWW
für alle TeilnehmerInnen unproblematisch ist (Zugang u.A. im Computerpool des Instituts für
Geoökologie).
2
Eine Vorlage für das Protokoll mit sinnvoll definierten Druckvorlagen-Elementen können Sie unter
http://www.soil.tu-bs.de/lehre/Skripte/2003.Protokollvorlage.doc herunterladen.
3
Diese Punkt haben wir im Rahmen des Praktikums allerdings nicht im Griff, da der Probenahmetermin
witterungsunabhängig vorgegeben ist.
Ziel und Ablauf
5
5. Literatur
AG Boden, 1994. Bodenkundliche Kartieranleitung, 4. Auflage. Schweizerbart'sche
Verlagsbuchhandlung, Stuttgart.
Durner W., T. Foken und B. Huwe, 2000. „Geoökologisches Freilandpraktikum –
Physikalische Methoden“. Skript, Lehrstuhl für Hydrologie, Universität Bayreuth.
Hartge K.-H., und R. Horn, 1992. Die physikalische Untersuchung von Böden. 3. Auflage.
Enke Verlag, Stuttgart.
Huwe B., K.U. Totsche, I. Dörfler und I. Nestler, 1999. Methoden der Bodenphysik. Skript
zum bodenphysikalischen Laborpraktikum, Abteilung Bodenphysik, Universität
Bayreuth.
Klute A. (Hrsg.), 1986. Methods of Soil Analysis, Part 1, 2nd Ed. Agronomy Monogr. 9, ASA
and SSSA, Madison, WI.
Kretschmar, R. 1996. Kulturtechnisch-bodenkundliches Praktikum. Ausgewählte Labor- und
Feldmethoden. Inst. für Wasserwirtschaft und Landschaftsökologie, ChristianAlbrechts-Universität Kiel.
Scheffer/Schachtschabel 1998. Schachtschabel, P., Blume, H.-P., Brümmer, G., Hartge, K.H., Schwertmann, U. (Hrsg.), Lehrbuch der Bodenkunde, 14. Auflage. Ferdinand Enke
Verlag Stuttgart.
1. Allgemeines
Die Festlegung einer geeigneten Probenahmestrategie ist im Rahmen von Umweltuntersuchungen jeder Art von größter Bedeutung für einen Projekterfolg, da Fehler im
Ansatz, oder Fehler und Nachlässigkeiten in der Durchführung der Probenahme in späteren
Schritten nicht mehr korrigiert werden können. Die Probenahmestrategie definiert die Zeit, die
Methodik und die Technik der Probenentnahme, die Festlegung von Ort und Tiefen, den
Probentransport, die Probenlagerung und die Probenaufbereitung.
Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwischen einer gestörten Probenahme, bei dem Material
für chemische Analytik und für Batch-Versuche gewonnen wird, und einer „ungestörten“
Probenahme, die dazu dient, Proben zur Bestimmung bodenphysikalischer Parameter und für
Perkolationsversuche zu gewinnen. Auf die spezifische Problematik der ungestörten
Probenahme und der räumlichen Variabilität werden wir im fünften Semester (Bodenphysik I)
näher eingehen.
Ja nach Zielstellung, Vorarbeiten, Zugänglichkeit des Standorts, Zeit- und Geldaufwand
können gestörte Probematerialien aufgrund von Punktmessungen (Bohrstockeinschläge;
Rammkernsondierungen; Bohrungen) oder an Profilwänden („Schürfen“) erfolgen. Ungestörte
Probenahmen erfolgen fast ausschließlich über eingerammte Stechzylinder, wobei für die
Probenahmen in größeren Tiefen entsprechende Freilegungen erfolgen müssen. In
Einzelfällen werden ungestörte Proben auch über die Freilegung von Monolithen oder über
Kernbohrungen an gefrorenem Material gewonnen.
1.1.1
Stichprobenauswahl, - Grösse, und -Repräsentativität
Probenahme bedeutet allgemein die Auswahl einer Stichprobe aus einer möglichen Zahl von
Objekten, der Grundgesamtheit. Die Grundgesamtheit im Rahmen dieses Praktikums ist ein
Bodenbereich, der in Hinblick auf Ort (d.h. seine räumliche Ausdehnung in den drei
Raumkoordinaten) und in der Zeit (d.h. den Zeitpunkt oder Zeitraum des Interesses) konkret
eingegrenzt werden muss. Diese Grundgesamtheit wird oft einfach mit dem Wort „Standort“
bezeichnet.
Unsere "Objekte" sind gestörte oder ungestörte Bodenproben. Die Proben, die wir gewinnen,
sollen die Eigenschaften, die wir daran messen wollen, in einer für den Standort typischen
Weise repräsentieren. Da Böden alles andere als homogene Objekte sind, und Eigenschaften
gerade in der ungesättigten Bodenzone auf extrem kurzen Distanzen erheblich variieren
können, ist eine repräsentative Stichprobenauswahl für dieses Umweltkompartiment
außerordentlich schwierig. Um einen halbwegs objektivierbaren Standard zu erreichen, ist es
nötig, die Probenahme nach akzeptierten Regeln der Technik durchzuführen, und sich dabei
an bewährte Probenahmeprotokolle zu halten.
Erster Schritt ist die genaue Identifikation der interessierenden Grundgesamtheit. Ist es ein
lokal eng begrenzter Bodenkörper, ein Schlag, ein Acker, eine Region? Interessiert im
Wesentlichen der Oberboden, der verwitterte Boden bis zum C-Horizont, oder die gesamte
7
ungesättigte Zone?
Im zweiten Schritt muss man sich darüber klar werden, was genau an dieser in Zeit und
Raum spezifizierten Grundgesamtheit interessiert: Sind es darin vorhandene Massen an
bodeneigenen Stoffen wie organischem Kohlenstoff, an Nährstoffen, an Schadstoffen ? Ist es
Verhalten des Bodens in Hinblick auf den Wasser-, Gas- und Stoffaustausch mit der
Atmosphäre oder dem Grundwasser? Im ersten Fall ist die Erhaltung der Bodenstruktur bei
der Probenahme nicht wichtig, es können „gestörte“ Proben genommen werden, und die
Bildung von Mischproben kann den analytischen Aufwand beträchtlich mindern.
Probenahmen für die zweite Fragestellung, die Charakterisierung der Transportfunktionen
des Bodens, sind in ihrer Schwierigkeit in zweierlei Hinsicht enorm gesteigert: Da die Proben
nun als ungestörte Ausschnitte des natürlich gelagerten Bodens entnommen werden müssen,
ist keine Mischprobenbildung möglich. Dies hat zur Folge, dass die Frage nach der
geeigneten Probengröße eine zentrale Bedeutung einnimmt. Ziel ist, eine Bodenprobe in
einer Größe zu nehmen, welche die durchschnittlichen Eigenschaften des natürlich
gelagerten Bodens in Hinblick auf die interessierenden Prozesse charakteristisch
widerspiegelt (Wassertransport, Stofftransport). Näheres zu theoretischen Konzepten
(Stichwort „REV“) und Probenahmestrategien in diesem Zusammenhang werden wir im
Hauptstudium kennen lernen.
1.1.2
Beprobungsprotokolle und Qualitätskontrolle
Wenn wir ein Beprobungsschema entwerfen, bauen wir in der Regel auf gewachsene
Erfahrungen mit ähnlichen Messungen und auf eventuell vorliegenden Kenntnissen über den
Standort auf. Damit besitzen wir eine a priori - Vorstellung über die zu erwartende
Größenordnung der Messungen und über die Variabilität der Messungen. Für viele
Beprobungszwecke liegen schematisierte Beprobungsprotokolle vor, die eine adäquate
Handhabung von Beprobungstechniken, eine lückenlose Protokollierung, und die
Vergleichbarkeit der erhaltenen Ergebnisse mit anderen Studien gewährleisten.
Im Rahmen unsers Praktikums wollen wir versuchen, „typische“ Standortseigenschaften zu
erfassen. Den Aspekt der horizontalen räumlichen Variabilität auf größerer Skala werden wir
aus Aufwandsgründen ausklammern. Allerdings interessieren uns - basierend auf unserem
Wissen über typischen Horizontierungen aufgrund von Bodenbildungsprozessen - die
Tiefengradienten von Bodeneigenschaften. Sofern dies möglich ist, ist es deshalb vernünftig,
das einer Bodenschicht oder einem Bodenhorizont zugeordnete Material aus mehreren
Einschlägen oder Einzelentnahmen zu gewinnen und zu einer Mischprobe zu vereinen, um
somit zu tiefendifferenzierten, aber flächengemittelten Aussagen zu gelangen.
Das Beprobungsprotokoll sollte die folgenden Punkte umfassen:
1 Beprobungs-Strategie
Anzahl und Art der Proben, genauer Ort der Beprobung, Tiefenbereiche, Zeiten,
Dauer, Namen der Bearbeiter, besondere Vorkommnisse.
2 Methoden
Beprobungstechniken und benutzte Ausrüstung.
3 Lagerung
Art und evtl. Konditionierung der Behältnisse, Maßnahmen zur Präservierung der
Proben, Lagerzeiten.
4 Analytische Methoden
Eine Liste aller verwendeten analytischen Methoden und ihrer Messgenauigkeit
(physikalische Messungen) bzw. Nachweisgrenzen (chemische Methoden).
2. Probenahme gestörter Bodenproben
Zur Messung von Gesamt-Stoffkonzentrationen oder Wassergehalten in Bodenproben ist es
8
nicht nötig, die natürliche Bodenstruktur zu erhalten. Die Probenahme kann in solchen Fällen
unkompliziert durch Entnahme eines gewünschten Bodenvolumens und Überführung in ein
Transportbehältnis erfolgen. Die zu messenden Bodeneigenschaften werden auf die
Bodenmasse bezogen, und können über begleitende Messungen der Lagerungsdichte auf
Bodenvolumen umgerechnet werden.
2.1
Probenahmetechnik
Die Probenahme von gestörtem Bodenmaterial im oberflächennahen Bereich ist relativ
problemlos, und erfolgt durch Anlegen einer Beprobungsgrube. Bei der Probenahme aus
größeren Tiefen erfolgt die Materialgewinnung je nach vorhandener Ausrüstung Beprobungstiefe und Beprobungszweck mit Kernbohrern (Nmin-Bohrer, Pürkhauer, Rammkernsonde)
oder mit Gewindebohrern (Edelmann).
Zu beachten ist, dass Material aus verschiedenen Tiefen leicht verschleppt wird.
Insbesondere die Verschleppung von höhergelegenem Material in die tieferen Horizonte ist
relativ häufig, und stellt bei der Probenahme mit dem Pürkhauer oder der Rammkernsonde
ein nicht zu unterschätzendes Problem dar. Nehmen Sie deshalb Proben aus den ersten 50
cm des Bodens - wenn praktikabel - besser mit dem Spaten!
Zu beachten ist weiterhin, dass für die Probenahmegeräte und die Transportbehältnisse
Materialien verwendet werden, die keine Interaktion zu den interessierenden Stoffen
aufweisen. In der Spurenanalytik bedeutet dies, dass für Probenahmen zum Zweck der
Schwermetallanalyse metallische Geräte und Gefäße vermieden werden, während für
organische Spurenanalytik die Verwendung von Kunststoffgeräten zu vermeiden ist.
Verbreitet ist die Verwendung von PE-Tüten und -flaschen, Weithals-Glasflaschen, und von
Aluminiumgefäßen. Wählen Sie die Transportbehältnisse für ihre Analysezwecke groß und
robust genug (Reißfestigkeit bei Tüten!), versuchen Sie durch Mischprobenbildung die
Repräsentativität für die untersuchte Bodenzone zu maximieren, und vergessen sie nicht die
sorgfältige, wischfeste Beschriftung (Edding) mit allen relevanten Daten (Gruppe, Datum,
Standort, Tiefenbereich).
Beachten Sie, dass durch den Transport in den Gefäßen leicht verfälschende Entmischungen
stattfinden. Durch Vibrationen erfolgt immer ein Absetzen von kleinen Teilchen und eine
Häufung von großen Teilchen im oberen Bereich und an Gefäßwandungen. Vor der Analytik
ist daher sicherzustellen, dass die Gesamtmenge verwendet wird, oder aber eine
repräsentative Untermenge gewonnen wird (dies ist nicht trivial!). Weiterhin findet man in PETüten oft eine Kondensation von Bodenwasser an der Plastikoberfläche. Wird der Boden aus
der Tüte dann zur Trocknung im Trockenschrank in ein Trocknungsgefäß überführt, so ist die
Wassermenge im Boden selbst bereits reduziert. In solchen Fällen ist es besser, die Probe
bereits unmittelbar bei der Probenahme in ein geeignetes Gefäß (vorgewogene Alu-Dose) zu
überführen.
Versuchen Sie bei unvermeidlichen Fehlern in jedem Fall die Größenordnung und die
Auswirkung auf das Ergebnis der Bestimmung abzuschätzen!
2.2
Geräte-Liste für gestörte Probenahmen
•
•
•
•
•
Spaten (ev. aus Kunststoff), ggf. Schaufel, Handschaufel
Beutel, Beschriftungs- und Protokolliermaterial
ggf. Aluschalen oder Alu-Schälchen
Meterstab
ggf. Pürkhauer und/oder geeignete Bohrer mit Zubehör (Hammer, Ziehgestänge)
9
3. Probenahme „ungestörter“ Bodensäulen
3.1
Vorgehensweise
Bei der Probenahme ungestörter Säulen ist unbedingt zu vermeiden, dass Verfälschungen
am "gewachsenen" Porensystem eintreten. Verfälschungen entstehen im Wesentlichen durch
Rissbildungen in der Probe, durch Randeffekte (Spalte aufgrund von Verkippungen der Säule
während der Probenahme), durch Verschmierungen, und aufgrund von Verdichtungen durch
das vorherige Betreten der Probenahmestelle oder den nachfolgenden Transport.
Die Qualität der Probenahme hängt maßgeblich vom Wassergehalt des Bodens ab. Sowohl
die Probenahme in einem völlig durchnässten Boden, als auch die Probenahme im trockenen
Boden ist schwierig bis unmöglich. Im durchnässten Boden ist die Kohäsion der Teilchen so
schwach, dass bereits geringste Erschütterungen zu Sackungen und damit zum Kollaps des
Sekundärporensystems führen. Für Sande gilt, dass sowohl im stark durchnässten als auch
im stark trockenen Boden der Zusammenhalt so schwach wird, dass die Probe schlicht und
einfach aus dem Probenzylinder fällt. Für feinkörnige Böden ist im trockenen Zustand der
Widerstand gegen die eindringende Schnittkante so hoch, dass beim Versuch des
Eintreibens starke Vibrationen auftreten, die oft zu einer völligen Strukturzerstörung führen. In
solchen Fällen ist ca. 48 Stunden vor Probenahme eine eingehende Wässerung des
Probenahmeortes (ev. mit nachfolgender Abdeckung) nötig.
Im Rahmen des Praktikums sollen pro Bodenhorizont jeweils fünf Stechzylinder und zwei
Bodensäule genommen werden.
3.2
Probenahme der Bodensäule
Die Probenahme einer ungestörten Bodensäule (500 cm³ oder 1000 cm³) umfasst folgende
Schritte:
-
Vorbereiten des Probenahmeortes (Schneiden der Vegetation; Entfernen von
Streu, eventuell Freilegen einer Eben in der gewünschten Probenahmetiefe)
-
Einrammen der Bodensäule mit vorgeschalteter Schnittkante und Aufsatz; Prüfen
möglicher Verdichtung (s.u.)
-
Heben des gefüllten Zylinderverbundes
-
Abtrennen von Schnittkante und Aufsatz
-
Präparieren der oberen und unteren Fläche
-
Aufsetzen und fixieren der Transportschutzkappen
-
Beschriften und Einpacken (senkrechte Lagerung!)
Die Bodenprobe wird in einem Metallzylinder mit 10 cm Außendurchmesser und 3 mm
Wandstärke (Material: V2*A-Stahl) oder einem entsprechenden Plexiglaszylinder gefasst.
Dem eigentlichen Zylinder wird ein angeschärfter Schneidevorsatz aus V2*A-Stahl exakt
zentriert aufgesetzt. Auf der oberen Seite des Zylinders wird in gleicher Weise ein 5cm hoher
Vorsatz aufgesetzt. Der Schneidevorsatz ist mit drei Drahtseilen verbunden, welche die
spätere Hebung des Zylinders ermöglichen.
An der Probenahmestelle wird mittels eines geeigneten Stechzylinders (ca. 12 cm
Durchmesser) zunächst die Vegetation ausgestochen, abgehoben, und in einer Wanne oder
auf einer Folie abgelegt. Gegebenenfalls wir nun durch weiteres Abteufen eines
Stechzylinders die Bodenschicht bis knapp oberhalb des oberen Randes des angestrebten
Beprobungs-Tiefenintervalls sorgfältig abgehoben. Zur eigentlichen Probenahme wird nun
oberhalb der Probenahmestelle ein Dreibein aufgestellt, das zur spielfreien Führung eines
Schlagrohres dient. Dadurch wird die Gefahr von Randklüften im entnommenen Zylinder
minimiert. Besteht für einen Boden die Gefahr der Verdichtung durch Sackung, so wird zur
Kontrolle vom Führungsrohr des Dreibeins der Abstand zur Bodenoberfläche gemessen und
notiert.
10
Fallgewicht
Führung für Fallgewicht
Schlagrohr
Dreibein
Schlaghaube
Bajonett-Abziehvorsatz
Metallzylinder
Schneidevorsatz
Abb. 1: Geräte-Aufbau zur Probenahme der ungestörten Bodensäule.
Das Schlagrohr kann nun in die Führung eingesteckt werden. Es mündet am unteren Ende in
eine Schlaghaube, die ihrerseits auf den Aufsatz des Zylinderverbundes gesteckt wird. Der
gesamte Verbund (Zylinderverbund, Haube, Schlagrohr) wird nun vorsichtig und genau
zentriert unterhalb des Dreibeins auf die Probenahmestelle abgesenkt. Bei Probenahme
durch mehrere Personen ist dabei anzuraten, dass die Enden des Dreibeins durch
Draufstehen beschwert werden. Auf das obere Ende des Schlagrohrs wird nun eine
Führungsstange mit Amboss für ein Fallgewicht aufgesteckt und das Fallgewicht selbst auf
die Führung geschoben4. Durch wiederholtes Hochheben und Fallenlassen des Fallgewichtes
wird der Zylinderverbund nun in Stößen in den Boden getrieben (Abb. 2). Die vorgesehene
Probentiefe ist erreicht, wenn der oberste Aufsatz des Zylinderverbundes ca. 2 cm in den
