Bodenacidität
Die Bodenacidität (von lateinisch acidus = sauer) bezeichnet den Säuregehalt bzw. die Protonenkonzentration (H+-oder Wasserstoff-Ionen-Konzentration) einer Bodenlösung, angegeben durch den pH-Wert (pH = potentia hydrogenii). Dieser ist definiert als negativer dekadischer Logarithmus oder Zehnerlogarithmus der Wasserstoffionenaktivität (pH = -log10a(H+), die in der Bodenlösung praktisch der Wasserstoff-Ionen-Konzentration entspricht. Dies bedeutet, dass sich die Konzentration der H+-Ionen von pH-Wert zu pH-Wert verzehnfacht. Bei pH 7 spricht man von einer neutralen Reaktion. Über pH 7 von einer basischen oder alkalischen, unter pH 7 von einer sauren Reaktion. Da sich ein H+-Ion mit einem H2O-Molekül in der Bodenlösung zu einem H3O+-Ion verbindet (Oxonium- oder Hydroxonium-Ion) und mit vier H2O-Molekülen zum Hydronium-Ion hydratisiert (H(H2O)4+), ist die Bezeichnung H+ zwar nicht korrekt, aber der Vereinfachung halber allgemein üblich.
Beispiele für pH-Werte von Böden:
< 3,0 (Potentiell)Sulfatsaure Marschböden (z. B. Organomarsch)
3,0 – 4,0 Hochmoore, Podsole, oligotrophe Braunerden, Lockerbraunerden
4,0 – 5,0 Podsole, oligotrophe Braunerden, Lockerbraunerden
5,0 – 6,0 Parabraunerden
6,0 – 6,5 mesotrophe Braunerden
6,5 – 7,0 Schwarzerden
7,0 – 7,5 kalkreiche Niedermoore
8,0 – 9,0 Alkaliböden (z. B. Solonetz, Solonchak)
In humosen Oberböden feuchter Klimate (humides Klima) ist die Produktion von H+-Ionen und der Verlust an basischen Kationen durch Auswaschung am stärksten. Daher ist meist, sieht man von aufgekalkten Böden einmal ab, eine deutliche Zunahme des pH-Wertes von oben nach unten im Boden festzustellen.
Ursachen der Bodenacidität
Böden versauern aus verschiedenen Gründen von Natur aus. So etwa bereits durch die Eigenschaften des Ausgangsgesteins der Bodenentwicklung. Böden aus Kalksteinen oder deren Verwitterungsprodukten versauern weniger schnell als Böden aus Verwitterungsprodukten von Granit oder aus Quarzsand. Die Atmung von Wurzeln und Bodenorganismen sowie die Oxidation von Biomasse bedingen gemeinsam mit zusätzlichen (relativ geringen) CO2–Einträgen aus der Atmosphäre recht hohe CO2-Konzentrationen im Boden, so dass im pH-Bereich zwischen 5.0 und 7.0 bei Reaktion mit dem Bodenwasser Kohlensäure (H2CO3) entsteht, bei deren Dissoziation (H+ + HCO3–) pH-Wert senkende Protonen (H+) freigesetzt werden, die in der Bodenlösung als H3O+-Ionen (Oxonium-Ion) vorliegen. Unterhalb von pH 5,0 wirkt Kohlensäure hingegen nicht mehr versauernd, da sie dann nicht mehr dissoziiert. Protonenlieferanten (Donatoren) sind dann organische Säuren (z. B. Fulvosäuren, Huminsäuren). Auch die Oxidation von Fe- und Mn-Verbindungen setzt von Natur aus Protonen frei.
