Boden

1

Einleitung

Boden, im Sinne der Bodenkunde die an der Erdoberfläche oder auch am Grund von Gewässern entstandene, zum Teil mit Luft und Wasser gefüllte und von Lebewesen besiedelte Schicht der obersten Erdkruste.

Diese Schicht entsteht durch die Prozesse der Verwitterung, Ablagerung, Verlagerung und Umwandlung und besteht immer aus toter anorganischer und organischer Substanz, aber auch aus lebenden Organismen. Ein gerade abgelagerter, noch nicht von Lebewesen besiedelter Flugsand ist z. B. demnach kein Boden, sondern ein Sediment. Eine der zahlreichen Definitionen des Begriffes „Boden” nennt als Kriterium, dass ein Boden geeignet sein muss, höheren Pflanzen als Standort zu dienen; eine an der Oberfläche leicht angewitterte, mit Algen und Flechten bewachsene Felswand gilt deshalb ebenfalls nicht als Boden.

Die Besiedlung mit Lebewesen kennzeichnet die Böden als Teile der Biosphäre. In ihnen durchdringen sich die Lithosphäre, die Atmosphäre, die Hydrosphäre und die durch Tätigkeiten des Menschen stark beeinflusste Anthroposphäre. Der gesamte Durchdringungsbereich wird als Pedosphäre (griechisch pedon: Boden) bezeichnet. Im Vergleich mit den anderen Sphären ist die äußere Bodenhülle der Erde extrem dünn, im Allgemeinen misst sie wenige Dezimeter bis Meter, sehr tiefgründig verwitterte Böden sind ausnahmsweise auch einige zehn Meter dick. Bei solch tiefgründigen Böden, die vor allem in den feuchten Tropen verbreitet vorkommen, ist allerdings im Bodenprofil nicht immer eine eindeutige Grenze zwischen dem belebten Boden und dem lediglich physikalisch und chemisch verwitterten Gestein zu ziehen.

Der Boden gliedert sich in der Regel in verschiedene Horizonte. Darunter versteht man mehr oder minder parallel zur Erdoberfläche verlaufende Teilbereiche der Bodendecke. Sie werden in der Bodenkunde mit Buchstaben gekennzeichnet, z. B. als A-Horizont (der mineralische Oberboden), als B-Horizont (der mineralische Unterboden) oder als C-Horizont (das Gestein, das unter dem Boden liegt und aus dem er sich in der Regel entwickelt hat und das den untersten der Bodenhorizonte bildet). Über diese drei am häufigsten vorkommenden Horizonte hinaus unterscheidet man noch eine Reihe anderer Horizonttypen, etwa den G-Horizont, der durch Grundwasser beeinflusst ist. Eine genauere Charakterisierung der Bodenhorizonte erfolgt durch Kleinbuchstaben, die in Art einer Formel den Großbuchstaben hinzugefügt werden, beispielsweise steht das Symbol „Ah” für einen humushaltigen Oberbodenhorizont oder „Cv” für das verwitterte Gestein. Mitunter fasst man die A- und B-Horizonte zum Solum (lateinisch solum: Boden) zusammen. Bodenkrume ist eine andere Bezeichnung für den humushaltigen Oberboden.

2

Bodenbestandteile und Bodenkörper

Jeder Boden besteht aus festen, flüssigen und gasförmigen Bestandteilen. Den größten Anteil nehmen dabei – außer in Mooren – die festen mineralischen Partikel unterschiedlicher Korngröße ein. Auf der Korngrößenverteilung (Textur), die fast alle physikalischen und chemischen Bodeneigenschaften von der Bearbeitbarkeit über die Wasserspeicherung bis zur Erosionsanfälligkeit bestimmt, beruht die Unterscheidung der Bodenarten. Nur selten einmal setzt sich ein Boden aus einer einzigen Korngrößenklasse des Feinbodens (Sand, Schluff, Ton) zusammen; in der Regel liegen Gemische vor, wie die verschiedenen Unterarten des Lehms. Hinzu kommen vielfach gröbere Bestandteile (Steine, Kies, Gerölle), die Bodenskelett genannt werden. Die chemische Zusammensetzung der mineralischen Bodenbestandteile hängt zum einen vom Mineralbestand des Ausgangsgesteins, zum andern von den Vorgängen der Bodenbildung ab. Zu den typischen pedogenen (im Boden entstandenen) Verwitterungsneubildungen zählen vor allem Oxide und die zu den Silicaten gehörenden Tonminerale, von denen einige die Fähigkeit besitzen, Wasser und Nährstoffe anzulagern und ähnlich wie Ionenaustauscher wieder freizusetzen.