Boden eingedrungen ist (Es ist ratsam, die Zieltiefe von vornherein als Soll-Überstand des
Schlagrohrs zu berechnen, und während des Einrammens kontinuierlich zu messen).
Das Fallgewicht, die Führungs- und Schlagstange sowie die Schlaghaube können nun
entfernt werden. Die Höhe der nun frei liegenden Bodenoberfläche im Zylinder wird mit dem
Wert vor Einrammen des Zylinders verglichen; ist der Boden im Zylinder im Vergleich etwas
abgesenkt, so ist eine Kompaktion eingetreten, und der Praktikumsleiter über die
Konsequenzen zu befragen.
Zum Gewinnen der Bodensäule setzt man nun ein Abziehgestänge in die Öse der AbziehStahldrähte ein und zieht den eingeschlagenen Zylinderverbund mit viel Gefühl senkrecht
nach oben aus dem Boden. In der Regel wird der gewachsene Boden im Bereich des
Schnittvorsatzes brechen, und der Boden im Mittelteil des Zylinders ungestört gewonnen
4
VORSICHT: Verletzungsgefahr! Mit Schutzhandschuhen arbeiten! Das Fallgewicht sollte nur von
Personen mit genügend Körperkraft gehoben werden!
11
Abb. 2: Einrammen des Zylinder-Verbundes
werden.
Bei losen Sanden oder sehr spröden Böden (Bsv-Horizont von Podsolen) kann es passieren,
dass die Füllung des Zylinders bei Herausheben nicht im Zylinder bleibt. In diesem Fall muss
die eingetriebene Säule untergraben und von unten her hochgehoben werden. Eine minimalinvasive Probenahme ist in diesem Fall nicht möglich.
Steine oder stärkere Wurzeln im Boden bewirken, dass der Zylinderverbund nicht zentriert
oder gar nicht in den Boden dringt. In diesen Fällen ist die Probenahme abzubrechen und an
einem benachbarten Ort zu wiederholen. Die angewendete Technik kann nicht für steinige
Böden angewendet werden. Dagegen kann die Probenahme ohne weiteres mehrmals
nacheinander an derselben Abteufung erfolgen, so dass auch eine Serie von tiefengestaffelten Säulen aus dem selben Bohrloch entnommen werden kann.
3.3
Präparation der Bodensäule
Zur weiteren Präparation wird der Innenteil des Zylinderverbundes – die eigentliche
Bodensäule – freigelegt. Hierzu wird der Aufsatz unter Gegendruck(!) auf den Bodenkörper
vorsichtig abgezogen. Der Gegendruck ist unbedingt nötig, damit es zu keinem Strukturbruch
der Bodensäule im Kernbereich kommt. Der nach Abziehen des Aufsatzes über den
Säulenkern überstehende Boden kann nun mit einem scharfen Messer abgenommen werden,
so dass am Ende eine absolut plane, unverschmierte Bodenfläche freiliegt. Kleine
überstehende Steine werden entfernt, der entstandene Hohlraum mit losem Bodenmaterial
geflickt. An den Außenrändern darf keinerlei Spalt erkennbar sein; wenn doch, dann ist die
Probe zu verwerfen. Auf die präparierte Fläche wird nun die Transport-Schutzhaube
aufgesetzt. Die Bodensäule kann nun umgedreht werden. Die andere Seite wird in analoger
Weise präpariert.
12
3.4
Transport und Lagerung
Für die Bodensäulen, aber auch für die Stechzylinder, ist zu beachten, dass durch Transport
und Lagerung keine Verfälschungen der Bodenstruktur hervorgerufen werden dürfen. Dies ist
insbesondere kritisch für die Bodensäulen, die aufgrund ihrer größeren Eigenmasse nach der
Entfernung aus dem Bodenverbund leicht durch Erschütterungen kollabieren können. Dies ist
an einer Setzung der Probenhöhe zu erkennen. Das Kollabieren hinterlässt eine nutzlose
Probe, da mit den strukturellen Poren die wichtigsten transportrelevanten Strukturen in der
Bodenprobe eliminiert werden, sowohl für den wasser- als auch für den Stofftransport. In der
Praxis ist beim Transport auf eine strikt senkrechte Lagerung sowie auf Erschütterungsfreiheit
zu achten. Dies kann beim Transport mit KFZ entweder mit Hilfe eines speziell gefederten
Transportbehältnisses gewährleistet werden oder durch den Transport auf dem Schoß einer
Person.
Boden lebt. Bei der Lagerung ist zu beachten, dass die Bodenstruktur einer ungestörten
Bodenprobe durch biologische Aktivität verändert werden kann. Regenwürmer sind in der
Lage, unter den warmen Bedingungen im Labor eine Bodenprobe völlig umzugraben.
Mikrobielles Wachstum und mikrobielle Mortalität kann durch den Wärmeeinfluss im Labor
auf ein Vielfaches ansteigen, was z.B. ein Zusetzen von Feinporen nach sich ziehen kann.
Für Langzeitstudien ist deshalb die frühe Spülung der Probe (z.B. im Rahmen der KsMessung) unter Verwendung eines Biozides5 oder eines Biozidcoctails anzuraten, wobei in
Nebenversuchen geklärt werden muss, dass keine Interaktion mit den interessierenden
Größen (z.B. Transport eines Pestizides) auftritt. Für kurzzeitige Studien genügt die Lagerung
bei 0 bis 4°C. Die eigentlichen Transport-Versuche finden in der Regel bei Umgebungstemperatur statt.
3.5
Geräte-Liste
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Dreibein (zerlegbar, 4 Teile)
Schlagrohr(e), Schlagrohraufsatz, Fallgewicht, Schlaghaube, Schneidkante, Aufsatz
Zylinder (Plexi oder V2*A; 500cm³ oder 1000 cm³)
Ausziehgestänge (Hammer mit Querhebel)
Messer (groß, mit einer absolut geraden Kante) zur Präparation der Probenoberfläche
Säulendeckel, Transportbehältnis zum erschütterungsfreien Transport
Spaten, Maurerkelle, Spachtel
Meterstab, Schere, Klebeband, Beschriftungsmaterial (Edding),
Protokoll
4. Probenahme für Stechzylinder
4.1
Probenahmetechnik
Die im vorigen Abschnitt stehenden Ausführungen zur Probenahme von Bodensäulen gelten
im Prinzip in gleicher Weise für die Probenahme von Stechzylindern, da beides in gleicher Art
ungestörte Bodensäulen darstellen sollen. In der Praxis werden Standard-Stechzylinder (100
cm³) jedoch mit etwas geringerem Aufwand gewonnen.
Die Stechzylinder werden in der gewünschten Tiefe auf den freigelegten Boden aufgesetzt,
mit Hilfe einer passenden Schlaghaube und eines mittelgroßen Hammers möglichst ohne
Verkantung in den Boden eingetrieben (vertikal oder horizontal), und mit Messer oder Spaten
vorsichtig wieder ausgegraben. Das anschließende Glattschneiden der Stechringflächen hat
mit einem scharfen Messer ohne Verschmierung der Poren zu erfolgen.
In der Regel werden Stechzylinder zum Zweck der Bestimmung der Lagerungsdichte und der
Retentionskurve in wenigstens 6 - 10-facher Wiederholung genommen.
5
Bewährt hat sich z.B. eine 40µM AgNO3-Lösung.
4.2
13
Geräte-Liste
•
•
•
•
•
•
Koffer mit Stechzylindern (eingravierte Nummern!) und Stechzylinderdeckeln
passende Schlaghaube
mittelgroßer Hammer
Meterstab
Messer, Kleiner Spaten, Kelle, Spachtel
Schere
5. Bodenansprache (Texturbestimmung)
Im Rahmen des Praktikums sollen Sie für die gewonnenen Bodenproben mit Hilfe der
Fingerprobe die Textur bestimmen. Sie benötigen diese Information für die nachfolgende
Abschätzung der hydraulischen Eigenschaften mit dem Neuronale Netz-Programm
ROSETTA (im Rahmen der LV Bodenphysik I im fünften Semester). Den Skelettanteil (in
Gew. %) bestimmen Sie nach Schätzung im Gelände sowie über die Siebung des Bodens.
Grundlage der Fingerprobe bilden die Ausführungen in der Bodenkundlichen Kartieranleitung
(AG Boden, 1994; Kapitel 5.8.14.2), die nachfolgend rezitiert sind. Auslassungen sind durch
„[...]“ angezeigt, Einfügungen sind kursiv gesetzt.
5.1
Bodenart6
„Mit der Bodenart wird die Korngrößenzusammensetzung des mineralischen Bodenmaterials
gekennzeichnet. Die Korngrößenanteile werden im Labor nach DIN 19683 Teil 2
(Dispergierung mit Natriumpyrophosphat und Humuszerstörung) festgestellt. Im Gelände
bestimmt man die Bodenart durch die Fingerprobe und nach sichtbaren Merkmalen [...].
Kornfraktionen
Bei der Kennzeichnung der Bodenart wird zwischen den Kornfraktionen des Feinbodens
(Korndurchmesser < 2 mm) und des Grobbodens (O> 2 mm) unterschieden. Häufig wird für
Grobboden synonym der Begriff Bodenskelett verwendet.
Definition der Bodenarten des Feinbodens
Für die Definition der einzelnen Bodenarten des Feinbodens sind die drei Fraktionen Sand,
Schluff und Ton maßgebend. Nach dem Vorherrschen der einen oder anderen Fraktion
werden Sande, Schluffe und Tone unterschieden. Hinzu kommen [...] die Lehme als SandSchluff-Tongemische, die in ihren Eigenschaften zwischen den drei erstgenannten
Bodenarten stehen. Die Bezeichnung "Lehm" wird nur für Dreikorngemenge verwendet, bei
denen die Fraktionen Sand, Schluff und Ton in deutlich erkennbaren und fühlbaren
Gemengeanteilen auftreten.
Die Bodenarten werden eingeteilt in Bodenartenhauptgruppen, Bodenartengruppen, und
-untergruppen. Die Bodenartenuntergruppen, ihre Kurzzeichen und die Grenzwerte ihrer
Fraktionsanteile werden in Tabelle 26 [in AG Boden(1994); Im Skript: Tab. 1] und in einem
rechtwinkligen Dreiecksdiagramm (Abb. 3) dargestellt.
Aus dem Diagramm kann bei bekannten prozentualen Anteilen der Kornfraktionen Schluff
und Ton die entsprechende Bodenart ermittelt werden.
Die Kurzzeichen der Bodenartenuntergruppen bestehen aus einem Großbuchstaben und
einem nachgestellten Kleinbuchstaben sowie meist einer Kennziffer (2 = schwach, 3 = mittel,
4 = stark) bzw. einem zweiten Kleinbuchstaben.
6
Der Text dieses Kapitels ist ein wortgetreuer Auszug aus Bodenk. Kartieranleitung, AG Boden, 1994,
Kap. 5.8.2.14.
14
Tab. 1: Kornfraktionen des Feinbodens (Faksimile der Tab. 24 aus AG Boden, 1994).
Abb. 3: Diagramm der Bodenartenuntergruppen des Feinbodens (aus AG Boden, 1994).
5.2
Bodenartenansprache im Gelände
Die Bestimmung der Bodenartenuntergruppe des mineralischen Feinbodens im Gelände
erfolgt durch die Fingerprobe. Das Bodenmaterial wird dabei zwischen Daumen und
Zeigefinger gerieben und geknetet. Körnigkeit, Bindigkeit und Formbarkeit des Materials
können mit ausreichender Sicherheit am schwach feuchten Bodenmaterial festgestellt
werden. Tabelle 1.2 und 1.3 geben die Definition der Bindigkeits- und Formbarkeitsstufen. Die
Bodenartenuntergruppen des Feinbodens können nach Tabelle 29 der Kartieranleitung
(=Tab. 1.4) bestimmt werden. Die Mitnahme von Wasser zum Befeuchten trockener Böden ist
zweckmäßig. Hinweise auf weitere fühl- und sichtbare Merkmale sowie Eigenschaften der
Fraktionen des Feinbodens bei unterschiedlichen Mengenanteilen gibt ebenfalls Tabelle 29.
Für die Unterteilung der Sandfraktion können Messlupen verwendet werden.
5.3
Geräte-Liste
•
•
•
•
•
Salzsäure
Wasser
Bodenkundliche Kartieranleitung, AG Boden, 1994.
Ev. weißes Papier und Farbtafeln
Ev. Handtuch
15
Tab. 2: Definition der Bindigkeitsstufen (aus Bodenkundl. Kartieranleitung, AG Boden, 1994)
Kennzeichnung
der Stufen
Bezeichnung/Kennzeichnung
Zusammenhalt der
Bodenprobe
zerbröselt/zerbricht
0
kein
sofort
1
sehr gering
sehr leicht
2
gering
leicht
3
mittel
nicht
4
stark
nicht
5
sehr stark
nicht
Tab. 3: Definition der Formbarkeitsstufen (aus Bodenkundl. Kartieranleitung, AG Boden,
1994).
Ausrollbarkeit: Bewertung der Ausrollbarkeit einer Probe bis auf halbe
Bleistiftstärke
0
Probe nicht ausrollbar; zerbröckelt beim Versuch
1
nicht auf halbe Bleistiftstärke ausrollbar, da die Probe vorher
reißt und bricht
2
Ausrollen auf halbe Bleistiftstärke schwierig, da die Probe
starke Neigung zum Reißen und Brechen aufweist
3
ohne größere Schwierigkeiten auf halbe Bleistiftstärke
ausrollbar, da die Probe nur noch schwach reißt oder bricht
4
leicht auf halbe Bleistiftstärke ausrollbar, da die Probe nicht
reißt oder bricht
5
auf dünner als halbe Bleistiftstärke ausrollbar
16
Tab. 4: Schlüssel zur Bestimmung der Bodenarten des Feinbodens im Gelände mittels
Fingerprobe (Faksimile der Tabelle 29 der Bodenkundlichen Kartieranleitung)
Tab. 4 – Fortsetzung.
17
18
6. Literatur
AG Boden. 1994. Bodenkundliche Kartieranleitung, 4. Auflage. Schweizerbart'sche
Verlagsbuchhandlung, Stuttgart.
Hartge K.-H., und R. Horn. 1992: Die physikalische Untersuchung von Böden. 3. Auflage.
Kretschmar, R. 1996. Kulturtechnisch-bodenkundliches Praktikum. Ausgewählte Labor- und
7. Aufgaben Probenahme
Für einen der beiden im Praktikum untersuchten Standorte (FAL) wurde die Probenahme
bereits im Vorfeld durchgeführt, für den anderen Standort erfolgt sie mit einer kleinen Gruppe
„Freiwilliger“. Wir verzichten im Rahmen des Praktikums auf die Erfassung der Variabilität für
eine größere Fläche, und beschränken uns auf einen lokalen Standort. Es soll anhand einer
Profilgrube eine Bodenansprache und Horizonteinteilung vorgenommen werden.
Für jeden Horizont werden Proben in folgendem Umfang genommen.
1. Zwei ungestörte Bodensäulen mit einem Volumen von 500cm³ (ca. 7.5 cm hoch, ca.
9.4 cm Innendurchmesser). Die Säulen soll je Gruppe aus einem Horizont entnommen
werden. Sie dient der Bestimmung folgender Größen:
• Lagerungsdichte und Porosität
• Wassergehalt bei Probenahme
• Sättigungswassergehalt
• Gesättigte und eventuell ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit
2. Fünf Stechzylinder mit einem Volumen von 100cm³ (ca. 4 cm hoch, ca. 5 cm
Durchmesser). Sie dienen der Bestimmung folgender Größen:
• Lagerungsdichte und Porosität
• Wassergehalt bei Probenahme
• Wassergehalt bei Feldkapazität
3. Gestörtes Bodenmaterial (ca. 5 kg). Das Material dient zur Bestimmung folgender
Größen:
• Gehalt an organischen Kohlenstoff, Carbonat, Nährstoffen, austauschbare Kationen,
Basensättigung, Kalkbedarf, KAK, Elektrolytkonzentration, pH. Weiterhin wird das
Material zur Befüllung von Stechringen verwendet.
4. Fingerprobe zur Körnungsbestimmung
• Stellen Sie die Bodenunterart nach Tabelle 29 der Bodenkundlichen Kartieranleitung
fest (z.B. Su2).
• Lesen Sie aus dem Körnungsdreieck für die bestimmte Bodenart die Zusammensetzung in den Grundkörnungen Sand (%), Schluff (%), und Ton (%) ab. Geben sie
sinnvolle Bandbreiten für diese Anteile an.
Zusätzlich werden vom Standort mitgenommen:
5. Gestörtes Oberbodenmaterial (eine Wanne) zur Bestimmung folgender Größen:
• Biologische Umsetzungsrate
Man achte generell auf die eindeutige Protokollierung und Probenbeschriftung! Die
entsprechenden Verantwortlichkeiten sollten in jeder Gruppe klar abgesprochen sein.
19
8. Aufgaben: Probenvorbereitung7
7.1
Unmittelbar nach Rückkehr ins Labor
Nach der Rückkehr ins Labor werden die genommenen Proben wie folgt aufbereitet:
1. Ungestörte Bodensäulen
• Wägung (eindeutige Beschriftung und Protokollierung des Vorgangs; Deckelgewicht
und Säulengewicht separat feststellen)
• Lagerung im Kühlschrank
2. Stechzylinder
• Wägung (eindeutige Beschriftung und Protokollierung des Vorgangs; Deckelgewicht
und Säulengewicht separat feststellen). Stechzylinder haben eingeäzte Kennungen.
• Lagerung im Kühlschrank
3. Gestörtes Bodenmaterial
• In Teile trennen. Ein Teil Auslegen zur Trocknung, ein weiterer Teil wird gefriergetrocknet, ca. 50 g verbleiben feldfrisch in Beuteln zur Packung der Stechringe.
4. Gestörtes Oberbodenmaterial
• Übergabe an die TA.
7.2
Ungestörte Bodensäulen und Stechzylinder auf Aufsättigung
•
•
7.3
Stechringe in Drucktopf
•
7.4
Proben wiegen (eindeutige Beschriftung und Protokollierung des Vorgangs;
Deckelgewicht und Säulengewicht separat feststellen)
Aufsetzen auf die Aufsättigung
Packen Sie insgesamt 15 Stechringe mit ihrem Bodenmaterial und setzen Sie jeweils
5 Stechringe in die Drucktöpfe für die Drücke 1bar, 3bar, 15 bar ein. Achten Sie
darauf, dass Sie ihre Stechringe bei der Entnahme aus den Drucktöpfen wieder
eindeutig identifizieren können. Nach Einsetzen aller Ringe werden die Drucktöpfe
verschlossen und unter Druck gesetzt (NUR DURCH QUALIFIZIERTES PERSONAL
ODER UNTER AUFSICHT!).
Mörsern für bodenchemische Analysen
Die bodenchemischen Versuche erfolgen an gemörsertem Bodenmaterial (Da das Mörsern
an getrockneten Böden erfolgen muss, kann diese Probenvorbereitung nicht unmittelbar im
Anschluss an die Probenahme erfolgen). Das Mörsern von ca. 500 g Probenmaterial erfolgt
deshalb am ersten Donnerstagstermin des Praktikums. Einzelheiten für das Mörsern sind mit
dem Technischen Assistenten abzusprechen.
7.5
Zerstören der organischen Substanz
