Physikalische Prozesse im Boden · Nachrichten · Klim

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Neben chemischen und biologischen Abläufen beeinflussen physikalische Prozesse im Boden dessen Eigenschaften und Nutzungspotenzial immens. In diesem Artikel wird genauer auf die grundlegenden physikalischen Abläufe eingegangen und ein grober Überblick gegeben.

Was ist Bodenphysik?

Der Boden als Naturkörper ist durch viele physikalische Eigenschaften bestimmt. Die Bodenphysik beschäftigt sich mit der Art und Zusammensetzung von Böden und dem darin enthaltenen Bodenwasser sowie der Bodenluft. Hier werden zusätzlich die Transportprozesse im Boden (z.B. durch den Wasserkreislauf und Pflanzenbedeckung) untersucht.

Zu den wichtigsten Eigenschaften bzw. Prozessen gehören:

• Körnung und Lagerung

• Wechselwirkung zwischen fester und flüssiger Phase

• Bodengefüge

• Bodenwasser

• Bodenluft

• Bodentemperatur

• Transportvorgänge und Verlagerungen

• Bodenfarbe

Diese Eigenschaften und Prozesse im Boden werden im folgenden Abschnitt genauer erklärt.

Wichtige physikalische Eigenschaften und Prozesse des Bodens

Bei der Beschreibung eines Bodens sind Farbe und Körnung besonders auffällig. Der Boden besteht aus kleinteiligen anorganischen (z.B. Gesteinsbruchstücke) und organischen Komponenten (z.B. zersetzte Pflanzenteile). Die Körnung und Lagerung werden durch Verteilung und Größe dieser Komponenten bestimmt. Die dadurch entstehenden Poren bestimmen die Möglichkeit zur Wasser- und Luftspeicherung sowie die potenzielle Durchwurzelung und den Lebensraum für Bodentiere. Zum Grobboden gehören Komponenten über 2 mm (z.B. Kies). Kleinere Partikel gehören zum Feinboden und werden in Sand, Schluff und Ton eingeteilt. Eine Mischung aus den drei Komponenten ist der Lehm. Je nach Anteil der jeweiligen Größen ergeben sich unterschiedliche Bodenarten mit verschiedenen Eigenschaften. Eher sandige Böden haben tendenziell ein geringes Nährstoff- und Wasserspeichervermögen. Tonige Böden können Wasser und Nährstoffe sehr gut halten, wodurch jedoch die Pflanzenverfügbarkeit sinkt. Diese Böden neigen zu Staunässe, langsamer Erwärmung und schlechter Durchlüftung. Eine Übersicht über die Einteilung ist in der Abbildung zu sehen.

Abbildung 1: Bodenarten des Feinbodens: S = Sand, s = sandig, U = Schluff, u = schluffig, T = Ton, t = tonig, L = Lehm, l = Lehmig, 2 = schwach, 3 = mittel, 4 = stark (Quelle: Anmelung et al. 2018, S. 238)

Über die Bodenfarbe können Aussagen über die Bestandteile und den Zustand des Bodens getroffen werden. Sie ist somit ein wichtiger Teil der bodenkundlichen Feldaufnahme (z.B. bei der Beschreibung der Bodenhorizonte). Die Farbe wird über Farbton, -intensität und Dunkelstufe eingeteilt. Schwarze, graue und braune Farbtöne werden im Oberboden überwiegend durch Huminstoffe bestimmt. Bodenfeuchte, Körnung und Humusanteil spielen ebenfalls eine Rolle. Gelbe, braune, rote, blaue und grüne Farbtöne geben beispielsweise einen Hinweis auf vorliegende Eisenminerale (Fe) im Boden.

Im Boden entstehen Anziehungskräfte zwischen festen und flüssigen Bestandteilen. So wird Bodenflüssigkeit durch Anziehungskraft an feste Partikel gebunden und es ergeben sich Wechselwirkungen zwischen fester und flüssiger Phase. Eine Wasserzufuhr führt zu einer Quellung im Boden. Bei einer Austrocknung des Bodens kommt es zu einer Schrumpfung. Auf diese Weise ändert sich das Volumen eines Bodens.

Durch sich wiederholende Quellungs- und Schrumpfungsprozesse sowie chemische Vorgänge im Boden entsteht das Bodengefüge. Die vorliegende Bodenstruktur entwickelt sich aus festen organischen und mineralischen Bestandteilen in Abhängigkeit von Körnung und Art der Tonminerale. Ein weiterer Bestandteil sind die Poren. Das Gefüge beeinflusst die Wasserfiltration, Speicherung, Grundwasserneubildung, Durchwurzelbarkeit, Filterfunktionen, Pufferung und chemische Abläufe (z.B. Redoxreaktionen) sowie den Bodenwasser- und Bodenlufthaushalt (Feldkapazität und Infiltration) im Boden. Durch äußere Eingriffe (z.B. Pflügen, Melioration, Bodenverdichtung) wird das Gefüge und damit seine Eigenschaften oft stark verändert.

Das Bodenwasser wird durch Grundwasser, Kondensation und Niederschläge aufgefüllt. Kann der Boden kein weiteres Wasser mehr aufnehmen, entsteht ein Oberflächenabfluss. Sind die Niederschläge sehr stark, verstärkt sich der Oberflächenabfluss. Bei starker Verdichtung und geringer Körnung (Ton und Schluff) ist die Wasseraufnahmefähigkeit stärker begrenzt.

Bodenporen die nicht mit Wasser gefüllt sind, enthalten Bodenluft. Durch die höhere Dichte von Wasser, verlagert sich dieses oft in tiefere und kleinere Poren, sodass der Bodenluftanteil mit Nähe zur Oberfläche und zunehmender Porengröße steigt. Somit ist der Luftanteil bei grober Körnung (Sand) höher als bei kleiner Körnung (Schluff und Ton).

Die Bodentemperatur wird vornehmlich von der Sonneneinstrahlung und dem Erdkörper beeinflusst. Die Bodentemperatur ist vor allem für die Keimung von Pflanzensamen interessant und beeinflusst die Geschwindigkeit chemischer und biologischer Prozesse im Boden.

Durch Massenflüsse an der Bodenoberfläche entstehen Transportvorgänge und Verlagerungen in Form von Abtragung (Erosion) und Ansammlung (Akkumulation). Der Transport geschieht überwiegend über Wasser und Luft. Bei ganzjähriger Vegetationsbedeckung wird die Nährstoffauswaschung verringert, da die Pflanzen durchgehend Nährstoffe aufnehmen können. Durch Brachen und künstlicher Düngung wird die Auswaschung verstärkt.

Fazit

Die bodenphysikalischen Elemente bilden den Rahmen für biologische und chemische Prozesse und werden durch diese zusätzlich verändert. Durch die Bewirtschaftung und Nutzung des Bodens sind oben genannte Eigenschaften oftmals überprägt. Voraussetzungen für einen fruchtbaren Boden sind zu einem Teil dem natürlichen Umständen geschuldet (Klima, Ausgangsgestein etc.), werden aber zusätzlich von der Nutzung durch den Menschen beeinflusst. Durch regenerative Bearbeitung wird versucht, die natürlichen und positiven Eigenschaften des Bodens zu erhalten oder wiederherzustellen.