Ein Boden im engeren Sinne enthält stets lebende und tote organische Substanz. Diese Stoffe beeinflussen die Ertragsfähigkeit oder Fruchtbarkeit eines Bodens noch stärker als die Tonminerale, etwa um den Faktor 3 bis 5. Im Mittel besteht die organische Substanz eines Mineralbodens zu etwa 85 Prozent aus toter organischer Substanz (Humus), zu zehn Prozent aus Pflanzenwurzeln und zu fünf Prozent aus dem Edaphon, dem Pflanzen- und Tierleben des Bodens (griechisch edaphos: Boden). Die Bodenorganismen haben zwar nur einen vergleichsweise geringen Anteil an der Masse der gesamten organischen Substanz, kommen dafür jedoch unter einem Quadratmeter Bodenoberfläche bis in 30 Zentimeter Tiefe häufig in Millionen- bis Milliardenzahlen vor. Ihre bedeutendsten Leistungen innerhalb des Ökosystems Boden sind die Zersetzung und Umwandlung der abgestorbenen organischen Substanz, die ständige Durchmischung (Bioturbation) und Lockerung des Bodens sowie die Lebendverbauung, die ein wichtiges Merkmal der so genannten Bodengare ist. In Böden mit hoher biologischer Aktivität liegen die mineralischen Bodenbestandteile nicht als einzelne Partikel vor, sondern werden durch schleimförmige Bakterienkolonien, Pilz- und Algenfäden und feine Wurzelhaare zu abgerundeten Krümeln verklebt und verbunden. Das hohlraumreiche, stabile Krümelgefüge, zu dem auch die Regenwürmer entscheidend beitragen, hat im Unterschied zu den hauptsächlich durch physikalische Vorgänge (Frost, Austrocknung) und die Bodenbearbeitung geschaffenen Gefügeformen einen sehr günstigen Einfluss auf den Bodenwasser- und -lufthaushalt sowie das gesamte Bodenklima.

Wasser kommt in Böden im flüssigen, gasförmigen (Wasserdampf) und in Klimazonen mit Frost zeitweise oder dauernd (Dauerfrostboden) im festen Zustand (Bodeneis) vor. Anders als beim Grundwasser werden die Bewegungen des Bodenwassers nicht nur von der Schwerkraft und der Reibung bestimmt. Neben dem Sickerwasser und dem Stauwasser enthält der Boden auch Haftwasser, das an den festen Bodenpartikeln haftet, und Kapillarwasser, das durch Kapillarkräfte entgegen der Schwerkraft aufsteigt. Ein Maßstab für die Wassermengen, die Boden entgegen der Schwerkraft speichern kann, ist die Feld(wasser)kapazität. Sie weist grundsätzlich bei sandigen Böden geringere Werte auf als bei tonigen, deren mittlerer Wassergehalt 40 bis 50 Volumenprozente erreichen kann. Davon ist allerdings nur ein geringer Teil für die Pflanzen verfügbar, weil das Wasser in feinkörnigen Bodenarten zu fest an den Bodenpartikeln haftet und in den winzigen Poren des Bodens gebunden wird.

Die nicht von Wasser eingenommenen Poren sind mit Luft gefüllt. Allgemein gilt, dass die Luftkapazität im Gegensatz zur Wasserkapazität mit abnehmender Korngröße niedriger wird. Die Luftkapazität von Sandböden liegt in der Regel über 30 Prozent, von Tonböden hingegen meist unter 15 Prozent. In feinkörnigen Böden kann es daher zu Sauerstoffmangel und Pflanzenschäden kommen. Ohne den ständigen Austausch mit der Atmosphäre, die Bodenatmung, würde in der Zeit starken Pflanzenwachstums der Sauerstoff der Bodenluft innerhalb von etwa 20 Tagen verbraucht sein. Im langfristigen Durchschnitt weicht jedoch der Sauerstoffgehalt der Bodenluft kaum von dem der Luft der Atmosphäre ab. Der Wasserdampfgehalt und die Konzentration von Kohlendioxid sind dagegen deutlich höher.