Die Durchführung der Körnungsanalyse (Versuch 1) erfordert das Vorliegen von
dispergiertem Bodenmaterial. Hierzu müssen nach Abtrennung einer geeigneten
Bodenmenge die organische Substanz oxidiert und eventuell Karbonate und FeVerbindungen aufgelöst werden. Die konkreten Arbeiten hierzu sind in Kapitel 2.3
beschrieben.
7.6
Eintragen aller Messdaten in Excel-Dateien
Das Eintragen aller Daten in EXCEL-Dateien unmittelbar nach der Probennahme und
7
Mit Ausnahme von 7.1 werden diese Arbeiten zum ersten Praktikumstermin durchgeführt.
20
Datenerfassung gehört zu den ersten Schritten der Probenaufbereitung. Die Erfahrung zeigt,
dass nur auf diese Art das in Praktika nicht unübliche Verschwinden von Daten minimiert
werden kann. Für die einzelnen Versuche werden Vorlagen erstellt. Nähere Informationen
zum Speicherort der Dateien werden zum Praktikumsbeginn mitgeteilt.
Körnungsanalyse
21
Versuch 1: Körnungsanalyse
1.1 Grundlagen
Als Körnung (Textur, Bodenart, Korngrößenverteilung) bezeichnet man den bei der Bodenbildung durch Verwitterung entstandenen Zerteilungsgrad der Gesteinsbruchstücke und
Bodenminerale8. Die Textur ist – neben der Farbe – das augenfälligste Merkmal eines
Bodens, und wird bei jeder Ansprache als eines der ersten Merkmale bestimmt. Die Textur
prägt direkt oder indirekt alle wesentlichen bodenphysikalischen Standorteigenschaften und
Materialfunktionen, wie Lagerungsdichte, Porosität, Luftraumvolumen, Wasserspeichereigenschaften, Wasser- und Luftdurchlässigkeit, Kompressibilität, Fließverhalten, Erodierbarkeit, Temperaturleitvermögen. Zwischen der Körnung und der Mineralogie der
Einzelkörner besteht in der Regel ein Zusammenhang. Sie hängt deshalb eng mit Sekundärgrößen wie Benetzungseigenschaften oder Oberflächenaktivitäten zusammen, und bestimmt
maßgeblich den Nährstoffhaushalt von Böden. Besonders wichtig ist der Einfluss der Textur
für die Strukturausbildung von Böden. Dies bedeutet, dass der gesamte Wasser-, Luft- und
Stoffhaushalt, und davon abgeleitet wiederum das mikrobielle, biochemische und chemische
Milieu eines Standortes von der Korngrößenverteilung abhängen.
Der Zweck der Körnungsanalyse besteht in der Feststellung der Mengenanteile unterschiedlich großer Teilchengrößen eines Bodens. Da sich die Körnung des Bodens im Laufe
der Zeit sehr viel geringfügiger als viele andere Bodeneigenschaften ändert, gilt sie als
„Materialkonstante“, und somit als zeitlich invariante Grundeigenschaft eines Standortes. Die
Ergebnisse einer Körnungsanalyse sind somit fast ausschließlich von der Durchführung der
Bestimmung abhängig, insbesondere von den Methoden zur Auftrennung der Fraktionen und
von der Art der dispergierenden Vorbehandlung. Daher ist die Verwendung standardisierter
Verfahren sehr wichtig, da nur so die Vergleichbarkeit von Untersuchungsergebnissen
gewährleistet ist.
Entsprechend der grundlegenden Bedeutung der Körnungsanalyse existieren eine ganze
Reihe von Verfahren, die z.T. bereits Ausgang des 19. Jahrhunderts entwickelt wurden. Basis
der Auftrennung von großen Korngrößen (Steine, Kies, Sand) ist die Siebung (nass oder
trocken), d.h. die Passage durch (quadratische) Maschen. Für Korngrößen kleiner 63 µm
kommen Verfahren zum Zuge, die auf dem von Stokes 1951 aufgestellten
Sedimentationsgesetz beruhen. Hierbei wird ausgenutzt, dass Teilchen mit höherer Dichte als
Wasser in einer Wassersäule als Folge der Dichtedifferenz in Abhängigkeit von ihrer Größe
unterschiedlich schnell sedimentieren. Das Stokes’sche Gesetz beschreibt die
Sedimentationsgeschwindigkeit v von kugelförmigen Teilchen des Durchmessers d in
Abhängigkeit vom Dichteunterschied zum Fluid
v=
mit ρf
8
= Dichte des Partikels, ρw
g (ρ f − ρ w )
18η
⋅d2
= Dichte der Lösung, g = Erdbeschleunigung, η =
Eng verwandt mit dem Begriff der Körnung ist der Begriff der „Dispersität“, dem Größenspektrum aller
Partikel, also sowohl der Mineral- als auch der Humusstoffe (vgl. Schlichting et al., 1995, S. 111).
22
Körnungsanalyse
dynamische Viskosität der Lösung.
Wegen der Abweichung der Form der Primärteilchen von der Kugelform (Sand: rund, Ton:
plattig) müssen Korngrößen, die nach Sedimentationsmethoden bestimmt werden, als
„Äquivalentgrößen“9 gesehen werden. Als Dichte der sedimentierenden Teilchen wird die des
Quarz (2,65 g⋅cm-3) angenommen, da Quarz meist dominierend ist. Die auf dem Stokes’schen
Gesetz beruhenden Methoden messen die Sedimentmengenanteile, die sich nach definierten
Sedimentationszeiten noch in bestimmten Tiefen von Messzylindern befinden. Die
Partikelgrößenverteilung ergibt sich durch Differenzbildung: die Partikel mit größerem
Durchmesser als einem jeweilig errechneten Grenzwert gelten als absedimentiert.
Die zum Einsatz kommenden Methoden sind:
1. Spülverfahren nach Kopecky und Kraus
2. Sediment und Schlämmverfahren nach Atterberg (= Referenzmethode)
3. Pipettmethode nach Köhn und Köttgen
4. Zentrifugenverfahren nach Svedberg und Nichols
5. Dekantierungsverfahren
6. Aräometermethode nach Casagrande und De Lehnheer
7. Lasergestützte Zählverfahren und Verfahren auf Basis von
Laserstreuungsmessungen
Bei der Korngrößenanalyse bestehen nach Hartge und Horn (1992) zwei prinzipielle
Probleme:
(1) Die weite Spanne der Korngrößen hat zur Folge, dass nicht der ganze Bereich mit einer
einzigen Methode abgedeckt werden kann. Wegen ihres großen Durchmessers besitzen die
Sandfraktionen (d>63µm) so hohe Sedimentationsgeschwindigkeiten, dass eine Diskriminierung in die Unterfraktionen durch Sedimentation in wässriger Lösung aufgrund ihrer hohen
Sinkgeschwindigkeiten schwierig ist. Die Partikelgröße erlaubt hier aber eine Abtrennung der
Sandfraktionen durch Siebverfahren (DIN 19683, Blatt 1). Im Praktikum wird die Siebung für
Partikelgrößen >63 µm und das Aräometerverfahren für Partikelgrößen < 63 µm eingesetzt
werden.
(2) Da Körner verschiedene Festigkeiten haben, ist es nicht möglich, zwischen Primärteilchen
und Aggregaten mit letzter Genauigkeit zu unterscheiden. Deswegen werden Bodenproben
für wissenschaftliche Vergleichszwecke sorgfältigen und genau genormten Vorbehandlungen
unterworfen, die darauf abzielen, Aggregate zu zerstören, Primärteilchen aber unzerstört zu
belassen.
In der Regel wird die Körnungsanalyse nach einer Vorbehandlung an Proben vorgenommen.
Ziel der Vorbehandlung ist die Auflösung von „Kittsubstanzen“, die im Rahmen der
Bodenbildung anfielen und zu einer Verkittung von Primärteilchen führen. Darunter fallen
Salze, Biokalke, Kieselsäuren, Eisenverbindungen, Sesquioxide, Pilzmycele und
Bakterienschleime. Die flockende Wirkung der Tonminerale wird durch Umladung bzw.
Besetzung der Austauscherplätze mit einwertigen Ionen (Lithium- (Li+) oder Natrium-Ionen
(Na+) ) aufgehoben. Üblich ist die Behandlung mit Salzsäure (HCl) zur Lösung anorganischer
Kittsubstanzen, Wasserstoffperoxid (H2O2) zur Oxidation organischer Substanzen, und
Natriumpyrophosphat (Na2P2O7 ·10 H2O) zur Oxidation von Kittsubstanzen und zur
Tonmineralbeladung mit Na+. Ungelöst ist nach Kretzschmar (1996) die Vorbehandlung zur
Körnungsanalyse von Kalkböden. Schwierigkeiten machen auch Orterde- und Ortsteinböden
(Podsole!).
Die Vorbehandlungsschritte mit oben genannten Substanzen ergeben wissenschaftlich
definierte und wiederholbare Aussagen zur Korngrößenverteilung der Primärpartikel. Für
praktische landwirtschaftliche und kulturtechnische Belange braucht die Bodenstruktur jedoch
9
Dies bedeutet: als äquivalente Teilchengröße wird der Durchmesser einer Kugel gleicher Dichte
angesehen, die eine entsprechende Sedimentationsgeschwindigkeit besitzt.
Körnungsanalyse
23
Tab. 5: Korngrößenklasseneinteilung nach bodenkundlicher Kartieranleitung (1994)
Feinboden (<2mm)
Ton
Schluff
Sand
eckig, kantig: Grus
gerundet: Kies
Steine
µm
mm
<2
<0.002
2 - 63
0.002 – 0.063
63 - 2000
0.063 - 2
Grobboden (>2mm) (Skelett)
2 - 63
2 - 63
> 63
Symbol
T
U
S
Gr
G
X
nicht so gründlich bis zum Einzelkorn zerlegt zu werden, zumal die ökologisch wirksame
Kornverteilung eher durch die Analyse einer unbehandelten Probe repräsentiert wird. Nach
Kretzschmar (1996) genügt die einfache Wasserdispergierung in siedendem Wasser.
1.2 Prinzip
Primärpartikel werden bezüglich ihrer Größe in die Größenklassen Steine, Kies und Grus für
den Grobboden, und Sand, Schluff und Ton für den Feinboden eingeteilt (Tab. 5). Bei den
Größenklassen für Schluff und Ton handelt es sich um Äquivalentgrößen, d.h. um Größen,
die sich bezüglich der Fallgeschwindigkeit wie Kugeln des äquivalenten Durchmessers
verhalten.
Die Charakterisierung von Korngemischen erfolgt im allgemeinsten Fall durch die Angabe der
vollständigen Verteilung der Primärpartikel, entweder in Form der statistischen Dichtefunktion
f(d), oder häufiger - durch Angabe der Verteilungsfunktion F(d), d.h. der Körnungssummenkurve (Abb. 4). Die Körnungssummenkurve hat folgende Eigenschaften:
• Sie beschreibt die statistische Verteilung der (nach Äquivalentgrößen sortierten)
Primärpartikel. Sie lässt keine Rückschlüsse auf die räumliche Verteilung zu,
insbesondere kann nicht davon ausgegangen werden, dass die Partikel „zufällig“ (in
irgendeinem Sinne) verteilt sind.
•
Kumulative Häufigkeit und Wahrscheinlichkeitsdichte beziehen sich auf
Massenanteile und nicht auf Anzahlen-Anteile (man könnte Teilchen einer
bestimmten Größe ja auch zählen statt sie zu wiegen)
• Die Korngrößenachse wird aus Dimensionsgründen logarithmisch aufgetragen.
• Steile Bereiche der Körnungssummenkurve kennzeichnen Bereich mit hohen Anteilen
der entsprechenden Korngrößen, flache Abschnitte Bereiche mit geringen Anteilen.
• Die Ableitung der Körnungssummenkurve ergibt die Wahrscheinlichkeitsdichte der
Korngrößenverteilung, aus der z.B. der am häufigsten vorkommende
Korndurchmesser (Modus) ersehen werden kann. Mach beachte, dass die Ableitung
nach dem Durchmesser oder aber auch nach dem Logarithmus des Durchmessers
erfolgen kann. Die resultierenden Dichteverteilungen sind nicht identisch!
• Eine ± symmetrische S-förmige Korngrößenverteilungskurve auf der Log-Skala
entspricht einer annähernd lognormalverteilten Korngrößenverteilung. Lognormalverteilungen sind in der Bodenphysik, -chemie und –biologie recht häufig anzutreffen
(gesättigte hydraulische Leitfähigkeiten, Dispersivitäten, etc.)
Wie alle statistischen Häufigkeitsverteilungen kann man die Korngrößenverteilung durch
24
Körnungsanalyse
Abb. 4: Körnungssummenkurven für Kies, Ton und Lehm (aus DIN 18123).
statistische Maßzahlen charakterisieren. Die allgemein gebräuchlichsten Maßzahlen für Lage
und Streuung, der arithmetische Mittelwert und die Standardabweichung, sind zur
Charakterisierung von Korngrößenverteilungen allerdings ungeeignet, da sie für lognormalverteilte Größen wenig aussagekräftig sind, und stark von den Enden der Verteilungsfunktion
beeinflusst werden.
Die wichtigsten Maßzahlen zur Charakterisierung der Korngrößenverteilung sind:
• Median d50 (=Äquivalentdurchmesser, der von 50 Masse% der Körner über bzw.
unterschritten wird)
F (d 50 ) = 0.5
• Sortierung So (=Wurzel aus dem Verhältnis des Massenanteils beim 75%-Quantil
zum Massenanteil beim 25%-Quantil)
So =
d 75
d 25
• Ungleichförmigkeitsgrad U (=Verhältnis des Massenanteils beim 60%-Quantil zum
Massenanteil beim 10%-Quantil)
U=
d 60
d10
Körnungsanalyse
25
Sortierung und Ungleichförmigkeit drücken beide das Ausmaß der Sortierung aus, haben also
ungefähr den gleichen Informationswert.
U-Werte >15 bedeuten ein sehr ungleichförmiges
Verschlämmungsneigung ist zu rechnen.
Körnungsspektrum.
Mit
starker
U-Werte zwischen 15 und 5 kennzeichnen ein ungleichförmiges Körnungsspektrum, mit
mittlerer bis mäßiger Verschlämmungsneigung des Bodens.
U-Werte
<5
zeigen
ein
sehr
gleichförmiges
Körnungsspektrum
an.
Die
Verschlämmungsneigung hängt von der Korngröße ab, und wird für Feinsand und Schluff
groß sein.
Bei Ungleichförmigkeitszahlen >6 für Filtersande (Brunnenfilter, Filterbetten) ergeben sich
vorzeitige Verstopfungen im Filterkörper (Kretzschmar, 1996). Nach DIN 19623 darf die UZahl höchstens 1.5 betragen.
Die Bestimmung der Korngrößenverteilung des Feinbodens erfolgt in 5 Stufen:
1. Abtrennung des Skelettanteils: Sieben auf <2 mm.
2. Vorbehandlung
3. Bestimmung der Sandfraktionen: Siebung
4. Bestimmung der Schlufffraktionen: Sedimentation
5. Bestimmung der Tonfraktion: Sedimentation, Zentrifugation, Differenzbildung
Die Verfahren werden in den nachfolgenden Abschnitten einzeln beschrieben.
1.3 Probenvorbereitung (nach DIN 19683, Blatt 2)
1.3.1
Einwaage
Die Wahl der Probenmenge ist von der Art des zu untersuchenden Bodens abhängig. Bei
sandhaltigen Böden sind bis 75 g TM (Trockenmasse) einzusetzen, bei bindigen Böden ohne
Sandgehalt in der Regel 30 - 50 g TM, hingegen nur 10 - 30 g bei ausgeprägt plastischen
Tonen.
1.3.2
Humuszerstörung
Wenn der Boden mehr als 2% organische Substanz enthält (die meisten A-Horizonte), muss
diese vor der Dispergierung zerstört werden. Bei den hier durchzuführenden Untersuchungen
wird in der Regel in folgender Weise vorgegangen: In ein 1 l Gefäß werden 10.0 g
lufttrockener Feinboden eingewogen, vorsichtig mit 100 ml einer 15 Gew.%-H2O2-Lösung
versetzt (kann eventuell überschäumen!)10.
Die Probe bleibt ca. 15 h bei Raumtemperatur stehen und wird anschließend auf dem
Wasserbad erhitzt. Ist die organische Substanz noch nicht restlos zerstört, wird wiederum
H2O2 zugegeben und die Probe weiter erhitzt, bis sich kein CO2 mehr entwickelt.
Die Behandlung mit H2O2 darf eine Dauer von 24 h nicht überschreiten. Während der
Behandlung darf die Probe weder eintrocknen, noch dürfen sich Tonhäutchen an der
Glaswand bilden.
10
In Abhängigkeit vom Schlämmkornanteil des jeweiligen Bodens wird die benötigte Einwaagemenge
variieren. Da diese Größe zur Berechnung benötigt wird, sollte sie bei dem/der BetreuerIn erfragt
werden.
26
1.3.3
Körnungsanalyse
Entfernen von Karbonaten und Lösen von Fe-Verbindungen
An die Wasserstoffperoxid-Behandlung anschließend kann eine Salzsäurebehandlung erfolgen, durch die Carbonate und Eisenhydroxide bzw. Eisenoxidhydrate entfernt werden. Die
Behandlung ist zwingend erforderlich, wenn Carbonate und Eisenverbindungen zusammen
mehr als 4 Gewichtsprozent ausmachen. Durch die Salzsäurebehandlung entstehen
Chloride, durch die die Dichte der Lösung erhöht wird, und die in der Körnungsanalyse zu
berücksichtigen sind („Salzfehler“).
Die Zugabe von 4-5%iger HCl erfolgt in kleinen Portionen von 5 bis 10 ml. Die Reaktion der
Carbonate, z.B. des CaCO3 mit HCl macht sich durch Aufbrausen und Zischen bemerkbar.
Die Zugabe ist so lange notwendig, bis kein Brausen mehr wahrnehmbar ist. Empfehlenswert
ist die vorherige Bestimmung des Salzsäureverbrauchs des Bodens (Säurebindungsvermögen) durch Titration einer Parallelprobe bis auf pH 4.2, um einer Salzsäureüberdosierung vorzubeugen.
Nach der Behandlung mit H2O2 und HCl ist die vorbehandelte Probe auf einem Filter mit Aq.
deion. salzfrei zu waschen. Nach Kretzschmar (1996) kann bei Zugeständnissen an die
Genauigkeit der Analyse auf diesen Schritt auch verzichtet werden, da der „Salzfehler“ durch
die Differenzenbildung bei den Korngrößenfraktionen weitgehend eliminiert wird.
1.3.4
Dispergieren
Die Feinteilchen in der Suspension neigen zur Koagulation (Flockenbildung). Tritt sie bei der
Sedimentationsanalyse auf, so wird ein zu geringer Anteil der Feinstkornfraktionen
gemessen. Die Probe wird deshalb mit 25 ml 4 N Na4P2O7-Lösung versetzt und über Nacht
stehen gelassen. Am nächsten Morgen wird auf ≈ 250 ml aufgefüllt und die Probe mit einem
Rührwerk gerührt. Wahlweise kann die Probe auch 6 h geschüttelt werden.
Körnungsanalyse
27
Abb. 5: Auswertung einer Trockensiebung (aus DIN 18683).