Der Mensch leistet auch einen gewissen Beitrag zur Bodenversauerung und das schon seit Jahrhunderten. Im Verlauf der historischen Waldnutzung in Europa erfolgte ein sehr intensiver Biomasseexport durch Kahlschläge, Niederwaldbewirtschaftung (Köhlerei) und Streunutzung, wodurch die Bodenversauerung durch Basenentzug mit einhergehender Nährstoffverarmung beschleunigt wurde. Hinzu kommen in bestimmten Regionen lokale Standortfaktoren, die einer Versauerung Vorschub leisten (u. a. hohe Niederschläge, niedrige Jahresmitteltemperaturen, basenarmes Gesteinsmaterial). Auch der Eintrag von Ammonium (Gülledüngung) sorgt für eine Versauerung des Bodens, da bei dessen mikrobieller Oxidation zu Nitrat ebenfalls Protonen freigesetzt werden. Nach Hintermaier-Erhard & Zech (1997) wurden Waldböden von 1977-1997 durch den Eintrag anorganischer Säuren aus Industrie und Verkehr (z. B. H2SO4) in Form des „sauren Regens“ um etwa 0.5-1.0 pH-Einheiten saurer.
Pufferung im Boden
Pufferung bedeutet, dass der Boden seinen pH-Wert auch bei Zufuhr von H+-Ionen über einen längeren Zeitraum relativ konstant halten kann. Die Pufferung beruht auf unterschiedlichen Prozessen, wobei organische und anorganische Verbindungen als Puffer (meist als feste Puffersubstanzen) H+-Ionen aufnehmen und in eine nicht dissoziierte Form überführen können, wodurch sie den sauren Eintrag mindern (puffern). Die Pufferwirkung der verschiedenen Puffersubstanzen (Carbonate, Tonminerale, Huminstoffe, primäre Silikate, Oxide) wirkt in unterschiedlichen pH-Wert-Bereichen. Es werden für Böden fünf Pufferbereiche unterschieden:
Carbonat-Pufferbereich: pH-Werte 8,6-6,2
Hier wird Calciumcarbonat (Kalk bzw. Kalzit) in lösliches Calciumhydrogencarbonat oder Calciumbicarbonat [Ca(HCO3)2] umgewandelt. Dieser Vorgang geht so lange von statten, bis sämtliches Calciumcarbonat gelöst ist (= Entkalkung).
Silikat-Pufferbereich: pH-Werte 6,2-5,0
Verwitterung primärer Silikate wie Glimmer, Feldspat oder Quarz sowie von sekundären Schichtsilikaten (Tonminerale). Freisetzung von randlichen Kationen und Protonisierung der Silicate.
Austauscher-Pufferbereich: pH-Werte 5,0-4,2
Erdalkali- und Alkali-Ionen (z. B. Ca+, Na+) an Tonmineralen, Huminstoffen oder Oxiden werden in Abhängigkeit von der Kationenaustauschkapazität (KAK) durch H+-Ionen ausgetauscht, wodurch der Boden reversibel angelagerte Nährstoff-Ionen verliert. Beginnende Podsolierung möglich.
Aluminium-Pufferbereich: pH-Werte 4,2-3,0
Weitere Kationenauswaschung und Abnahme der Basensättigung bis vollständiger Verlust und verstärkte Freisetzung von in Tonmineralen gebundenen Aluminium-Ionen. Zum Teil für Pflanzen toxische Aluminium-Konzentrationen in der Bodenlösung.
Eisen-Pufferbereich: pH-Werte < 3,0
Auflösung von Fe- und Al-Oxiden (bzw. -Hydroxiden) durch Protonisierung der OH-Gruppen.
Messung des pH-Wertes
Die pH-Messung erfolgt aufgrund besserer Reproduzierbarkeit in verdünnter Elektrolytsuspension (z. B. in 0,01 M CaCl2-Lösung gemäß DIN 19 684 Teil 1, 1977) durch elektrometrische Messung (Glaselektrode am Digitalmultimeter). Dabei werden 10 g lufttrockener Boden (< 2,0 mm) mit 25 ml H2O(dest.) und je 25 ml der Salzlösungen in Suspension gebracht. Die erhaltenen Werte liegen wegen des Austausches von Ca-Ionen gegen adsorbierte H+-Ionen im Mittel etwa um 0,6 pH unter den Werten in einer wässrigen Suspension.
Literatur:
HINTERMAIER-ERHARD, G., & ZECH, W. (1997): Wörterbuch der Bodenkunde.- 273 Abb., 43 Tab., 8 Farbtaf.; Stuttgart (Enke).
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