3

Bodenanalyse und Bodeneigenschaften

Zur Untersuchung der Böden werden zahlreiche Methoden aus den Bereichen der Physik, Chemie und Biologie angewendet. Der genauen Analyse der Bodenproben im Labor geht meist eine bodenkundliche Untersuchung des Bodens im Gelände mittels einfacher Verfahren voraus. Zur Feldansprache der Bodenart dient z. B. die Fingerprobe. Dabei wird eine durchfeuchtete Bodenprobe mit den Fingerspitzen geknetet und gerieben und auf die Merkmale Formbarkeit, Bindigkeit und Glanz untersucht. Die Bodenfarbe, ebenfalls ein wichtiger Indikator für wichtige Bodeneigenschaften, bestimmt man visuell, in der Regel durch den Vergleich mit den Farbtönen genormter Farbtafeln.

Zur Analyse weiterer physikalisch-chemischer Bodeneigenschaften, etwa der Kationen-Austauschkapazität, der Bodenreaktion, der Pufferung und des Redox-Potentials, sind aufwendigere Methoden erforderlich. Unter Kationen-Austauschkapazität versteht man die Fähigkeit eines Bodens, an elektrisch negativen Ladungsplätzen von Austauschern Kationen austauschbar zu binden. Die Austauschkapazität hängt entscheidend von der Größe der Gesamtoberfläche der Austauscher ab, die von Ionen besetzt werden kann. Besonders die Tonminerale und die Huminstoffe zeichnen sich durch eine enorm große äußere und innere Oberfläche aus; sie beträgt bis zu 800 Quadratmeter je Gramm Substanz. Unter Bodenreaktion ist der Säuregrad eines Bodens (sauer, neutral, alkalisch) zu verstehen. Er wird durch den pH-Wert der Bodenlösung wiedergegeben. Die Bodenreaktion hat Auswirkungen auf nahezu alle Prozesse, die im Boden ablaufen (u. a. chemische Verwitterung, Neubildung von Mineralen, Humifizierung), und entscheidet darüber hinaus, ob sich ein Boden als Standort für bestimmte Nutzpflanzen eignet (siehe Bodenversauerung). Das Puffervermögen eines Bodens bezeichnet seine Fähigkeit, plötzliche und starke Änderungen der Bodenreaktion aufzufangen, d. h., den pH-Wert weitgehend konstant zu halten. Viele Pflanzen reagieren empfindlich auf solche Änderungen. Die wichtigste Rolle im Puffersystem des Bodens spielen wiederum die anorganischen und organischen Austauscher sowie die Basen.

Das Redox-Potential bezeichnet das Verhältnis von Oxidation zu Reduktion und umfasst die Oxidations- und Reduktionsvorgänge im Boden (siehe Redoxsysteme). Die Redoxeigenschaften beeinflussen u. a. den Abbau der organischen Substanz und die Verfügbarkeit der Pflanzennährstoffe.

4

Bodenbildung und Bodenentwicklung

In der Pedosphäre durchdringen und überlagern sich alle Sphären der Erde. Die Bodenbildung (und -zerstörung) wird daher von den verschiedensten Faktoren beeinflusst: Ausgangsgestein, Relief, Klima, Wasser, Pflanzen, Tiere und Menschen. Sie wirken stets zusammen, müssen aber nicht immer die gleiche Bedeutung haben. In einer Region mit kalt-trockenem Klima überwiegt z. B. die physikalische Verwitterung, was die Gesteinsunterschiede stärker hervortreten lässt, während umgekehrt ein warm-feuchtes Klima durch intensive chemische Umwandlung den Einfluss des Ausgangsgesteins und seines primären Mineralbestands eher zurückdrängt.