1.4 Siebung (nach DIN 19683, Blatt 1 und 2, DIN 18123)
Die Sandfraktionen größer 630µm, >200µm, und >63µm werden durch Sieben gewonnen.
Die Siebung kann am dispergierten, getrockneten Material vorgenommen werden (Trockensiebung) oder als Nasssiebung (bei bindigen Böden vorzuziehen).
Bei der Nasssiebung ist die Suspension, soweit erforderlich (BetreuerIn fragen!), zu
dekantieren (1 l Schlämmzylinder), der Rückstand auf noch vorhandene Aggregate zu untersuchen, diese (aber nicht Gesteinsgrus) werden schonend zerdrückt (nicht zerrieben !!!).
Anschließend werden Rückstand und Suspension wieder vereinigt und über einen Siebsatz
(0,63 mm, 0,2 mm, 0,063 mm Maschenweite) in einen 1 l Schlämmzylinder überführt. Dabei
wird mit demineralisiertem Wasser nachgespült, bis der Schlämmzylinder fast 1 l Inhalt
aufweist. Dabei ist darauf zu achten, dass zum Überführen des Schlämmkorns in den
Zylinder nicht mehr als 1 l Wasser verwendet werden darf (siehe Markierung!).
Die Siebrückstände werden auf noch vorhandene Aggregate geprüft, die dann wie oben
behandelt werden. Die Siebrückstände werden vollständig in getrennte Trocknungsgefäße
überführt. Nach Trocknung bei 105 °C bis zur Gewichtskonstanz wird die Masse der
jeweiligen Kornfraktionen durch Wägen ermittelt.
28
Körnungsanalyse
1.5 Kettenaräometer-Methode
1.5.1
Meßprinzip
Mit Hilfe geeigneter Aräometer (Tauchkörper) wird die Dichte der Suspension in zweckmäßig
festgelegten Zeitabständen gemessen. Die Dichte der Suspension ergibt sich aus der Dichte
des Fluids plus dem Anteil der suspendierten Partikel. Da die Substanzdichte der Partikel
größer ist als die Dichte von Wasser, kommt es durch Suspension zu einer Dichteerhöhung,
wodurch ein Tauchkörper einen höheren Auftrieb erfährt als in reinem Wasser. Aus den
Dichten und den Eintauchtiefen des Aräometers wird die Korngrößenverteilung berechnet.
Das Verfahren ist für Kornanteile nicht über 0,125 mm und nicht unter 0,001 mm anwendbar.
1.5.2
Durchführung
Die Suspension im Schlämmzylinder ist einige Minuten lang gut durchzuschütteln, wobei der
Zylinder wiederholt vollständig umgekippt werden muss. Dabei ist jedoch darauf zu achten,
dass keine Teile des Inhalts verloren gehen. Um solche Verluste zu verhindern, werden die
Zylinder sorgfältig mit Parafilm verschlossen.
Nach Beendigung des Umschüttelns wird der Zylinder mit der Suspension auf den Tisch
gestellt und unmittelbar danach mit der Zeitmessung begonnen (beim Abstellen des Zylinders
darf kein Bodensatz mehr vorhanden sein!).
Das Aräometer wird so in die Suspension eingetaucht, dass es frei schwimmt. Nach 30, 60
und 120 s wird der Teilwert des Aräometers am oberen Rand des Meniskus abgelesen.
Danach wird das Aräometer aus dem Zylinder genommen, mit demineralisiertem Wasser abgespült und bis zur nächsten Messung in einem Zylinder mit demineralisiertem Wasser
aufbewahrt.
Weitere Messungen sind nach 5, 15, 30, 45, 60 und 90 min durchzuführen.
Die Temperatur der Suspension ist innerhalb der ersten 15 min einmal, danach unmittelbar
nach jeder Messung festzuhalten. Bei jeder Aräometerablesung ist die Koagulation zu
überprüfen. Eine Flockenbildung größeren Ausmaßes ist an der Ausbildung einer scharfen
Grenzschicht zwischen Bereichen stark unterschiedlicher Trübung erkennbar. Unterhalb
dieser Grenzschicht können Flocken sichtbar sein. Kann eine Koagulation trotz Zusatz des
Dispergierungsmittels nicht verhindert werden, so sind andere Bestimmungsverfahren zur
Korngrößenverteilung anzuwenden.
Es ist hilfreich, vor Beginn der Messung eine Tabelle mit folgendem Inhalt anzulegen:
Uhrzeit
Zeitspanne vom
Versuchsbeginn
bis zur Ablesung
Aräometerwert
Temperatur der
Suspension
Außerdem sollte, ebenfalls vor Beginn der Messung, die Skala des Aräometers genauer
studiert werden.
Korrektur der Aräometerablesung:
Beim Versuch wird das Aräometer am oberen Meniskusrand abgelesen (d` bzw. R`), die
Skalierung des Aräometers ist jedoch für den ebenen Wasserspiegel gültig. Daher ist ein
Korrekturwert zur Ablesung zu addieren.
Weiterhin ist die Dichte des Wassers, bedingt durch die Zugabe des Dispergierungsmittels,
etwas größer als die des demineralisierten Wassers, daher ist eine weitere Korrektur der
Ablesung erforderlich.
Körnungsanalyse
29
Die Summe der beiden erforderlichen additiven Korrekturen muss gemeinsam mit einer u.U.
erforderlichen Korrektur des Nullpunktfehlers des Aräometers experimentell ermittelt werden.
Dazu ist eine Stammlösung von Na4P2O7 (20,00 g/l H2O) zu verwenden (Sie finden diese
Stammlösung bereits vor). Von dieser Lösung werden 25 ml mit H2O auf 1 l aufgefüllt, gut
umgerührt, auf Raumtemperatur (20°C) gebracht und in den Schlämmzylinder gefüllt. In diese
Lösung wird das Aräometer getaucht und am oberen Meniskusrand der Skalenwert R
abgelesen, welcher der Negativwert der gesuchten Korrektur Cm ist (Abb. 7).
Abb. 6: Aräometer (aus DIN 18123).
1.5.3
Auswertung
Die Ablesungen werden in einen Vordruck übertragen (Abb. 7), der Korndurchmesser d wird
mit Hilfe eines Nomogrammes (Abb. 8) bestimmt. Der Massenanteil a entspricht dem
Siebdurchgang der Nasssiebung und wird als Körnungslinie in Abhängigkeit von der
Korngröße aufgetragen (Abb. 4). Dabei ist die Korndichte bei Tonböden ρs als 2.69 g/cm3, bei
Sand- und Schluffböden als 2.65 g/cm3 anzunehmen.
30
Körnungsanalyse
Abb. 7: Vordruck zur Aräometer-Auswertung (aus DIN 18123) und Temperaturkorrektur CT.
Körnungsanalyse
Abb. 8: Nomogramm zur Aräometermessung-Auswertung (aus DIN 18123).
31
32
Körnungsanalyse
Abb. 9: Beispiel zur Aräometer-Auswertung (aus DIN 18123).
Aus den Ergebnissen der Körnungsanalyse hat die Einordnung der untersuchten Proben in
ein Dreiecksdiagramm (Abb. 3) und die damit verbundene Klassifizierung des Bodens nach
DIN 4220 (identisch zur bodenkundlichen Kartieranleitung) zu erfolgen.
Hinweis: Die in DIN 18123 beschriebene Ermittlung der Kennwerte des Aräometers ist in der
Regel nicht mehr erforderlich. Ein geeichtes Nomogramm liegt am Praktikumsplatz aus bzw.
wird verteilt.
1.6 Literatur
Bartel W. (1964): Einführung in die Korngrößenmesstechnik. Springer, Heidelberg.
DIN 18123 (April 1983): Bestimmung der Korngrößenverteilung.
DIN 19683, Blatt 1 (April 1973): Bestimmung der Korngrößenzusammensetzung durch
Siebung.
DIN 19683, Blatt 2 (April 1973): Bestimmung der Korngrößenzusammensetzung nach
Vorbehandlung mit Natriumpyrophosphat.
Hartge K.-H., und R. Horn (1992): Die physikalische Untersuchung von Böden. Enke Verlag,
Stuttgart.
Kretschmar, R. (1996): Kulturtechnisch-bodenkundliches Praktikum. Ausgewählte Labor- und
Scheffer/Schachtschabel (1998): Schachtschabel, P., Blume, H.-P., Brümmer, G., Hartge, K.H., Schwertmann, U. (Hrsg.), Lehrbuch der Bodenkunde, 14. Auflage. Ferdinand Enke
Verlag Stuttgart.
Schlichting E., H.-P. Blume und K. Stahr (1995): Bodenkundliches Praktikum. 2. Auflage.
Blackwell, Berlin.
Körnungsanalyse
33
1.7 Aufgabe
1. Führen Sie mit „ihrem“ Boden eine Körnungsanalyse durch (Siebung + Sedimentation).
2. Stellen Sie die Sand, Schluff- und Tonanteile in einer Balkengrafik dar.
3. Bestimmen Sie aus dem Körnungsdreieck der bodenkundlichen Kartieranleitung die
entsprechende Bodenart. Vergleichen Sie das Resultat mit ihrer Fingerprobe bei der
Probenahme.
4. Übertragen Sie das Ergebnis in eine Körnungssummenkurve gemäß Abb. 4.
5. Tragen Sie die Körnungssummenkurve in ein Wahrscheinlichkeitsnetz ein11 (Ordinate:
Wahrscheinlichkeitsachse; Abszisse: log d). Liegt ein lognormaler Verteilungstyp vor?
6. Berechnen Sie Median d50 und Ungleichförmigkeitsgrad U ihres Bodens und interpretieren
Sie das Ergebnis.
11
Das können Sie mit Hand auf ein entsprechendes Wahrscheinlichkeitspapier, oder eleganter mit
einem vernünftigen Plot-Programm. EXCEL bietet Ihnen diese Möglichkeit nicht ohne weiteres.
34
Lagerungsdichte, Porosität, Feldkapazität, Porengrößenverteilung
Versuch 2: Lagerungsdichte, Porosität,
Feldkapazität, Porengrößenverteilung
2.1 Grundlagen
Zur Beurteilung der Standorteigenschaften eines Bodens unter ackerbaulicher Hinsicht sind
das Porenvolumen und die Porengrößenverteilung im Boden markante Größen, die den
Wasserhaushalt des Bodens wesentlich bestimmen. Die Porengrößenverteilung ist ein
bestimmender Faktor für das Ausmaß der Speicherung des Wassers in der Bodenmatrix
sowie für die Dynamik des Wassertransports.
Das Gesamtporenvolumen korreliert direkt mit der Lagerungsdichte des Bodens. Der Anteil
des Porenvolumens am Gesamtvolumen des Bodens ist sowohl von Körnung (und Kornform),
vom Gehalt an organischer Substanz, dem Stadium der Bodenentwicklung sowie von der
Nutzungsgeschichte abhängig.
Die Hohlräume im Boden werden in Primärporen und Sekundärporen eingeteilt. Primärporen
sind Packungshohlräume, die aus Form und Packung der Einzelkörner oder Aggregate
resultieren. Die Porenverteilung von Primärporen ist somit sehr eng korreliert mit der
Partikelgrößenverteilung. Sekundärporen entstehen als Resultat hohlraumerzeugender
Prozesse (Schrumpf- und Schwundrisse, Wurzelkanäle und Röhren, Kammern, Gänge,
Kammern bodenbewohnender Tiere). Sie besitzen größere und weniger stark variierende
Durchmesser (>60 µm) als Primärporen, sind weniger gewunden als diese und liegen meist in
vertikaler Richtung. Daher sind in ihnen Transportvorgänge für Wasser und Inhaltstoffe
besonders effizient, jedoch sind diese sekundären Strukturmerkmale weniger stabil als
primäre und als Ergebnis des dynamischen Prozesses der Gefügebildung anzusehen.
Die Porengrößenverteilung stellt, wie auch die Körnung, ein Kontinuum dar, das in
konventionell festgelegte Bereiche unterteilt wird. Mit den Grenzen dieser PorengrößenBereiche (Tab. 6) sind charakteristische Kennwerte des Wasserhaushaltes im Boden
verbunden. Primärporen werden nach der Intensität der Wasserbindung in den Poren in Fein, Mittel- und Grobporen eingeteilt.
Während die Grobporen des Bodens das Wasser nur schwach binden, d. h. in solchen Poren
dräniert das Wasser unter dem Einfluss der Schwerkraft rasch, sind in Mittelporen und
Feinporen Kapillarkräfte wirksam, die das Wasser unterschiedlich stark an die Matrix binden.
Nur in Poren mit Durchmessern < 10 µm sind die Kapillarkräfte stark genug, um das Wasser
Tab. 6: Einteilung der Porengrößenbereiche nach dem Porendurchmesser, Tension
(= Negativwert des Matrixpotentials) und pF-Wert.
Porengrößenbereiche
Porendurchmesser
(µm)
Tension
(hPa)
pF
Grobporen, weite
> 50
0 - 63
0 - 1,8
Grobporen, enge
50 - 10
63 - 316
1,8 - 2,5
Mittelporen
10 - 0,2
316 - 15000
2,5 - 4,2
Feinporen
< 0,2
> 15000
> 4,2
35
entgegen der Schwerkraft im Boden zu halten. Dabei ist die Stärke der Bindung dem Porendurchmesser umgekehrt proportional. Während das in den Mittelporen (0.2 - 50 µm ∅)
gebundene Wasser von Wurzeln genutzt werden kann, sind die Wurzeln und
Mikroorganismen nicht zugänglichen Feinporen (∅ < 0.2 µm) unter humiden Bedingungen
praktisch immer wasserführend und binden das Wasser so stark, dass es für die meisten
Pflanzen nicht mehr verfügbar ist.
2.2 Begriffsdefinitionen
2.2.1
Feldkapazität
In einer verbreiteten Definition wird als „Feldkapazität“ die Wassersättigung eines Bodens
bezeichnet, die sich etwa drei Tage nach vollständiger Wassersättigung einstellt. Der Boden
ist dann durch die Schwerkraft so weit dräniert, dass das Wasser aus den Grobporen
abgeflossen ist. In einer realen Feldsituation ist dieser Wert von vielen Faktoren beeinflusst:
dem Abstand zum Grundwasser und der Geländeneigung, die Dränintensität beeinflussen,
der Körnung, dem Gehalt an organischer Substanz und dem Gefüge, die alle die hydraulische
Leitfähigkeit beeinflussen, sowie der Horizontabfolge und evtl. schräg einfallenden
Horizontgrenzen, die den auftretenden Wasserfluss beeinflussen. In der Praxis wird als
„Feldkapazität“ deshalb meist nicht der anhand der obigen Feldsituation festgestellte
Wassergehalt, sondern als empirische Abschätzung ein im Labor an Bodenproben
gemessener Wassergehalt angegeben. In der Regel wird dabei der Wassergehalt bei pF 1.8
verwendet, bei einer grundwasserfernen Situation der Wassergehalt bei pF 2.5. Der pF-Wert
entspricht dem dekadischen Logarithmus des Unterdrucks, gemessen in cm Wassersäule,
der notwendig ist, um das dem Boden anhaftende Wasser aus Poren oberhalb eines
bestimmten Durchmessers zu entfernen. Die Äquivalentporendurchmesser 50 µm (weite
Grobporen) und 10 µm (enge Grobporen) entsprechen somit den Entwässerungsgrenzen der
Feldkapazität bei grundwasserfernem bzw. grundwassernahem Standort, 0.2 µm dem permanenten Welkepunkt (pF 4.2).
Es folgen Kurzdefinitionen einiger Begriffe in diesem Kontext:
• Feldkapazität (FK): Wassergehalt12(!) bei pF=1.8 (vgl. AG Boden, 1994):
FK = θ pF =1.8
(1)
Nach Konvention wollen wir diese Definition der Feldkapazität für „grundwassernahe“
Verhältnisse benutzen. Für „grundwasserferne“ Böden dagegen wählen wir den Wassergehalt bei pF=2.5.
• Permanenter Welkepunkt (PWP): Tensionsmaß pF = 4.2; ab diesem pF-Wert ist das
Wasser im Boden so schlecht verfügbar, dass viele Kulturarten zu welken beginnen
(ursprünglich bestimmt an Sonnenblumen im Gefäßversuch ⇒ keine Naturkonstante,
sondern Konvention! Der Welkepunkt ist grundsätzlich kulturartspezifisch).
• Welkepunktwasserkapazität (WWK): Wassergehalt θ bei pF=4.2; dieser Wassergehalt wird häufig auch als Totwasser bezeichnet:
WWK = θ pF = 4.2
(2)
12
Achten Sie bitte auf folgende „Feinheit“, die in Klausuren und Prüfungen allzu oft zu Fehlern führt:
Feldkapazität ist nicht der pF 1.8, sondern der Wassergehalt beim pF 1.8!
36
• Nutzbare Feldkapazität (nFK):
nFK = FK − WWK
(3)
• Luftkapazität (LK): Luftgehalt bei Feldkapazität; es gilt:
LK = PV − FK
(4)
PV ( - ) ist hierbei die Porosität (Porenvolumen, Gesamtporengehalt), definiert durch
PV =
Volumen der Poren
.
Gesamtvolumen eines Bodenausschnitts
Multipliziert man die nFK eines Bodens mit der Tiefe des durchwurzelten Raums, so erhält
man ein für den Pflanzenanbau wichtiges Maß für die effektiv nutzbare Wassermenge an
einem Standort, die sogenannte nutzbare Feldkapazität des effektiven Wurzelraums
(nFKWe).
• nutzbare Feldkapazität des effektiven Wurzelraums (nFKWe):
nFKWe = nFK ⋅ ∆zW
(5)
mit ∆zW = tiefste Lage der horizontalen Wasserscheide im Boden für eine bestimmte
Kulturart (s. AG Boden, 1994). Die nFKWe wird sinnvollerweise in mm angegeben.
2.2.2
Lagerungsdichte ρB (Synonyme: Dichte des Bodens,
Volumengewicht, scheinbare Dichte, Schüttgewicht)
Bodendichte, Raumgewicht,
Die Lagerungsdichte ρB ergibt sich aus dem Verhältnis von Masse der festen Bestandteile
(mf) zum gesamten Volumen des Bodens (Vg). Da jedoch die Bodenporen wechselnde Anteile
von Luft und Wasser enthalten, wird die Masse auf einen genormten Zustand (Trockenmasse
nach DIN 19683, Blatt 4) bezogen. Damit folgt zur Berechnung der Lagerungsdichte:
ρB =
mf
Vg
mf
Vg
(6)
- Masse der festen Bestandteilchen
- Bodenvolumen, gesamt
Anmerkung 1: ρB ist von der Dichte der festen Bodensubstanz ρf zu unterscheiden, ρf beträgt
2.65 für Quarz, für Tonminerale 2.2 – 2.9, für organische Substanz wie Rohhumus und Torf ≈
1.4. Für Böden mit geringem Gehalt an organischer Substanz kann ρf als 2.65 g/cm3
angenommen werden, da Quarz in der Regel den Hauptanteil der Festsubstanz bildet.
Anmerkung 2: Eine Korrekturtabelle für verschiedene Anteile von organischem Material gibt
Harte und Horn (1992, Kap. 6.6).
2.2.3
Porenvolumen (PV) (Synonyme: Porenanteil, Porosität)
Es bezeichnet den Anteil des Porenvolumens (Vp) am Gesamtvolumen (Vg)
PV =
Vp
Vg
(7)
37
Meist wird das Porenvolumen in % angegeben (Multiplikation von 3.6 mit 100). Das
Porenvolumen kann bei bekannter Dichte der Festsubstanz ρf aus der Lagerungsdichte
berechnet werden
 ρ 
PV = 1 − B 
 ρ 
f 

2.2.4
(8)
Porenziffer (ε)
Sie gibt den Volumenanteil der Poren (Vp) bezogen auf das Feststoffvolumen (Vf) an.
ε=
VP
Vf
(9)
Die Porenziffer ist zur Beschreibung von Gefügeänderungen, z.B. bei Lockerungs- oder
Verdichtungsvorgängen dem Porenvolumen vorzuziehen, da sie nur eine Variable enthält.
Die Gleichung (3.9) kann mit Porenvolumen und Lagerungsdichte mathematisch verknüpft
werden
ε=
ρ
PV
= f −1
1 − PV ρ B
(10)
2.3 Versuchsdurchführung
Die porengrößenabhängigen Unterschiede in der Bindungsstärke zwischen Wasser und
Bodenmatrix bilden die Grundlage der Verfahren zur Bestimmung der Porengrößenverteilung
in ungestörten Bodenproben. Das Prinzip dieser Methoden besteht in der Ermittlung der
Gewichtsdifferenzen von Bodenproben vor und nach definierter Entwässerung, dabei kann
die der Probe entzogene Wassermenge direkt mit dem Porenvolumen korreliert werden. Die
mittleren Durchmesser der entwässerten Poren können aus dem Kapillaritätsgesetz
hergeleitet werden.
Zur Bestimmung der Saugspannung (pF-Wert) sind je nach Höhe der anzulegenden
Saugspannung unterschiedliche Verfahren anzuwenden (DIN 19683, Blatt 5).
Saugspannungen bis pF 2,5
Die Bodenprobe wird in ungestörter Lagerung mit dem Stechzylinder entnommen und
feldfrisch gewogen. Vor der Messung wird die Probe am unteren Rand in Kontakt mit einer
freien Wasseroberfläche gebracht und dadurch aufgesättigt13. Dabei muss das Wasser
ungehindert von unten zutreten können (der Stechzylinder ist auf ein Filterpapier zu stellen).
Nach der Aufsättigung wird der Stechzylinder mitsamt einem Filterpapier auf eine keramische
Platte gesetzt, die auf der Unterseite einem definierten Unterdruck ausgesetzt ist. Dieser
Unterdruck kann über eine hängende Wassersäule oder über einen geregelten Unterdruck
hervorgerufen werden. Der Stechzylinder verbleibt bis zur Gleichgewichtseinstellung auf der
Platte und wird dann gewogen. Die Wägung erfolgt nach Absprache mit den Betreuern mit
oder ohne das Filterpapier. Zur Bestimmung der nächsten pF-Stufe wird der Stechzylinder auf
13
Für eine vollständige Aufsättigung müsste die Probe bis zum oberen Rand gesättigt werden. Aus
praktischen Gründen wird darauf allerdings oft verzichtet.
38
Stechzylinder mit Bodenprobe
keramische Platte
wassergefüllter
Raum
hängende Wassersäule
Abb. 10: Unterdruckmethode zur Messung der Retentionscharakteristik (aus Huwe, 1999).
eine entsprechende weitere Platte gesetzt und in gleicher Weise verfahren.
Aus dem Gewicht des Stechzylinders im Gleichgewicht, dem Gewicht nach 24 h Trocknung
bei 105°C14 und dem Volumen des Stechzylinders lässt sich der Wassergehalt errechnen:
θ=
WStechzylinder − WTrocken
(11)
VStechzylinder
Dieser Wassergehalt wird dem Marixpotential zugeordnet, das im hydrostatischen
Gleichgewicht in der Mitte des Stechzylinders anliegt.15
Berechnungsbeispiel:
Gewicht Stechzylinder+Probe feucht (g)
270
Gewicht Stechzylinder+Probe trocken (g)
245
Volumen (cm³)
100
Wassergehalt (-)
0.25
Probenhöhe (cm)
4
Druck am oberen Ende der keramischen Platte (cm)
–20
Matrixpotential der Probe (cm)
–22
Bemerkungen
1.
Die Zeit bis zur Gleichgewichtseinstellung beträgt in der Praxis 1 - 10 Tage; sie ist
maßgeblich abhängig von Höhe des Stechzylinders und Druckstufe, sowie von der
Bodenart. Generell gilt die Regel, dass die Zeit zur Gleichgewichtseinstellung quadratisch
mit der Probenhöhe wächst. Ein Stechzylinder von 20 cm Höhe wird also 100 mal länger
14
Diese Trocknung entfernt nach Jury et al., (1992) nur das „interparticle water“, nicht das Wasser an
Tonmineralen („Kristallwasser“). Die Definition des Wassergehalts Null ist also operationell!
15
Diese Zuordnung ist einfach, aber bei grobkörnigen Böden und bei hohen Stechzylindern fragwürdig
(vgl. Bemerkung 6)!
39
zur Gleichgewichtseinstellung benötigen als ein Stechring von 2 cm Höhe! Dies
beschränkt die Methode in der Praxis auf relativ kleine Probenhöhen von maximal 5 cm.
Größere Proben können nur noch durch instationäre Verfahren ausgewertet werden.
Die Bodenart ist insbesondere für die Gleichgewichtseinstellung im Bereich der
Mittelporen von entscheidender Bedeutung. So ist es praktisch unmöglich, einen Sand
bei Matrixpotentialen kleiner –200 cm ins hydrostatische Gleichgewicht zu bekommen, da
die Poren praktisch alle entwässert sind und die hydraulische Leitfähigkeit bereits gegen
Null geht. Eine fehlende Gleichgewichtseinstellung ist in diesem Fall allerdings nicht sehr
kritisch, da man sich ohnehin im Bereich befindet, in dem auch die Wasserkapazität
gegen Null geht, die Wassergehalte sich also zwischen den Druckstufen nicht mehr
nennenswert unterscheiden.
Für feinporige Böden (Tone) dagegen muss bezweifelt werden, ob sie je ins
hydrostatische Gleichgewicht kommen (Dirksen, 1999). Zumindest sollten für solche
Böden möglichst flache Stechzylinder, z.B. der Höhe 1 cm, verwendet werden.
2.
Der Kontakt Platte - Boden ist für den Ausflussprozess von größter Bedeutung und
insbesondere bei höheren Druckstufen ein nicht zu unterschätzendes Problem. In jedem
Fall ist zu vermeiden, dass die Porengrößenweite des Filterpapieruntersatzes so groß ist,
dass beim anliegenden Unterdruck diese Poren bereits entwässert sind. Auch bei einem
geeigneten Papierfilter kann an der losgelösten Bodenprobe während des Wägevorgangs
bereits in kürzester Zeit im Labor eine oberflächliche Austrocknung erfolgen, so dass
nach dem erneuten Aufsetzen der hydraulische Kontakt unterbrochen ist. Es ist deshalb
ratsam, vor jedem erneuten Aufsetzen die keramische Platte und das Filterpapier mit
einem Spray anzufeuchten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die neu auf die Platte
aufgesetzten Proben am unteren Rand mit Hilfe einer Spritze geringfügig zu bewässern.
3.
Die Wägung der Bodenprobe sollte zügig erfolgen, so dass Verdunstung vom
Stechzylinder das Probengewicht nicht verändern kann, und – wichtiger – keine
oberflächliche Abtrocknung zu nachfolgenden Kontaktproblemen Platte - Boden führt.
Der Gewichtsverlust durch Verdunstung ist für die Standardmessungen nach den
einzelnen Druckstufen unkritisch, dagegen nach der Trocknung bei 105 °C von
Bedeutung. Da die Stechzylinder in der Regel vor der Wägung einer längeren
Abkühlungsphase ausgesetzt sind, kann der Wassergehalt dabei leicht von "trocken: θ =
0.0) auf "lufttrocken" (θ > 0.0 !) ansteigen, wenn eine Feuchtigkeitsaufnahme aus der
Laborluft erfolgt. In diesem Fall müssen die Proben im Exsikkator abgekühlt werden.
Ein weiterer zu beachtender Punkt ist eine eventuelle Verfälschung des Probengewichtes
durch Verschleppung von Körnern. Generell sollte bei feinkörnigen Böden der
Zusammenhalt der Bodenmatrix groß genug sein, um Bodenverluste am Filter einerseits,
aber auch an der Waagenoberfläche andererseits zu vermeiden (bei kritischen Böden im
feuchten Bereich ist evtl. die Wägung auf einer Teflonoberfläche vorteilhaft). Bei sandigen
Böden kommt es häufiger zum Anhaften von einzelnen Körnern, z.B. am Deckel des
Stechzylinders. In solchen Fällen können die Körner leicht auf die Probe abgeklopft
werden. Die Messgenauigkeit der Wägung sollte auf mindestens 0.1 % Wassergehalt
erfolgen; bei einem 100 cm³ Stechzylinder bedeutet das eine Genauigkeit von 0.1
Gramm.
4.
Eines der am meisten unterschätzten Probleme bei der Gleichgewichtseinstellung
zwischen Stechzylinder und keramischer Platte stellt der Wasserverlust aus dem
System durch Verdunstung dar. Vor allem bei den höheren Druckstufen kann dies dazu
führen, dass der Stechzylinder nicht auf das geplante Matrixpotential von z.B. ψ = –300
cm austrocknet, sonder die Austrocknung auf –500 bis –1000 cm oder noch geringere
Potentiale weiterschreitet. Es ist deshalb extrem wichtig, den Verdunstungsverlust der
Stechzylinder auf Null zu reduzieren. Bei den keramischen Platten, die wir im Rahmen
des Praktikums verwenden, ist dies dadurch gelöst, dass sie von einem Wasserbad
umgeben sind, so dass die Luftfeuchte stets annähernd gesättigt ist. Im Idealfall herrscht
ein Potentialgleichgewicht zwischen Luftfeuchte und Platte (ψ RH % = ψ Platte ).
5.
Hysterese. Die θ(ψ)-Charakteristik ist eine hysteretische Funktion, d.h., ihr Verlauf hängt
davon ab, ob der aktuelle Wassergehalt als Folge eines Entwässerungsprozesses
("drainage") oder eines Bewässerungsprozesses ("imbibition") im Boden ist. Darüber
40
hinaus spielt auch die Vorgeschichte der Be- und Entwässerungsvorgänge eine Rolle, so
dass unter instationären, natürlichen Randbedingungen nicht eine, sondern eine
unendlich große Anzahl von θ(ψ)-Beziehungen vorliegen. Der Begriff "Retentionskurve"
impliziert, dass bei der Bestimmung der θ(ψ)-Charakteristik nur ein ganz spezieller Ast
der
hysteretischen
Beziehung
gemessen
wird:
die
sogenannte
Erstentwässerungskurve. Zwar ist mit der vorliegenden Messtechnik denkbar, auch
einen Bewässerungsast zu messen (indem die Proben wieder von hohen auf niedrigere
Druckstufen umgesetzt werden, und gewährleistet ist, dass aus den keramischen Platten
Wasser in die Proben fließen kann). Auf diese Messung wird jedoch in der Regel
verzichtet. Die Hysterese wird in Simulationen entweder ignoriert oder durch möglichst
einfache Modelle abgebildet. Tatsächlich sind die bestehenden Modelle und Methoden
jedoch noch mit gravierenden Mängeln behaftet, und es besteht auf diesem Sektor noch
erheblicher Forschungsbedarf.
6.
Ergebniskorrektur. Bei grobkörnigen Materialien und relativ hohen Proben führt die
Zuordnung einer mittleren Tension zu einem mittleren Wassergehalt zu einer Glättung
der wahren (auf einen Punkt definierten) Retentionsfunktion, was sich vor allem im
Bereich des Lufteintrittspunktes als systematischer Fehler äußert. Es ist möglich, diesen
Fehler nachträglich herauszurechnen (Dane et al., 1999).
7. Ungestörtheit der Probe: Für die Gültigkeit der Ergebnisse im Bereich nahe Sättigung ist
es wichtig, einen ungestörten Bodenausschnitt zu beproben. Der Kollaps der größten
Poren aufgrund von Sackungen wird sich in der Retentionsfunktion allerdings nur
marginal auswirken, da möglicherweise nur ein sehr geringes Porenvolumen betroffen ist.
Wird die Retentionsfunktion allerdings benutzt, um – wie in vielen Fällen üblich – daraus
den Verlauf der hydraulischen Leitfähigkeitsfunktion vorherzusagen, so spielen kleinste
Nuancen im Verlauf nahe Sättigung bereits eine erhebliche Rolle. Dieses Problem stellt
sich dagegen nicht bei den höheren Druckstufen, bei denen Poren im Mittel- und
Feinporenbereich entwässert werden. Da diese Poren texturbedingt sind, können (und
sollen) höhere Druckstufen (ab –300 cm) an gestörten Proben im Drucktopf gemessen
werden. Wichtiger als die Ungestörtheit ist nun, dass die Proben möglichst flach sind
(z.B. 5 mm), um eine schnelle Gleichgewichtseinstellung zu gewährleisten (vgl. nächster
Abschnitt).
Saugspannungen im Bereich pF 2,5 - 4,2
Im Bereich 2.5 < pF < 4.2 können Gleichgewichtswassergehalte erreicht werden, indem man
feuchtes Bodenmaterial in einem Drucktopf ("pressure membrane apparatus") bringt, bei dem
die Gasphase unter einem Überdruck ha steht, während die Wasserphase über eine
feinporige Keramik in Kontakt zu atmosphärischem Umgebungsdruck entwässern kann (Abb.
11).
Zu beachten ist hierbei:
1.
Als Bodenmaterial sollte gut angefeuchteter, auf 2 mm gesiebter Feinboden verwendet
werden.
2.
Eine Bodenmenge von etwa einem Teelöffel wird in kleine Ringe, auf der Keramik
liegende Ringe eingebracht und an der Keramik etwas festgepresst, so dass ein guter
Kontakt zwischen Boden und Keramik gewährleistet ist. Wenn die Ringe nicht mit
eingravierten Kennungen versehen sind, so ist eine sorgfältige Protokollierung der
Probenzuordnung notwendig.
3.
Wenn alle Proben auf der Keramik aufgebracht sind (kann auch in mehreren Etagen
geschehen), wird der Drucktopf verschlossen und unter Druck gesetzt.
ACHTUNG: aus Sicherheitsgründen darf dies nur unter Anleitung und im Beisein
einer Betreuungsperson geschehen!
4.
Der Druck wird über eine Zeit von einigen Tagen aufrechterhalten (zwischendurch
prüfen!). Nach dieser Zeit hofft man, dass die Gleichgewichtseinstellung erfolgt ist. Der
Druck wird nun abgelassen, der Drucktopf wieder geöffnet, die Proben von der
41
keramischen Platte entfernt und in saubere beschriftete Alu-Döschen überführt. Diese
werden gewogen, 24 h im Trockenschrank bei 105°C getrocknet, dann entnommen, im
Exsikkator abgekühlt, und erneut gewogen.
5.
Der Wassergehalt errechnet sich zunächst als gravimetrischer Wassergehalt aus dem
Massenverhältnis des im Boden vorhandenen Wassers gegen das trockene
Bodengewicht. Die Umrechnung in den volumetrischen Wassergehalt erfolgt unter
Verwendung der mittleren Lagerungsdichte ρ b für den Standort gemäß
θ=
ρb
VWasser WWasser ρWasser W feucht − Wtrocken
=
=
⋅
Vgesamt
WBoden ρb
Wtrocken
ρWasser
Berechnungsbeispiel:
Gewicht Probe feucht (g)
Gewicht Probe trocken (g)
Gravimetrischer Wassergehalt (g/g)
Dichte von Wasser bei 20°C (g/cm³)
Mittlere Lagerungsdichte (g/cm³)
Volumetrischer Wassergehalt (cm³/cm³)
(12)
Wfeucht
4.20
Wtrocken
4.00
θgrav
0.05
ρWasser
~ 1.00
ρb
1.50
θ
0.075
Saugspannungen > pF 4,2 (wird im Praktikum nicht durchgeführt)
Dieses Verfahren basiert, im Gegensatz zu den bisher beschriebenen, auf chemischer
Grundlage. Die Wasseraffinität konzentrierter Schwefelsäure ermöglicht die weitere
Entwässerung von Bodenproben. Die Einstellung der gewünschten pF-Werte erfolgt über die
Konzentration der zur Gleichgewichtseinstellung vorgelegten Schwefelsäure:
3.3
Vol.-% H2SO4
->
pF 4,5
10
Vol.-% "
->
pF 4,7
30
Vol.-% "
->
pF 5,6
50
Vol.-% "
->
pF 6,1
Nach dem Dampfdruckausgleich zwischen Probe und konzentrierter Schwefelsäure wird die
Probe wie oben beschrieben zur Bestimmung des Wasserverlusts getrocknet und gewogen.
Manometer
Stechzylinder
mit Bodenprobe
15 bar
keramische Platte
wassergefüllter
Raum
Abb. 11: Überdruckmethode zur Messung der Retentionskurve (Abb. aus Huwe, 1999).
42
2.4 Literatur
DIN 19683- 4 (1973): Physikalische Laboruntersuchungen, Bestimmung des Wassergehaltes
des Bodens, April 1973.
Hartge K.-H., und R. Horn, 1992. Die physikalische Untersuchung von Böden. 3. Auflage.
Jalabert M., und J.H. Dane (2001): Correcting laboratory retention curves for hydrostatic fluid
distributions. Soil Sci. Soc. Am. J. 65: 648-654.
2.5 Aufgabe
Ermitteln Sie für „ihren“ Boden die folgenden Kennwerte:
• Lagerungsdichte
• Porosität
• Grob, Mittel- und Feinporenanteil
• Feldkapazität
• nutzbare Feldkapazität
• nutzbare Feldkapazität des effektiven Wurzelraums
• Luftkapazität
• Wasserkapazität beim permanenten Welkepunkt
• Luftvolumen beim permanenten Welkepunkt
Vorgehensweise
1. Notieren des Gewichts bei Probenahme Wfrisch (unmittelbar nach Probenahme)16.
2. Packen Sie insgesamt 15 Stechringproben und setzen Sie diese in die Drucktöpfe für
die Drücke 1, 3, 15 Bar (MUSS UNTER AUFSICHT ERFOLGEN!,
Probenvorbereitungstag).
3. Sättigen Sie die Stechzylinderproben durch Aufsetzen in die pF-Apparatur (Platte
„Aufsättigung“) für mindestens eine Woche auf (Probenvorbereitungstag).
4. Messung des Probengewichts Wsat bei Sättigung (zur Vermeidung von Wasserverlust
beim Transfer von der Sättigung zur Waage erfolgt die Wägung in umgedrehten
Zustand mit Deckel)
5. Auf- und Umsetzen der Proben auf die Saugplatten der pF-Apparatur auf
verschiedene Druckstufen gemäß nachstehender Tabelle.
6. Nach Abschluss aller Wägungen werden die Stechzylinder im Trockenschrank für 24
Stunden bei 105°C getrocknet. Danach werden Sie für 1 Stunde zur Abkühlung in
einen Exsikkator eingestellt und danach durch Wägung das Trockengewicht Wtrocken
festgestellt.
7. Alle Wägungen erfolgten mit Deckel und Stechring. Nach Entfernen der Probe wird
das Gewicht des Deckels und des Stechrings (beide sauber!) Wtara gemessen.
8. Die Stechringproben verbleiben 3 Wochen in den Drucktöpfen, werden dann
entnommen, und das Bodengewicht W(ψ=−15000) ermittelt. Hierzu werden die
16
In der Regel wird die Probe mit einem zughörigen Deckel gewogen, der während der gesamten
Prozedur als der Probe zughörig verbleibt. Messen Sie außerdem das Deckelgewicht separat, um nach
Abschluss der Messungen die Netto-Gewichte der Proben bestimmen zu können.
Ringinhalte in vorgewogene
getrocknet, im Exsikkator
gravimetrische Wassergehalt
aus denselben Horizonten
umgerechnet.
43
Aludöschen gefüllt, gewogen 24 Stunden bei 105°C
abgekühlt, und rückgewogen. Der so bestimmte
wird mit Hilfe der Lagerungsdichten der Stechzylinder
schließlich in die volumetrischen Wassergehalte
Tabelle 00: Druckstufen für die Bestimmung der Retentionskurven an Stechzylindern
Datum
Donnerstag
Donnerstag
Freitag
Montag
Freitag
Donnerstag
Donnerstag
Donnerstag
Donnerstag
Donnerstag
Donnerstag
Donnerstag
16. Apr 03
24. Apr 03
25. Apr 03
28. Apr 03
02. Mai 03
08. Mai 03
15. Mai 03
22. Mai 03
05. Jun 03
12. Jun 03
19. Jun 03
26. Jun 03
Freitag
27. Jun 03
Stechzylinder
Aufsättigung
Druckstufe 1 -10
Druckstufe 2 -20
Druckstufe 3 -30
Druckstufe 4 -60
Druckstufe 5 -100
Druckstufe 6 -100
Druckstufe 7 -300
“
-300
“
-300
“
-300
“
-300
Trocknung bei 105°C
Trockenwägung
Stechringe
cm
cm
cm
cm
cm
cm
cm
cm
cm
cm
cm
Einsetzen in Drucktopf
Ð
Ð
Ð
Ð
Entnahme aus Drucktopf
Ab der Druckstufe –60 cm sollten die Bodenproben vor dem Wiederaufsetzen auf die
Platte jeweils leicht angefeuchtet (gesprüht) werden, so dass der hydraulische Kontakt
gewährleistet ist. Ab der Druckstufe –100 sollte das Aufsetzen ohne Filterpapier
geschehen. Für die Proben auf der letzten Druckstufe wird die Wägung Woche für Woche
wiederholt, um zu prüfen, wie schnell sich ein konstantes Gewicht einstellt.
Fragen zur Auswertung
1. Berechnen Sie die Parameter Lagerungsdichte, Porosität, Grob-, Mittel- und
Feinporenanteile für ihren untersuchten Bodenhorizont. Versuchen Sie für alle
Abschätzungen Unsicherheitsbandbreiten anzugeben
2. Erstellen Sie für ihren Boden eine Grafik der Retentionskurve.
• Bilden Sie darin alle Punktmessungen θ(ψ) ab.
• Versuchen Sie eine mittlere Retentionsfunktion durch die Punkte zu zeichnen
• Quantifizieren Sie die Unsicherheit der Retentionskurve. Sind die Streuungen der
Wassergehaltsmessungen unabhängig von der Druckstufe und unabhängig von
der Methodik (Stechzylinder, Stechringe)?
3. Nach Datenaustausch mit den anderen Gruppen:
Stellen Sie die Parameter Lagerungsdichte, Porosität, Grob-, Mittel- und Feinporenanteile der untersuchten Böden gegen die Tiefe dar.
• Wie könnte eine geeignete Visualisierung aussehen?
• Korrelieren die Porenverteilungen mit anderen Parametern? Gibt es deutliche
Trends mit der Tiefe?
4. Wie schätzen Sie die Wasserversorgung des Standorts ein?
• Wie groß ist die Feldkapazität ihres untersuchten Bodens?
• Wie groß ist die nutzbare Feldkapazität?
• Wie groß ist die nutzbare Feldkapazität des effektiven Wurzelraums?
• Passen diese Werte zu den Erwartungen aufgrund der Bodenart?
44
5. Wie schätzen Sie die Luftversorgung des Standorts ein?
Gesättigte Wasserleitfähigkeit
45
Versuch 3: Gesättigte Wasserleitfähigkeit
In diesem Versuch wollen wir uns der Frage widmen, wie leicht oder schwer Wasser durch
unseren Boden fließt. Hierzu wiederholen wir einen grundlegenden Versuch der
Bodenhydrologie: den Versuch von Darcy, der 1856 veröffentlicht wurde. Wir werden Wasser
als Folge einer Druckdifferenz durch eine Bodensäule fließen lassen und die Wassermenge pro
Zeit und Querschnitt messen. Als Resultat der Auswertung ergibt sich eine
Proportionalitätskonstante zwischen antreibender Kraft und Flussmenge – die gesättigte
hydraulische Leitfähigkeit. Für die Durchführung dieses fast 150 Jahre alten Experimentes
werden wir einen Aufbau nutzen, wie er für Stofftransportexperimente an Bodensäulen
verwendet wird.
3.1 Versuchsdurchführung bei konstantem Überstau
3.1.1
Aufbau der Messanlage
Die Messanlage (Abb. 12) besteht aus einem Säulenfuß mit grobporiger poröser Platte
(Glassinter – zerbrechlich!), die am unteren Rand frei auslaufen kann. Das auslaufende
Wasser wird über einen Trichter gefasst, und kann in ein Auffanggefäß (eventuell auf einer
Waage zur Kontrolle der Austrittsrate) geleitet werden.
Kapillare
Einfüllstutzen
Gradierung
Auslauf
Wasserspiegelhöhe
∆L
Abb. 12: Aufbau der Ks-Messung.
Säule
∆h
Lochblech
46
3.1.2
Bestimmung der gesättigten Leitfähigkeit des Bodens
Die aufgesättigte Bodensäule wird auf die poröse Platte aufgesetzt, und am oberen Rand mit
einem passenden Aufsatz verbunden (Klebeband). In den Aufsatz mündet der Auslauf einer
Mariotte’schen Flasche (verschiedene Bauformen denkbar, z.B. wie im Bild). Nach Öffnen der
Verbindung zwischen Mariotte’scher Flasche und Aufsatz wird der Wasserspiegel ansteigen
bis ein konstanter Einstau im Aufsatz erreicht ist. Nun ist die Messung stationär.17. Ab diesem
Zeitpunkt sind die Voraussetzungen für eine Messung nach der „constant head“ – Methode
gegeben. Es erfolgt die Messung der effektiven Leitfähigkeit des Gesamtsystems. Da die
untere Platte so grobporig gewählt wird, dass ihre Leitfähigkeit weit über der des Bodens liegt,
ist ihr Widerstand im Fließsystem vernachlässigbar. Die Messung ist beendet, wenn die
Fließrate über eine gewisse Versuchszeit als stationär registriert ist. Die Säule kann nun
auslaufen
Zu notieren sind:
•
Überstauhöhe
•
Höhe der Bodensäule
•
Querschnittsfläche der Bodensäule
•
Querschnittsfläche der Mariotte’schen Flasche (Innenmaß!)
Sowie eine Tabelle mit folgenden Daten
3.1.3
Zeit
Wasservorratshöhe Höhe in Mariotte’scher Flasche
...
...
...
...
Hinweise
1. Zur Vermeidung von Lufteinschlüssen in Markoporen sollte die Säule im Idealfall vor
Überstau bis zum oberen Rand aufgesättigt sein. Dies ist in der Praxis nur erfüllbar,
wenn sie unten abgedichtet ist. Für die Fragestellung im Praktikum sind Lufteinschlüsse
jedoch nicht sehr problematisch. Wir verzichten deshalb auf diese Art der kompletten
Aufsättigung.
2. Bei Säulen mit extrem hoher gesättigter Leitfähigkeit kann eventuell durch die
Begrenzung der Wasserzufuhr aus der Mariotte’schen Flasche kein konstanter
Überstau erreicht werden. Gießen Sie in diesem Fall manuell Wasser aus einem
Messzylinder zu, und schätzen Sie daraus die Perkolationsrate ab.
3. Vor allem bei schluffigen Böden besteht die Gefahr der Erosion der Bodenoberfläche
durch den Einstau. Decken Sie in diesem Fall die Bodenoberfläche mit einem Filter
oder einer grobporigen Sinterplatte ab.
4. Die Messung der gesättigten Leitfähigkeit ist extrem empfindlich auf Klüfte im
Porensystem entlang der Fließrichtung. Am häufigsten und problematischsten sind
hierbei Störungen durch Randklüfte im Stechzylinder. Sofern Sie nicht ausschließen
können, dass durch eine geeignete Probennahme und sorgfältige Probenbehandlung
keine solche Randklüfte existieren, müssen Sie die erzielten Ergebnisse unter großem
Vorbehalt interpretieren.
17
Die Sache kann beschleunigt werden durch das manuelle Auffüllen des Überstandes!
47
3.2 Versuchsdurchführung bei fallendem Überstau
Bei Versuchen an wenig durchlässigen Proben benötigt die Methode mit konstantem
Überstau erheblich Zeit. Eine Verkürzung der Versuchszeit wird erreicht durch (a) Erhöhung
des Potentialgradienten und (b) eine Verringerung des Querschnitts des Gefäßes zur
Wasserzufuhr (Bürette).
3.2.1
Aufbau der Messanlage
Die Messanlage ist im unteren Teil analog zur Messung mit konstantem Überstau. Im oberen
Teil wird der Aufsatz ersetzt durch eine Haube, die über einen Absperrhahn in eine Bürette
übergeht. Notiert werden müssen wiederum folgende Angaben:
•
Höhe und Querschnittsfläche der Bodensäule
•
Querschnittsfläche der Bürette (Innenmaß!)
sowie eine Tabelle mit folgenden Daten
Zeit
Wasservorratshöhe in Bürette.
...
...
...
...
Wasserspiegelhöhe
∆h
∆L
Säule
Abb. 13: Aufbau der Ks-Messung- „falling head“.
Lochblech oder Sinterplatte
48
Zur Messung ist es notwendig, das System zunächst völlig mit Wasser zu füllen. Dies kann
z.B. durch das Aufsetzen der Haube auf die Bodenprobe unterhalb eines Wasserspiegels
geschehen (in einer geeigneten Wanne).
3.3 Auswertung
Die Berechnung der hydraulischen Leitfähigkeit bei konstantem Überstau ergibt sich durch.
k eff =
mit Q
(cm³)
Q
ABoden
⋅
∆L
∆h
(13)
stationäre Strömungsrate aus Mariotte’scher Flasche
ABoden (cm²)
Durchströmte Fläche der Bodensäule
∆L
(cm)
Länge der Bodensäule
∆h
(cm)
Antreibende Potentialdifferenz
Die Berechnung der hydraulischen Leitfähigkeit bei fallendem Überstau ergibt sich durch.
keff =
 ht
∆L
ABürette
⋅
⋅ ln i
ABodensäule ∆ti →i +1  ht i+1