Die Vorgänge der Bodenbildung umfassen drei große Gruppen: Abbauprozesse, Aufbauprozesse und Verlagerungsprozesse. Zu den Abbauprozessen des Ausgangsgesteins und der mineralischen Bodenbestandteile gehören die unterschiedlichen Verwitterungsvorgänge. Sie müssen nicht zwangsläufig zu Böden im engeren Sinne führen, sondern können lediglich auch ein verwittertes Gestein hinterlassen. Der Abbau der organischen Bodenbestandteile endet ebenfalls nicht immer mit der vollständigen Zersetzung (Mineralisierung) der organischen Stoffe in Kohlendioxid, Wasser und Mineralstoffe. Meist bleiben organische Zwischen- und Endprodukte zurück.

Gleichzeitig mit oder nach dem Abbau werden im Boden Stoffe gebildet, die vorher nicht vorhanden waren, etwa bei der Neubildung von Tonmineralen und Oxiden oder bei der Humifizierung (siehe Humus). Zu den Aufbauprozessen gehören darüber hinaus Vorgänge, die ein regellos angeordnetes Gemisch einzelner Bodenpartikel in Aggregate, in einen Boden mit Aufbaugefüge, verwandeln.

Die Verlagerung kann sowohl einzelne Bodenbestandteile als auch die Bodenhorizonte oder sogar den Boden als Ganzes betreffen, wie bei der Solifluktion, dem Bodenfließen. Bodenwühlende Lebewesen durchmischen das Bodenmaterial (Bioturbation), ebenso der Frost (Kryoturbation) oder der Landwirt beim Pflügen (Kultoturbation). Zu den häufigsten Verlagerungsvorgängen, die neue charakteristische Bodenhorizonte schaffen, zählen die Verlagerung der Stoffe in gelöster Form, die Lösungswanderung in vertikaler und/oder horizontaler Richtung sowie die mechanische Verschlämmung toniger und teilweise auch humoser Substanzen mit dem Sickerwasser aus dem Oberboden in den Unterboden.

Meist wirken mehrere Prozesse gleichzeitig bei der Bildung des Bodens zusammen. Jeder Phase der Bodenbildung entspricht eine bestimmte Kombination von Prozessen. Diese Bündel von Bodenbildungsvorgängen werden häufig unter einem Namen zusammengefasst, etwa als Bodenversalzung (siehe Bodenverschlechterung) oder Vergleyung, die über die Phasen Lösung, Fortführung und Ausfällung der gelösten Stoffe unter dem Einfluss des Grundwassers zu einem Gley (Grundwasserboden) führt.

Alle Vorgänge der Bodenbildung sind zeitabhängig. Ähnlich wie bei der Sukzession der Pflanzengemeinschaften schreitet die Entwicklung von Pionierstadien bis zum Klimaxstadium fort. Ein Beispiel ist die Entwicklung der Böden auf den Dünen an der Nordseeküste, wo – nach der Bodenfärbung benannt – die Weißdünen als jüngste Stadien, die Graudünen als mittlere und die Braundünen mit sehr langer Bodenentwicklung (Jahrhunderte bis Jahrtausende) unterschieden werden. Allgemein dauert die Bodenbildung sehr lange; es können 200 bis 300 Jahre vergehen, bis sich ein neuer Zentimeter Boden gebildet hat.

Der Begriff „Klimax” beinhaltet die Vorstellung, dass das Endstadium den heutigen Klimaverhältnissen entspricht. Es kommt jedoch häufig vor, dass die Böden in einem bestimmten Gebiet unter einem anderen als dem heutigen Klima gebildet wurden, z. B. die im Vogelsberg noch weit verbreiteten Laterite unter einem feucht-tropischen oder -subtropischen Klima. In diesem Fall spricht man von Paläoböden (griechisch palaios: alt). Derartige mitunter mehrere Millionen Jahre alte Böden liegen zum Teil als reliktische Böden an der heutigen Erdoberfläche, viele sind aber auch fossil, d. h. unter jüngeren Sedimenten begraben. Sie liefern wertvolle Hinweise zur Klima- und Landschaftsgeschichte.