mit ABürette
(cm²)
Durchströmte Fläche der Bürette
ABoden
(cm²)
Durchströmte Fläche der Bodensäule
∆L
(cm)
Länge der Bodensäule
(14)
∆ t i →i +1 (d)
Differenz zwischen den zwei Ablesezeiten ti und ti-1
hti
(cm)
Antreibende Potentialdifferenz zum Zeitpunkt ti
hti+1
(cm)
Antreibende Potentialdifferenz zum Zeitpunkt ti+1
Ist die Leitfähigkeit der porösen Platte kPlatte so gering, dass sie explizit berücksichtigt werden
muss, so muss sie separat bestimmt werden. Die Leitfähigkeit des Bodens wird dann unter
Kenntnis der effektiven Leitfähigkeit des Systems Platte-Boden keff errechnet. Da sich die
Widerstände (R = L/k) der beiden Systeme addieren, gilt
LB + LPlatte LB LPlatte
=
+
k eff
k s k Platte
(15)
Durch Umformung und Auflösen nach ks folgt
ks =
LB
LB + LPlatte LPlatte
−
keff
k Platte
(16)
49
mit LBoden
(cm)
LPlatte
(cm)
kPlatte
ks
Länge der Bodenprobe
Dicke der Platte
–1
Gesättigte Leitfähigkeit der Platte
–1
Gesättigte Leitfähigkeit der Bodenprobe
(cm d )
(cm d )
3.4 Aufgabe
Bestimmen Sie die gesättigte Leitfähigkeit einer Bodensäule mit der Methode mit konstantem
Überstau und der Methode mit variablem Überstau
• Geben Sie zu ihrem Ergebnis eine (nachvollziehbare!) Unsicherheitsabschätzung
(Stichworte: Fehlerabschätzung, grobe, systematische und stochastische Fehler,
Genauigkeit bei Wiederholung, Repräsentativität für den Standort).
• Stimmen die Ergebnisse der Methoden überein?
50
Tensiometrie, ungesättigte Wasserleitfähigkeit und Luftleitfähigkeit
Versuch 4: Tensiometrie, ungesättigte
Wasserleitfähigkeit und Luftleitfähigkeit
In diesem Kapitel wollen wir uns der Frage widmen, wie man den Bodenwasserstatus eines
Bodens messen kann, und wie groß die hydraulische Leitfähigkeit und die Luftleitfähigkeit
eines Bodens bei einem bestimmten ungesättigten Zustand ist, speichern kann, und wie groß
jeweils die Luftleitfähigkeit des Bodens bei den verschiedenen Wassergehalten ist. Wir
werden hierzu in einen Boden, der im Vorfeld auf ein bestimmtes Potential entwässert wurde,
ein Tensiometer einbauen, und damit die Bodenwasserspannung messen. Durch vorherige
Wägung werden wir dieser Tension einen Wassergehalt zuordnen können. Im zweiten Schritt
werden wir Luftleitfähigkeit messen, um somit den Zusammenhang zwischen Wassergehalt,
Wasserspannung, und Luftleitfähigkeit erkennen. Im dritten Schritt wollen wir die hydraulische
Leitfähigkeit bei ungesättigtem Wasserdurchfluss messen. Der hierbei verwendetet
experimentelle Aufbau entspricht dem von Säulenversuchen zur Messung des
Transportverhaltens von Substanzen in Böden unter ungesättigten Fließbedingungen.
4.1 Grundlagen
4.1.1
Wasserretention und Fließdynamik
Aufgrund von Adsorptions- und Kapillarkräften wird Bodenwasser im ungesättigten Boden
gebunden (Haftwasser). Anders betrachtet bedeutet dies, dass Arbeit verrichtet werden
muss, um dem ungesättigten Boden Wasser zu entziehen. Der Entzug von Wasser aus
einem Boden kann durch Anlegen von Unterdruck erfolgen. Dieses Anlegen von Unterdruck
ist nicht ganz trivial, da man ja nur Wasser entziehen will, während die Gasphase gleichzeitig
bei atmosphärischem Druck bleibt. Realisiert wird dies dadurch, dass zwischen den
Unterdruck und den zu untersuchenden Boden eine poröse Membran oder ein poröser
Körper (meist Glassinter oder poröse Keramik) zwischengeschaltet wird, in dem alle Poren
voll wassergesättigt sind. Dadurch ist diese Membran wasserdurchlässig, aber
luftundurchlässig. Ein auf der einen Seite angelegter Unterdruck wird über die Wasserphase
übertragen, während keine Gasströmung möglich ist.
Legen wir nun auf der einen Seite der Membran einen definierten Unterdruck an, und bringen
auf der anderen Seite einen zunächst wassergesättigten Boden damit in Kontakt, so werden
wir sehen, dass als Folge des Unterdrucks durch die Membran hindurch eine
Teilentwässerung des Bodens stattfindet. Je stärker wir ziehen, desto mehr Wasser wird dem
Boden (wie aus einem Schwamm) entzogen. Er wird zunehmend austrocknen ( 14).
Die aus einem solchen Experiment zu gewinnende Beziehung zwischen dem Unterdruck
(oder besser: dem Potential des Wassers) und der im Boden verbleibenden Wassermenge
(ausgedrückt als Wasservolumen pro Bodenvolumen = Wassergehalt θ) lässt sich als
Funktion darstellen. Diese Funktion heißt Retentionsfunktion (auch Kapillardruck-SättigungsBeziehung, pF-Kurve, usw.). Diese Funktion bildet zusammen mit der zweiten
Materialfunktion, der hydraulischen Leitfähigkeitsfunktion das Grundgerüst, das zur
mathematischen Beschreibung der Dynamik des Wasserflusses benötigt wird.
4.1.2
Tensiometer
4.1.3
Luftleitfähigkeit
51
Alle Teile des Porenraums von Böden, die nicht mit Wasser gefüllt sind, enthalten Bodenluft.
Bodenluftgehalt und Wassergehalt des Bodens sind also bei Kenntnis der Porosität
unmittelbar ineinander umzurechnen. Auch im wassergesättigten Zustand (sofern dieser, wie
im Laborversuch, nicht über lange Zeit anhält) ist Luft im Porenraum eingeschlossen,
allerdings nicht in einer zusammenhängenden Phase. Dies bedeutet, dass keine Konvektion
in der Gasphase stattfinden kann, und die Diffusion stark behindert ist.
Menge und Zusammensetzung der Bodenluft beeinflussen sowohl den Zustand der Wurzeln
höherer Pflanzen als auch das mikrobielle Leben. Für die Zusammensetzung der Bodenluft
ist dabei ein entscheidendes Kriterium, bei welcher Wasserspannung die Luftphase
zusammenhängend und damit leitend wird. Diese Durchlässigkeit kann sehr sensitiv durch
einen Luftdurchströmungsversuch bestimmt werden. Die Kenntnis der Luftdurchlässigkeit ist
auch wichtig bei der Bemessung und Bewertung von Anlagen zur Bodenluftabsaugung, die
zum Beispiel im Rahmen von Sanierungsverfahren nach Unfällen mit leichtflüchtigen
chlorierten Kohlenwasserstoffen eingesetzt werden.
Da in einem entwässernden Boden zunächst die größten vorhandenen Poren luftdurchlässig
sein werden, ist die Luftdurchlässigkeit ein sehr sensibler Parameter für den Ausbildungsgrad
Kumulativer Fluss (cm)
4
gemessen
simuliert
Forchheim S2
unimodal
3
2
1
0
Potential (cm)
0
-20
-40
-60
-80
0
20
40
60
80
100 120 140 160 180 200 220 240 260
Zeit (h)
Abb. 14: Multi-Step-Experiment: typische Ergebnisse für einen lehmigen Sand.
52
des Sekundärporensystems, d.h. ein Maß für die Bodenstruktur. Unstrukturierte, aber auch
verdichtete Böden leiten oft erst Luft, wenn ein erheblicher Teil des Wassers entzogen ist. In
solchen Böden ist mit schlechtem Pflanzenwachstum und niedrigen Redox-Potentialen zu
rechnen.
Nach DIN 19862-9 wird die Luftleitfähigkeit mit einem Luftdurchlässigkeitsmesser ermittelt,
bei dem nach dem Gasometerprinzip Luft mit geringem Überdruck durch den Boden gedrückt
und die Leitfähigkeit analog zum Darcy-Gesetz für die Wasserleitfähigkeit erfasst wird. Für
einen Bodenwassergehalt bei Feldkapazität gelten folgende Stufen (Schlichting et al., 1995;
DIN 4220):
Tab. 7: Einteilung der Luftleitfähigkeiten.
Stufe
Beschreibung
1
2
3
4
5
sehr gering
gering
mittel
hoch
sehr hoch
Luftleitfähigkei
t
(cm/s)
<0.07
0.07 – <0.14
0.14 - <0.3
0.3 - 0.6
>0.6
4.2 Versuchsdurchführung
4.2.1
Tensiometer-Messung
Eine im Vorfeld mit einem bestimmten hydraulisches Potential equilibrierte Bodensäule wird
auf eine wasserundurchlässige Unterlage gestellt. Über eine Zugangsöffnung in der
Tensiometerwandung wird ein Loch für ein Mini-Tensiometer (T5, Fa. UMS, München) von
ca. 4 mm Durchmesser und ca. 3 cm Länge gebohrt. In dieses Loch wird dann das
Tensiometer eingeführt und mit sanftem Druck so fest in der Probe verankert, dass ein
hydraulischer Schluss zwischen Keramikkerze des Tensiometers und der Bodenprobe
gewährleistet ist.
Das Tensiometer ist an ein Ablesegerät () angeschlossen. Die Zeit und der Tensionswert
werden mehrmals abgelesen und grafisch dargestellt. Das Matrixpotential wird unmittelbar
nach dem Einführen des Meßerätes etwas höher als das vorherige Gleichgewichtspotential
liegen (Auflastpotential!),wird sich dann aber bald auf eien Gleichgewichtswert einstellen.
Dieser sollte gerade dem angelegten Unterdruck bei der Vorentwässerung zuzüglich des
Abstandes des Tensiometers vom Unteren Rand der Bodenprobe entsprechen
(hydrostatisches Gleichgewicht).
4.2.2
Luftleitfähigkeit
Die Messung der Luftleitfähigkeit soll im Lauf des Multi-Step-Experimentes für die ersten
Entwässerungsschritte erfolgen. Vom gesättigten Zustand ausgehend, wird die Bodensäule
im Rahmen des Multi-Step-Experimentes auf ein Potential von 0 cm Wassersäule am unteren
Rand entwässert. Der Ausfluss wird bei der Datenaufzeichnung registriert. Nach Einstellung
des Gleichgewichtes18 wird die Bodenprobe abgehoben und waagerecht gebettet. Die
18
Bei langsamen Fließprozessen muss nicht die völlige Gleichgewichtseinstellung abgewartet werden.
Die Herabnahme von der porösen Platte erfolgt dann in Absprache mit dem Betreuer.
53
Druckaufnehmer, hochauflösend
Zur Datenaufnahme
Tauchbürette
Druckleitung
Bodensäule
Tauchfass
Gewicht
Abb. 16: Bestimmung der Luftleitfähigkeit.
Tensiometer bleiben dabei eingebaut und angeschlossen.
Auf eine Stirnseite der Bodensäule wird eine Haube aufgesetzt, die mit einem System zur
Überdruckerzeugung verbunden ist19. Die Haube wird luftdicht mit der Bodensäule verbunden
(Abb. 16). Der Überdruck wird durch die Auflast einer schwimmenden Bürette erzeugt, und
beträgt (je nach angebrachtem Gewicht) mehrere hPa. Er wird durch ein wassergefülltes URohr registriert, das an der Verbindungsleitung über einen Drei-Wege-Hahn angeschlossen
ist.
Die Messung beginnt durch Öffnen des Verbindungshahns der Überdruckleitung. Luft strömt
über die Haube durch den Boden. Durch die entweichende Luft sinkt die schwimmende
Tauchbürette entsprechend ein, der Druckaufnehmer registriert den Füllstand in der Bürette
und damit den Volumenstrom von Luft. Die Tensiometer zeigen gleichzeitig das
Wasserpotential an. Achtung: auf Lage der Druckaufnehmer achten und bei der Berechnung
des Wasserpotentials in der Säulenmitte berücksichtigen!
Spätestens wenn der Luftvorrat in der Bürette (ca. 3 Liter) verbraucht ist, ist die Messung
beendet. Die Überdruckleitung wird von der Haube abgetrennt, so dass atmosphärischer
Druck an der Oberfläche des Bodens anliegt, die Bodensäule wird wieder auf die auf die
Multi-Step-Apparatur aufgesetzt (ohne Abdichtungsring), und auf die nächste Druckstufe
entwässert.
Die Messungen werden von Entwässerungsschritt zu Entwässerungsschritt so lange
19
Sofern der Boden bindig ist, wird eine Haube wie in Abb. 16 verwendet. Fall er nicht bindig ist, muss
vor dem Kippen der Bodensäule eine Platte mit einem Sieb bündig aufgebracht werden, die das
Herausrieseln des Bodens verhindert. Entsprechend muss dann am anderen Ausgang ein Sieb
angebracht werden.
54
weitergeführt, wie die Praktikumszeit erlaubt.
4.3 Auswertung
4.3.1
Multi-Step-Experiment
Die Ausflussmenge wird in eine Wassergehaltsänderung umgerechnet (Ausflussvolumen
geteilt durch Säulenvolumen). Die Wassergehaltsänderung, die Entwicklung der zwei
Tensionsmessungen und der Verlauf des Drucks am unteren Rand werden grafisch gegen
die gegen die Zeit dargestellt und qualitativ beurteilt (vgl. Fragen in 5.4). Wir werden im 5.
Semester die Methode der „inversen Simulation“ kennen lernen, mit der aus diesen Daten die
hydraulischen Funktionen des Bodens bestimmt werden können.
Ausgehend von einem Maximalwassergehalt bei Sättigung (der aus den Texturdaten
abgeschätzt werden kann) kann aus den Wassergehaltsänderungen, der zu jedem
Druckschritt, bei dem der Ausfluss das Gleichgewicht erreicht hat, der zugehörige
Wassergehalt θ abgeschätzt werden. Die zu jedem Druckschritt zugehörige Wasserspannung
(genauer: das mittlere Matrixpotential) ergibt sich am besten aus den Tensiometeranzeigen
der liegenden Bodensäule (man beachte eventuell nötige Lagekorrekturen und versuche, ggf.
mit Hilfe des Betreuers, das Potential in der Säulenmitte abzuschätzen). Die Auftragung der
Wassergehalte gegen die Wasserspannungen ergibt die Retentionskurve im feuchten
Bereich.
4.3.2
Luftleitfähigkeit
Die spezifischen Luftleitfähigkeiten ka(θ) (cm³ cm-2 Pa-1) bei jedem Entwässerungsschritt
berechnen sich als
ka =
Qa LBoden
⋅
A ∆p
(17)
mit LBoden = Länge der Bodensäule, ∆p = Druckdifferenz, Qa = Gasfluss (cm³/s) und A =
Querschnittsfläche der Bodensäule (cm²). Die Luftleitfähigkeiten sollen in einer Grafik gegen
die Wassersättigung der Bodensäule aufgetragen werden. Die Wassersättigung ist hierbei
der errechnete Wassergehalt, normiert auf den maximalen Wassergehalt.
4.4 Aufgaben
Erstellen Sie eine Grafik mit dem kumulativen Ausflussvolumen und dem Druck am unteren
Rand der Bodensäule gegen die Zeit.
•
In welchem
freigegeben?
•
Wie sieht die Ausflussdynamik nach den Druckwechseln aus? Finden sich in
verschiedenen Phasen des Multi-Step-Experimentes deutliche Unterschiede?
•
Wurden bei den unterschiedlichen Druckstufen im Boden jeweils die zugehörige
vollständige Entwässerung erreicht? Wenn nein: ab wann nicht? Kann man auf die
zu erwartende Entwässerungsmenge extrapolieren? Wie groß sind die jeweiligen
Entwässerungsmengen in Volumenprozent?
Saugspannungsintervall
hat
der
Boden
am
meisten
Wasser
55
Erstellen Sie folgende Grafiken:
•
Mittlere Wassersättigung
(Retentionskurve)
•
Luftleitfähigkeit gegen mittlere Wasserspannung in der Probe
•
Luftleitfähigkeit gegen mittlere Wassersättigung der Probe.
gegen
mittlere
Wasserspannung
in
der
Probe
Werten Sie die Grafiken aus:
•
Sind Funktionsverläufe erkennbar, und können Sie die Beziehungen mit geeigneten
Funktionen anpassen und mathematisch beschreiben?
•
Passen die Ergebnisse der Retentionskurve zu den Daten, die aus den
Stechzylindermessungen erhalten werden (Versuch 3)?
•
War die Bodenprobe bereits bei der höchsten Sättigung luftdurchlässig? Wenn nein,
ab welcher Sättigung nahm die Durchlässigkeit nennenswerte Werte an? Erfolgt der
Anstieg der Luftleitfähigkeit eher langsam, oder schlagartig? Kann man den
Wassergehalt, bei dem die Luftleitfähigkeit stark ansteigt, mit einer bestimmten
Phase des Ausfluss-Experimentes in Beziehung setzen?
56
Gehalt des Bodens an organischer Substanz und biologische Umsetzungsrate
Versuch 5: Gehalt des Bodens an organischer
Substanz und biologische Umsetzungsrate
5.1 Grundlagen
Nach Scheffer/Schachtschabel (1998) wird die Gesamtheit der organischen Substanz des
Bodens Humus genannt. Dazu gehören alle in und auf dem Boden befindlichen
abgestorbenen pflanzlichen und tierischen Stoffe sowie deren organische Umwandlungsprodukte. Humus stellt keine einheitliche Bodenfraktion dar, sondern ist die Summe
unterschiedlich stark zersetzter und polymerisierter organischer Stoffe. Das Edaphon, d.h. die
lebenden Organismen der Bodenflora und -fauna, wird nicht zum Humus gerechnet.
Die Bestimmung der Menge an organischer Substanz eines Bodens erfolgt meist über eine
Ermittlung des Boden-C-Gehaltes (Corg.). Der C org.-Gehalt hängt von der Korngrößen-Zusammensetzung des Bodens sowie der Menge an zugeführter organischer Substanz und seiner
Abbau-Geschwindigkeit ab. Er ermöglicht keine direkten Aussagen über die Qualität der
Huminstoffe, unter Berücksichtigung der lokalen Bedingungen gibt es jedoch OptimalGehalte, die als Beurteilungskriterien für Bewirtschaftungsmaßnahmen wichtig sein können.
Unter der Annahme eines mittleren C-Gehaltes der organischen Substanz im Boden von 58
% lässt sich daraus durch Multiplikation des C-Gehaltes mit dem Faktor 1,72 der
Humusgehalt errechnen.
Ein wesentliches Endprodukt des Humusabbaus ist Kohlendioxyd. Abbau und Veratmung
äußern sich im Freiland in einem mit dem Tages- und Jahreszyklus periodisch veränderlichen
CO2-Fluss, der die Grenzfläche Boden-Atmosphäre durchsetzt: man spricht das komplexe
Phänomen als Bodenatmung an. Diese ist ein wichtiger Prozess im terrestrischen CKreislauf. Mit der Bodenatmung gelangt ein wesentlicher Teil des photosynthetisch
gebundenen Kohlenstoffs in die Atmosphäre zurück.
Neben dem organisch gebundenen Kohlenstoff liegt in vielen Böden ein weiterer Teil in
anorganischer Form (als Carbonate) vor. CaCO3 besteht zu 12% aus Kohlenstoff (Atommassen: Ca: 40, C: 12, O: 16). Bei der Verbrennung der Proben zur Bestimmung des
organisch gebundenen Kohlenstoffs wird auch das anorganisch gebundene C in Form von
CO2 freigesetzt. Zur Ermittlung des Corg.-Gehaltes von carbonathaltigen Böden muss daher
der carbonatisch gebundene Kohlenstoff vom Gesamt-C subtrahiert werden.
5.2 Ermittlung des Gehaltes an organischer Substanz
5.2.1
Methoden
Im wesentlichen gibt es 3 Verfahren zur Humusbestimmung, von denen im Praktikum das
Verfahren c) angewandt wird.
57
a) Nasse Veraschung der organischen Substanz (Lichterfelder Methode)
Bei der nassen Veraschung dient Kaliumdichromat K2Cr207 (Kaliumsalz der Dichromsäure)
als Oxidationsmittel. Das im Kaliumdichromat enthaltene 6-wertige Cr oxidiert die organische
Substanz zu CO2, wobei es selbst zu 3-wertigem Cr reduziert wird. Unter stöchiometrischen
Verhältnissen läuft folgende Reaktion ab:
2 K2Cr(VI)207 + 8 H2S04 + 3 C Æ 2 K2S04 + 2 Cr (III )2 (S04)3+ 8 H20 + 3 C02
Der C-Gehalt lässt sich nun auf zwei Arten bestimmen:
- man bestimmt die Menge an unverbrauchtem Cr(VI) mit Jodometrie
- man misst spektralphotometrisch die Veränderung der Farbintensität des grünen
Farbkomplexes.
b) Ermittlung des Glühverlustes
Hierbei wird die Bodenprobe bei 105°C getrocknet und eine aliquote Masse bei 600°C
geglüht. Dabei wird die organische Substanz oxidiert und entweicht gasförmig. Die GewichtsDifferenz vor und nach dem Glühen entspricht der Menge an organischer Substanz. Bei
Böden mit höheren Tongehalten, die bei Erhitzung über 105°C noch mineralisch gebundenes
Wasser abgeben, werden auf diesem Wege zu hohe Werte erhalten.
c) Oxidation der organischen Substanz auf trockenem Wege bei etwa 1350°C und
Bestimmung des gebildeten CO2 durch:
- Einleitung des Gases in NaOH oder Ba(OH)2 und Messung der veränderten elektrischen
Leitfähigkeit (Konduktometrische Messung).
- Einleitung des entstehenden C02 in ein mit Bariumperchlorat-Lösung gefülltes Titriergefäß.
Im Titriergefäß wird das CO2 absorbiert, wodurch die Alkalität der Lösung sinkt. Durch elektrolytisch erzeugtes Ba(OH)2 wird automatisch auf den pH-Ausgangswert der Lösung
zurücktitriert. Die verbrauchte Elektrizitätsmenge ist gemäß den FARADAYschen Gesetzen
eine entsprechende Meßgröße für den Kohlenstoffgehalt der Probe (coulometrisches
Verfahren).
5.2.2
Aufgabe
Bestimmung des Kohlenstoff- und Humusgehaltes von Bodenproben aus verschiedenen
Horizonten nach dem coulometrischen Verfahren
5.2.3
Durchführung
Vor Beginn der Messung muss das Gerät auf Funktionstüchtigkeit überprüft werden. Das
geschieht durch Messen einer Probe mit reinem CaCO3 (12% C). Man wiegt ca. 10 mg
CaCO3 in einem Keramikschiffchen ein. Der berechnete C-Gehalt sollte zwischen 11,6 und
12,2 % liegen. Sodann können die Bodenproben gemessen werden.
Die Einwaagen bei den Bodenproben sind so zu wählen, dass die gemessenen Impulse
zwischen 1000 und 8000 Counts liegen. Für jede Probe werden 2 Wiederholungen
gemessen. Ca. 50-200 mg (je nach erwartetem C-Gehalt des Bodens) luftgetrockneter und
gemörserter Boden werden in einem Keramikschiffchen eingewogen und in den Verbrennungsofen des C-Analysators eingeschoben. Die Schiffchen wurden vor der Benutzung
im Muffelofen bei 1000° C geglüht, um eventuell anhaftende C-haltige Substanzen zu
oxidieren. Der in der Probe enthaltene Kohlenstoff wird dann bei etwa 1350° C unter 02Zufuhr vollständig zu CO2 verbrannt. Der gemessene Wert entspricht dem Gesamt-C-Gehalt
der Probe, sofern kein anorganischer Kohlenstoff (Carbonat-C) in der Probe enthalten war.
Nur dann entspricht der Gesamt-C-Gehalt dem Corg.-Gehalt.
58
5.2.4
Auswertung
Die durch die automatische Rücktitrierung auf den pH-Ausgangswert verbrauchte
Elektrizitätsmenge wird digital auf der Anzeige angegeben. Dabei entspricht jeder
Zählwerkschritt 3,2 Millicoulomb (= 2 x 10-7 g C). Für eine beliebige Einwaage gilt:
% Kohlenstoff = (Impulse * 0,02/Einwaage (mg)). Der Faktor 0,02 bezieht sich auf die volle
Gasmenge (100%). Bei geteilter Gasmenge (10%) wird der Faktor 0,2 verwendet.
Berechnung von Humusgehalt und -menge:
Boden
Einwaage
(mg)
Counts (%) C
C-Menge
(t ha-1)‫٭‬
Hu. -Gehalt (%)
Hu. -Menge
(t ha-1)‫٭‬
‫٭‬Horizontmächtigkeiten werden angegeben
5.3 Biologische Umsetzungsrate:
nach Isermeyer
5.3.1
Adsorptionsmethode
Prinzip der Methode
Bei der C02-Bestimmung nach Isermeyer wird das sich im Boden entwickelnde und aus ihm
austretende CO2 in einer Lauge (Barythlauge) quantitativ absorbiert. Man schließt dazu einen
bestimmten Teil der zu untersuchenden Bodenoberfläche unter einer Auffang-Glocke ab, in
welcher sich ein Gefäß mit einer bestimmten Menge Lauge befindet. Nach einer definierten
Zeit wird die Glocke entfernt und die aufgefangene Menge C02 durch Titrieren bestimmt. (Lit.:
Isermeyer, Z. Pflanzenernaehr. Düngg. Bodenkde. 56, 1952).
5.3.2
Durchführung
Man füllt mit einer 50 ml Vollpipette 50 ml 0,1 N Ba(OH)2 in eine 100 ml-WeithalsStandflasche. Die Flasche wird auf die Bodenprobe gestellt. Sodann wird eine
Membranpumpe über ein Einleitungsrohr mit Sprudelstein angeschlossen. Der Boden mit
wird zusammen mit Flasche und Pumpe mit einer transparenten Glocke abgedeckt. Danach
wird die Pumpe eingeschaltet. Da auch aus der Luft CO2 in die Laugenvorlage gelangt, ist die
Bestimmung eines Blindwertes erforderlich. Dazu gibt man nochmals 50 ml 0,1 N Ba(OH)2 in
eine 100 ml-Weithals-Standflasche und setzt dieses Referenzgefäß der Laborluft aus.
Nach 60 Minuten wird die Glocke entfernt und die Laugenvorlage sofort nach Überführen in
einen 250 ml Erlenmeyerkolben mit 0,1 N HCl gegen Phenolphtalein als Indikator mit Hilfe
einer Bürette titriert. Auch die Titration des Blindwertes erfolgt nach 60 Minuten.
5.3.3
Berechnung
Die entwickelte Menge CO2 pro Flächen- und Zeiteinheit kann berechnet werden aus der
Menge an titrierter HCl abzüglich des Blindwertes:
59
a) Angabe in mg C m–2 h–1:
MCO2 (mg C m–2 h–1) = WC * F * XHCl/CO2 * ∆ HCl
mit
MCO2
WC
F
XHCl/CO2
∆ HCl
entwickelte Menge CO2 pro Flächen- und Zeiteinheit
Atomgewicht von C
= 12
Umrechnungsfaktor auf m²
= 10000/683.5
Molverhältnis HCl/CO2
= 0.5
Differenz Messung–Blindwert
Differenz im ml
b) Umrechnung in t C ha-1 a-1
MCO2 (t C ha-1 a-1) = MCO2 (mg C m–2 h–1) * F2 * F3 * F4 * F5
mit
5.3.4
MCO2
F2
F3
F4
F5
entwickelte Menge CO2 pro Flächen- und Zeiteinheit
Umrechnungsfaktor m2 → ha
= 104
Umrechnungsfaktor mg → t
= 10-9
Umrechnungsfaktor h → a
= 8760
Temperaturkorrektur
= 0.5
nach van’t Hoff 200 C → 100 C
Auswertung
Versuchen Sie, einen Schätzwert für den Jahresumsatz zu erhalten. Welche Beziehung hat
dieser Wert zur C-Menge eines humosen Oberbodens (z.B. Ap- bzw. Ahe-Horizont)?
Entsorgung: Die Bariumlösungen sind in einer gesonderten Bariumabfallflasche zu sammeln
und nicht in den Ausguss zu geben.
60
pH-Wert, Kalkbedarf und elektrische Leitfähigkeit
Versuch 6: pH-Wert, Kalkbedarf und elektrische
Leitfähigkeit
6.1 Bestimmung des pH-Wertes
6.1.1
Grundlagen
Für alle wässrigen Lösungen (Säuren, Laugen, Wasser) gilt, dass das Produkt aus der
Konzentration an H -Ionen und OH- -Ionen bei einer definierten Temperatur konstant ist. Die
Größe dieses Ionenproduktes von Wasser ist bei 22° C:
(H+) * (OH–) = 10-14 (mol l-1)2
Die Wasserstoff-Ionenkonzentration wird als pH-Wert ausgedrückt. Aufgrund des
logarithmischen Charakters des pH-Wertes ergeben sich Besonderheiten, die beachtet
werden müssen.
1) Das Ionenprodukt des Wassers ist in der logarithmischen Schreibweise eine Summe:
pH + pOH = 14
2) In neutralen Lösungen sind die H-Konzentrationen und die OH-Konzentrationen
gleich:
(H+)=10-7 mol l-1 pH = 7
(OH-)=10-7 mol l-1 pOH = 7
3) Je größer der pH-Wert ist, umso niedriger ist die H+-Konzentration und umgekehrt.
Bei einem pH < 7 ist die Lösung sauer, bei pH > 7 ist sie basisch.
4) Die H+-Konzentration nimmt um den Faktor 10 bzw. 100 zu, wenn der pH-Wert um 1
bzw. 2 abnimmt.
Böden sind Austauschsysteme. Der pH-Wert ist eine wichtige und häufig benutzte Größe zur
Kennzeichnung des aktuellen Zustandes dieser Systeme. Die Kenntnis des pH-Wertes
ermöglicht Rückschlüsse auf die Genese von Böden sowie auf Standorteigenschaften und ist
Planungsgrundlage für Düngungs- und Meliorationsmaßnahmen.
6.1.2
Prinzipien der Bestimmung
a) Kalorimetrische Bestimmung
Bestimmte Farbstoffe (Indikatoren) zeigen oberhalb und unterhalb eines für den jeweiligen
Farbstoff charakteristischen pH-Wertes unterschiedliche Farben. Einzeln oder in Kombination
mit der zu messenden Lösung oder Suspension vermischt, erlauben die entstehenden
Farbtöne eine annähernde Bestimmung des pH-Wertes.
b) Potentiometrische Bestimmung (wird im Praktikum angewendet !)
Das Prinzip der pH-Messung besteht darin, dass man eine auf pH 7 gepufferte und von einer
Glasmembran eingeschlossene Lösung (Innenpuffer) in eine Messlösung taucht. Ist die H+ Konzentration zwischen Innenpuffer und Messlösung unterschiedlich, so entsteht an der
Glasmembran eine elektrische Spannung zwischen den Phasengrenzen Glasmembran/
61
Innenlösung und Glasmembran/Außenlösung. Diese Spannung ist der H+-Ionenkonzentration
bzw. dem pH-Wert proportional.
Als Suspensionsmittel werden destilliertes Wasser (pH Wasser) und 0,01 M CaCl2-Lösung
verwendet (pH CaCl2). Die in dest. Wasser gemessenen pH-Werte liegen höher als die pHWerte in Salzlösung, da bei letzterer ein Austausch von Kationen gegen H+-Ionen der
Austauscher eintritt. Somit wird ein Teil der an den Kationenaustauschern gebundenen H+Ionen mit erfasst, was den längerfristigen Vorgängen im Boden am nächsten kommt.
6.1.3
Durchführung der potentiometrischen pH-Bestimmung
10,00 g lufttrockenen Bodens werden zweimal in Schüttelgefäßen eingewogen. Eines der
Gefäße wird mit 25 ml dest. Wasser versetzt, das andere mit 25 ml 0,01 M CaCl2-Lösung. Die
Proben werden nun alle 10 Minuten kurz von Hand aufgeschüttelt. Nach 1 Stunde wird der
pH-Wert direkt mit der pH-Elektrode und die Temperatur mit einem Temperaturfühler (PT
100) gemessen. Der Fehler dieser Bestimmung liegt etwa bei +/- 0,1 pH.
Vor der Benutzung des pH-Meters ist unbedingt zu beachten:
1) Das Phasengrenzpotential ist temperaturabhängig. Die Temperatur wird über den
Temperaturfühler gemessen und die Messung wird automatisch korrigiert.
2) Vor der Benutzung ist das Gerät mit Hilfe von Pufferlösungen bekannten pH-Wertes
zu kalibrieren. Hierbei wird mit den Kalibrierpuffern pH 7,0 und pH 4,6 die "Steilheit"
der Elektrode und „offset“ automatisch eingestellt. Dies ist bereits geschehen!
3) Nach jeder Messung ist die Glaselektrode gründlich mit dest. Wasser abzuspülen.
4) Die Nachfüllöffnung für den Elektrolyten der Bezugselektrode muss während der
Messung geöffnet sein.
Die nachfolgend aufgeführte Tabelle gibt die anzustrebenden pH-Werte für Acker- und
Grünland in Abhängigkeit vom Ton- und Humusgehalt an (nach LUFA Oldenburg, 1979).
Die Kenntnis des pH- (CaCl2-) Wertes sowie des anzustrebenden pH-Wertes gibt jedoch
keinen Hinweis darauf, wie die zum Erreichen dieses pH-Wertes notwendige Kalkmenge
exakt zu bemessen ist (siehe hierzu Aufgabe 7!).
62
Tab. 8: Anzustrebende pH-Werte von Acker- und Grünland in Abhängigkeit vom Ton- und
Humusgehalt (pH in 0,01 M CaCl2 und % CaCO3, nach LUFA Oldenburg, 1979).
Humusgehalt in Gew.%
%Ton
Bodenart
0-4
4,1-8
8,1-15
15,1
30,1-60
60,1–
(h)
h
sh
a
H
H
Acker, Böden außer Marsch
0-5
S
5,5
5,5
5,0
4,5
4,0
4,0
5, 1-12
l’S, t’U
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
4,0
12,1-17
lS, tU
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
17,1-25
sL,t’U
6,8
6,5
6,0
5,5
4,5
4,0
6,8
6,8
6,0
5,5
4,5
4,0
0,4%
CaCO3
0,2%
CaCO3
6,8
6,8
6,0
5,5
4,5
4,0
1,0%
CaCO3
0,4%
CaCO3
5,5
5,0
4,5
4,0
4,0
6,5
6,0
5,0
4,5
4,0
6,8
6,8
6,5
5,5
4,5
4,0
0,7%
CaCO3
0,3%
CaCO3
6,8
6,8
6,5
5,5
4,5
4,0
1,0%
CaCO3
0,5%
CaCO3
6,8
6,8
6,5
5,5
4,5
4,0
1,3%
CaCO3
0,7%
CaCO3
0,2%
CaCO3
25,1-35
35,1-
t’L,uT
tL,uT,T
Acker, Marsch (entkalkt*)
0-5
S
5,5
5,1-12
l’S, t’U
6,5
12,1-17
lS, tU
6,8
0,4%
CaCO3
17,1-25
25,1-35
35,1-
sL,t’U
t’L,uT
tL,uT,T
*) Auf nicht vollentkalkten Marschen sind um 50% höhere Kalkgehalte erstrebenswert
Grünland
0-5
S
5,0
5,0
5,0
4,5
4,5
5,1-12
l’S, t’U
5,5
5,0
5,0
4,5
4,5
12,1-17
lS, tU
6,0
5,5
5,0
4,5
4,5
17,1-
sL,t’U
t’L,uT tL,T
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
63
6.2 Bestimmung des Kalkbedarfs
6.2.1
Grundlagen:
Diese Bestimmung wird in der Praxis durchgeführt, um dem Landwirt Ratschläge über die
Höhe evtl. Kalkgaben erteilen zu können. Andererseits lassen die Ergebnisse aber auch
Aussagen über das Pufferungsvermögen der einzelnen Böden zu. Dieses ist abhängig vom
Gehalt an organischer Substanz und vom Tongehalt.
6.2.2
Prinzipien der Bestimmung:
a) Elektrochemische Neutralisation (Methode Jensen)
Durch Zugabe steigender Mengen einer Ca(OH)2- oder KOH-Lösung zum Boden wird die
Bodenacidität nach und nach neutralisiert. Bestimmungsgröße ist der pH-Wert der einzelnen
Suspensionen. Die graphische Darstellung des Zusammenhanges von pH und Ca(OH)2-bzw.
KOH-Menge wird als Pufferungskurve bezeichnet. Aus ihr lässt sich der Kalkbedarf des
betreffenden Bodens berechnen.
b) Methode nach Schachtschabel (im Praktikum angewendet!)
Empirisch ist eine Korrelation gefunden worden zwischen den nach dar Methode Jensen
ermittelten Kalkbedarfswerten und dem pH-Wert einer Suspension des Bodens mit l n CaAcetatlösung. Bei einer Bodensuspension mit Ca-Acetat läuft folgende Reaktion ab:
(Boden) 2H+ + Ca(CH3COO)2
(1)
Ca++ (Boden) + CH3COOH
Je höher die H+ -Konzentration des Bodens ist, umso mehr Protonen werden durch Ca++
ausgetauscht und im Acetat (schwache Säure) gebunden. Dadurch steigt der pH-Wert der
Suspension.
Der Unterschied zur Suspension des Bodens mit CaCl2
(2)
(Boden) 2H+ + CaCl2
Ca++ (Boden) + 2 HCl
liegt darin, dass bei der Reaktion (1) das Reaktionsgleichgewicht sehr viel stärker nach rechts
verschoben ist als bei Reaktion (2), da Acetat eine schwach dissoziierende Säure ist. Daher
kann Ca-Acetat mehr Protonen austauschen als CaCl2.
6.2.3
Durchführung der Methode nach Schachtschabel
10,00 g Boden werden in eine 100 ml PE-Weithalsflasche mit 25 ml 1 n Ca-Acetatlösung am
Vortag versetzt, gut umgeschüttelt und über Nacht stehengelassen. Nach erneutem
Umschütteln wird der pH-Wert der Suspension gemessen und aus diesem Ergebnis sowie
aus dem bereits bekannten pH- (CaCl2-) Wert anhand der folgenden Tabelle die notwendige
Kalkmenge ermittelt:
64
Tab. 9: Notwendige Kalkmenge für Oberböden (0 - 20 cm, nach Thun, Herrmann, Knickmann,
1955; zit. in Finck, 1979).
potent HWert
mval/
Acidi- 100g
tät(Ac
etatpH)
6,9
6,8
6,7
6,6
6,5
6,4
6,3
6,2
6,1
6,0
5,9
5,8
Kalkung mit dt/ha CaO* bei
pH-Ziel=7
0,7
1,4
2,0
2,7
3,5
4,3
5,4
6,5
8,3
11
14
23
6
12
17
23
29
36
45
55
70
90
120
190
pH-Ziel=6,5
pH des Bodens*
5,7-5,4
6,2 6,0 5,5 5,0 <5,0
2 4 4 4
5
5 6 8 9
9
6 9 11 12 13
9 12 15 17 18
11 15 19 21 23
14 18 23 26 28
17 23 29 32 35
21 28 35 40 43
26 35 45 51 55
34 45 58 65 70
45 60 77 87 94
71 95 122 137 149
pH-Ziel=6,0
pH des Bodens*
4,95,7 5,5 5,3 4,6 <4,6
1 2 2 3
4
3 4 5 7
8
4 6 7 10 11
5 8 9 13 14
7 10 12 16 18
8 12 15 20 23
10 15 19 25 28
13 18 22 31 35
16 23 29 40 44
21 30 37 51 57
27 39 49 67 74
44 63 78 107 120
pH-Ziel=5,5
pH des Bodens*
5,2
1
2
3
4
5
6
8
9
12
15
20
32
5,0
2
3
4
6
7
9
11
14
18
23
30
48
4,6
2
5
6
9
11
14
17
21
26
34
44
71
4,4
3
5
7
10
12
15
19
23
30
38
50
81
<4,1
3
6
9
12
15
18
23
28
35
45
59
95
pH-Ziel=5,0
pH des Bodens*
4,2 3,74,7 4,5 4,1 3,5 <3,5
1 1 2
2
3
2 2 4
5
6
2 3 5
7
8
3 5 7
9
11
4 6 9 12 14
5 7 11 15 17
6 9 13 19 21
7 11 16 23 26
9 15 21 29 33
12 18 27 37 43
15 24 35 49 56
25 38 57 78 90
CaO ist Maß für eine Kalkmenge (Die Düngermengen werden z.T. in neueren Tabellen geringfügig
erhöht angegeben.)
* in CaCl2
6.3 Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit
6.3.1 Grundlagen
Zur schnellen Bestimmung der Elektrolytkonzentration ("Salzgehalt") von Boden- und
Nährlösungen benutzt man die Tatsache, daß die Leitfähigkeit der Lösung für den
elektrischen Strom von ihrem Gehalt an Ionen abhängig ist. Da verschiedene lonenarten
unterschiedlich zur Leitfähigkeit beitragen, ist es nicht möglich, aus den Leitfähigkeiten
absolute Ionenkonzentrationen zu errechnen. Man vergleicht daher die Leitfähigkeit einer zu
untersuchenden Lösung mit derjenigen von Eichlösungen bestimmter KCl-Konzentration und
bestimmt so die Elektrolytkonzentration als KCl-Äquivalent.
6.3.2
Versuchsdurchführung
Bodenproben (25,00 g) werden mit 250 ml dest. Wasser 1 Std. in der Schüttelmaschine
geschüttelt und in der Suspension wird die elektrische Leitfähigkeit bestimmt. Gemessen wird
der Widerstand der Bodenlösung mit einem Elektrodenpaar aus Platin und einer Widerstands-Meßbrücke. Die erhaltenen spezifischen Leitfähigkeitswerte in S cm-1 (S = Siemens =
1 Ohm-1) werden mittels einer Kalibrierkurve (hergestellt durch Leitfähigkeitsmessung an KClLösungen bekannter Konzentration (mg 1000 ml-1)) in Elektrolyt-Konzentrationen umgeformt.
Dabei ist mg KCl 1000 ml-1 = mg KCl 100 g-1 Boden. Die Kalibrierreihe wird zur Verfügung
gestellt.
Nährstoffgehalt und -Verfügbarkeit
65
Versuch 7: Nährstoffgehalt und -Verfügbarkeit
7.1 Grundlagen
Zweck und Möglichkeiten der chemischen Boden-Analyse
Von einer chemischen Boden-Untersuchungsmethode auf pflanzenverfügbare Nährstoffe wird
einerseits verlangt, dass durch sie die kurz- sowie längerfristige Versorgung der Pflanzen
angezeigt wird, andererseits, dass sie schnell und einfach ausführbar ist. Zumeist wird eine
bestimmte Bodenmenge mit einem abgemessenen Volumen einer geeignet erscheinenden
Lösung einmal geschüttelt. Daraufhin werden die in Lösung gegangenen Nährstoffe
gemessen. Diese Menge stellt bei leicht löslichen Salzen den Gesamtgehalt des Bodens dar.
Bei schwer löslichen Salzen, austauschbar adsorbierten Ionen oder chemisch mit dem
Extraktionsmittel reagierenden Stoffen wird die gelöste Menge durch ein Lösungs-,
Austausch- oder Reaktionsgleichgewicht bestimmt, vorausgesetzt, der Zeitraum für den
Boden-Lösungs-Kontakt ist ausreichend. Bei zu kurzer Reaktionszeit kann ein Ungleichgewicht bestehen.
Faktoren, welche die Extrahierbarkeit beeinflussen
N: In nicht stark sauren und nicht anoxischen Böden wird aller mineralischer Stickstoff schnell
nitrifiziert. Das Reaktionsprodukt NO3- wird praktisch nicht adsorbiert und bildet keine
schwerlöslichen Verbindungen. Es liegt bei allen normalen Boden-Wassergehalten als
gelöstes Salz vor. Die Speicherfähigkeit des Bodens für Nitrat hängt somit wesentlich von der
Wasser-Speicherfähigkeit ab.
K: Das K -Ion unterliegt dem Ionenaustausch, wobei aber charakteristische Anomalitäten
auftreten, d.h. von aufgeweiteten Schichtsilikaten mit hoher Schichtladung (3-SchichtTonminerale) wird es in mehr oder weniger schwer austauschbarer Form "fixiert". Zerstörung
der Austauscher mit Säuren erhöht die Extrahierbarkeit.
Extrahierbarkeit und Pflanzenverfügbarkeit:
Die Beziehung zwischen der extrahierten Nährstoffmenge und der Pflanzenaufnahme hängt
davon ab, wie gut die Wirkung der Extraktionslösung mit dem Aufschlußvermögen der
Pflanzenwurzeln übereinstimmt. Doch selbst im Idealfall ist kein unmittelbarer Zusammenhang zu erwarten, da das chemische Verhalten des Nährstoffs nur einen Faktor von
vielen bei der Aneignung durch die Pflanzen darstellt. Es sind viele unterschiedliche
Extraktionsmethoden in der Nährstoffuntersuchung angewandt worden und teils noch in Gebrauch. Die Ergebnisse lassen sich nur vernünftig auswerten, wenn man die chemischen
Eigenschaften und die Bindungsform eines Nährstoffs im Boden sowie seine chemischen
Reaktionen mit der Extraktionslösung und die Einflüsse anderer Bodeneigenschaften
berücksichtigt.
66
7.2 Aufgabe
Es sollen 2 Böden (humoser Sand und lehmiger Sand) mit 3 Lösungen extrahiert und die
Ergebnisse interpretiert werden.
7.3 Durchführung
A. Extraktion
20,00 g Boden werden in eine 250 ml PE-Flasche eingewogen und 1 Spatelspitze Aktivkohle
zugegeben. Mit einem Messzylinder werden 200 ml Extraktionslösung zugegeben. Danach
werden die Proben liegend 20 min (120 U/min) auf der Schüttelmaschine geschüttelt.
Anschließend werden die Proben in 250 ml Erlenmeyerkolben filtriert. Dazu gibt man vorher in
die Faltenfilter (595 ½ S&S) einen gehäuften Löffel geglühten (10000 C) und gewaschenen
(dest. Wasser) Quarzsand (gS). Das Filtrat wird anschließend mit der entsprechenden
Extraktionslösung auf 250 ml aufgefüllt und homogenisiert. Von jeder Extraktionslösung ist
auch ein Blindwert zu bestimmen.
Lösungen:
I Dest. Wasser
II 0,05 m CaCl2
III 0,05 m H2S04
B. Bestimmung des mineralischen Stickstoffs
50 ml des Filtrats werden in 250 ml-Destillierkolben einpipettiert und eine Spatelspitze
Devardalegierung zugesetzt. Der Kolben wird an die Destillationsapparatur angesetzt und die
Vorlage von 25 ml 1 %ige H3B03 mit 10 Tropfen Tashiro-Indikator wird unter das
Gaseinleitungsrohr gestellt. Es ist darauf zu achten, dass das Gaseinleitungsrohr in die
Lösung eintaucht. Danach lässt man 25 ml 5 %ige NaOH aus dem Tropftrichter in die
Extraktionslösung laufen. Die Verbindung vom Wasserdampf zur Extraktionslösung wir jetzt
solange geöffnet, bis in der Vorlange ca. 80 ml Destillat vorhanden ist. Nach Beendigung der
Destillation ist zunächst die Vorlage, dann der Kolben mit der mit der Extraktionslösung zu
entfernen und schließlich die Verbindung zum Wasserdampf zu unterbrechen (Vorsicht,
Verbrühungsgefahr!).
Entsorgung: Die Extraktionslösungen aus dem Rundkolben (NaOH/Devardalegierung) sind
gesondert in einem Abfallkanister für Laugen zu sammeln. Bitte nicht in den Ausguss
gelangen lassen!
Die Destillate werden mit 0,02 n HCl bis zum Umschlag von grün nach violett titriert und die
verbrauchte HCl-Menge abgelesen.
Berechnung des N-Gehaltes:
mg N = verbrauchte HCl (ml) minus Blindwert * Normalität (HCl) * Atomgewicht N
C. Kalium-Bestimmung
Die Filtrate werden unmittelbar unter die Ansaugkapillare des Flammenphotometers gehalten
und die Anzeige abgelesen. Zuvor wird das Gerät mit zwei Standards aus der Standardreihe
(low/high) auf Funktionstüchtigkeit überprüft (0,5 und 20,00 mg K l-1).
Standardreihe: 0,5/1,0/2,0/4,0/6,0/10,0/15,0/20,0 mg K l-1
Wenn die Abweichung > 5% ist, ist eine neue Standardreihe aufzunehmen.
67
Umrechnung von mg l-1 auf mg 100 g-1 Boden:
mg ⋅ l -1 ⋅
Schüttellösung (ml) ⋅ 100g
mg
=
1000 ml ⋅ Einwaage (g)
100g Boden
(18)
7.4 Auswertung
Stellen Sie die Ergebnisse für beide Böden in geeigneter Weise tabellarisch zusammen;
Erklären Sie im Protokoll, warum von Extraktionsmittel zu Extraktionsmittel so
unterschiedliche relative Veränderungen der extrahierten Nährstoffe auftreten! Welchen
Einfluss hat die Art des Bodens darauf?
68
Austauschbare Kationen und Austauschkapazität
Versuch 8: Austauschbare Kationen und
Austauschkapazität
8.1 Grundlagen
Böden enthalten adsorptiv gebundene Kationen, von denen Ca, Mg, Na, Al und H
mengenmäßig bedeutsam sein können. Durch Kontakt der Festsubstanz eines Bodens mit
einem Elektrolyten, z.B. beim Perkolieren einer Salzlösung, können adsorbierte Ionen einer
Art durch solche einer anderen Art ausgetauscht werden. Sie können dann in der
Gleichgewichtslösung bzw. im Perkolat nachgewiesen und quantitativ bestimmt werden. Von
bodenkundlichem Interesse sind die Art und Menge sowie die Mengenverhältnisse der
austauschbar adsorbierten Kationen, da diese die chemischen und physikalischen
Bodeneigenschaften beeinflussen und häufig Aufschluß über die Bodenentwicklung geben.
Aus dem Austauschverhalten eines Bodens gegenüber bestimmten Kationen lassen
sich außerdem Rückschlüsse auf die Art und den Zustand der Austauscher ziehen.
Die wichtigsten Zusammenhänge sollen in zwei Versuchen erarbeitet werden.
8.2 Technik der Versuchsanstellung
Für diese Versuche werden Proben in Zentrifugenbechern eingewogen. Daraufhin wird der
Boden mit frischer Lösung einer Ionenart, die der Boden anfangs nicht enthält, versehen.
Nach kräftigem Schütteln mit der Hand und anschließendem Zentrifugieren wird der
Überstand in einem Meßkolben aufgefangen. Der Vorgang wird mehrfach wiederholt. Damit
kann praktisch vollständiger Austausch herbeigeführt werden. Die hierfür notwendige Menge
an Austauschlösung ist ein Erfahrungswert. Das in dem Meßkolben aufgefangene Eluat wird
bis zur Eichmarke aufgefüllt und umgeschüttelt. Die Bestimmung der einzelnen Kationenarten
geschieht nach Methoden der analytischen Chemie.
8.3 Durchführung
Es sollen die durch Ionenaustausch freisetzbaren Mengen an Ca, Mg, K, Na und Al sowie
deren Summen, die Kationen-Austauschkapazität, bestimmt werden. Eine 5,00 g Bodenprobe
wird im Zentrifugenbecher mit 25 ml 0,2 n BaCl2 als Austauschlösung von Hand
aufgeschüttelt und anschließend zentrifugiert. Der Überstand wird in einem 100 mlMesskolben aufgefangen. Dieser Vorgang wird 3 mal wiederholt. Der Messkolben wird
aufgefüllt und homogenisiert. Anschließend werden ca. 10 ml Extraktionslösung durch einen
0,45 µm Zellulose-Nitrat-Membranfilter in ein Autosampler-Probengefäß gedrückt.
Austauschbare Kationen und Austauschkapazität
69
8.4 Bestimmung von K, Na, Ca, Mg und Al
Die Bestimmung von K, Na, Ca und Mg erfolgt im Atom-Absorptionsspektrometer (AAS). Die
Standardreihe steht zur Verfügung.
8.4.1
Berechnung
Aus der Konzentration des Elements in der Lösung wird unter Berücksichtigung des
Perkolatvolumens und der Bodeneinwaage sein Gehalt in mval 100 g-1 Boden berechnet:
mg l −1 ⋅
ml Lösung ⋅100g
mg
;
=
1000 ml ⋅ Einw.(g) 100g Bd.
(19)
mg
mval
⋅ Wertigkeit =
Atomgewicht
100g Bd.
8.4.2
Bestimmung von Al
50 ml der Extraktionslösung werden mit einer Vollpipette in einen 250 ml Erlenmeyerkolben
pipettiert und mit 0,02 N NaOH gegen Phenolphtalein als Indikator bis zum Farbumschlag
nach Rosa titriert.
8.4.3
Berechnung
Bei der Titration entspricht die verbrauchte Laugenmenge einer äquivalenten Menge Al.
Multiplikation der Milliliter NaOH mit 0,02 (Normalität) ergibt mval 50 ml-1 Perkolat, weitere
Multiplikation mit 2 (Aliquot) und 20 (Probengewicht) mval 100 g-1 Boden.
Angabe: K, Na, Ca, Mg und Al in mval 100 g-1.
8.4.4
Auswertung:
Die Summe aus K, Na, Ca, Mg und Al entspricht der Austauschkapazität in mval 100 g-1
Boden. Stellen Sie die Ergebnisse in geeigneter Form (tabellarisch) zusammen.
Entsorgung: Die Bariumlösungen sind in einer gesonderten Bariumabfallflasche zu sammeln.
Sie dürfen nicht in den Ausguss gelangen!

Skript zum Praktikum Bodenkunde I, SS2003

Transcrição

Documentos relacionados

SERVICE-ANALYSEN

D19_3_EN_ Probenahme

Sportböden nach DIN V 18032

vom 20.02. – 27.02.2016

Vorteile der Hortensie Endless Summer® gegenüber

Hochwärmeleitende Karbonfolien Serie KU-CB2000

Arbeitsanleitung für die Schnecke

gewichtgruener stammstuecke

Für die Industriereinigung und Entfettung

Alufolie / Vlies

Boden!