Physik in Böden

Wie speichern und leiten Böden Flüssigkeiten, Gase und Wärme? Das steuern vor allem die physikalischen Merkmale von Böden. Wichtige Merkmale sind die Poren, Korngrößen, Bodenarten und das Gefüge.

Bodenphysik in der Praxis

Die physikalischen Merkmale von Böden geben in der Praxis Antworten auf vielfältige Fragen:

  • Wie schnell führt das Befahren von Böden zu deren Verdichtung?
  • Eignen sich Böden für den Anbau von bestimmten Pflanzen?
  • Wie anfällig sind Böden für die Erosion durch Wasser und Wind?
  • Sind Böden für ein Bauvorhaben standfest genug?
  • Welchen Beitrag leisten Böden als Ausgleichskörper im Wasserkreislauf durch die Infiltrationsrate?

Poren

Böden sind von Poren durchzogen, die Flüssigkeiten und Gase transportieren. Meistens sind die Poren mit Sickerwasser, Bodenlösung oder Luft gefüllt. Welches Porensystem sich entwickelt, hängt stark von der Bodenmatrix ab.

Bodenmatrix. Wasser. Luft.

Bodenmatrix nennen Bodenkundlerinnen und Bodenkundler die festen Bestandteile der mineralischen und organischen Bodensubstanz.

Deren Zusammensetzung bestimmt, wie viel Wasser und Luft der Boden potenziell aufnehmen könnte. Wie viel der Boden aktuell aufgenommen hat, hängt von Vegetation, Witterung und hydrologischen Verhältnissen an einem Standort ab.

Wo und wie bewegt sich Wasser?

Wasser ist an fast allen Prozessen der Bodenbildung beteiligt. Darum untersuchen Bodenkundlerinnen und Bodenkundler, wo und wie sich Wasser in Böden bewegt. Zum Beispiel ist Wasser in den weiten und engen Grobporen (≥ 0,01 Millimeter) frei beweglich. In den weiten versickert Wasser besonders schnell. Dagegen bleibt Wasser in den engen Grobporen länger für Pflanzen verfügbar.

Die Bindung zwischen Wasser und Bodenmatrix nimmt von den Mittelporen (≥ 0,0002 bis < 0,01 Millimeter) bis zu den Feinporen (< 0,0002 Millimeter) stark zu. In den Feinporen ist das Wasser nicht mehr für Pflanzen verfügbar (Totwasser).

Wasser- und Lufthaushalt von Böden

Bodenkundlerinnen und Bodenkundler beschreiben den Wasser- und Lufthaushalt von Böden meistens mit drei Kennwerten:

  • Die Luftkapazität (LK) ist ein Maß für die Versorgung der Pflanzenwurzeln mit Sauerstoff und gibt den Luftgehalt eines Bodens bei Feldkapazität an.
    LK = weite Grobporen
  • Als Feldkapazität (FK) wird die gesamte Wassermenge bezeichnet, die ein Boden maximal gegen die Schwerkraft halten kann.
    FK = enge Grobporen + Mittelporen + Feinporen
  • Nur das Wasser der Nutzbaren Feldkapazität (nFK) ist bei Feldkapazität für Pflanzen verfügbar. In den Feinporen ist das Wasser nicht mehr für Pflanzen verfügbar (Totwasser).
    nFK = enge Grobporen + Mittelporen

Korngrößen

Grob oder fein? Bodenkundlerinnen und Bodenkundler bestimmen dafür die Korngrößen der mineralischen Bodensubstanz. Grobboden (oder Skelett) besteht zum Beispiel aus Kiesen oder Steinen ≥ 2 Millimeter. Sand, Schluff und Ton sind < 2 Millimeter und gehören zum Feinboden.

Korngröße in Fraktionen

Bodenkundlerinnen und Bodenkundler unterteilen die Korngrößen weiter in Fraktionen wie Grobkies, Feinsand oder Mittelschluff.

Bodenarten

Meistens sind die Korngrößen in Böden gemischt. Mit der Bodenart geben Bodenkundlerinnen und Bodenkundler an, aus welchen Korngrößen der Feinboden besteht.

Kies von 2 bis 63mm Durchmesser Kies (≥ 2,0 bis < 63 Millimeter)
Sandkörner von 0,063 bis 2mm Durchmesser Sand (≥ 0,063 bis < 2,0 Millimeter)
Schluffkörner von 0,002 bis 0,0063mm Durchmesser Schluff (≥ 0,002 bis < 0,063 Millimeter)
Ton mit einer Körnung von kleiner als 0,002mm Durchmesser Ton (< 0,002 Millimeter)

Korngrößen machen Chemie

Auf den Einzelkörnern der mineralischen Bodensubstanz finden viele chemische Reaktionen statt. Denn: die Oberfläche der Einzelkörner ist über die Poren der Böden mit dem Wasser- und Lufthaushalt verbunden. In einer definierten Menge Boden ist die innere, reaktive Oberfläche umso größer, je feiner die Korngrößen sind.

Korngrößen geben Eigenschaften

Schema: Bodeneigenschaften sind stärker oder schwächer ausgeprägt, wenn sich der Ton- oder Sandgehalt ändert. Erläuterung im Text unten. Korngrößen geben Eigenschaften von Böden vor

Wie stark sind die Eigenschaften von Böden ausgeprägt? Das Schema vergleicht dazu Böden mit hohem Tongehalt und Sandgehalt. Zum Beispiel sind sandige Böden besser durchlüftet sind als tonige. Denn: Sand ist gröber als Ton und bildet mehr Grobporen. Dafür halten tonigere Böden Wasser länger und verfügen über mehr Nährstoffe für Pflanzen.

Bodenarten

Aus welchen Korngrößen besteht der Feinboden? Das geben Bodenkundlerinnen und Bodenkundler mit den Bodenarten an. Die Bodenarten-Hauptgruppen heißen Sande, Schluffe, Tone nach den Korngrößen und Lehme.

Lehme

Das sind gemischte Bodenarten aus Sand, Schluff und Ton. Alle drei Korngrößen sind in Lehmen erkennbar und fühlbar.

Bodenarten im Dreieck

Korngrößendreieck: Die Spitzen des Dreiecks stehen für die Korngrößen Sand, Schluff und Ton. Die Seiten des Dreiecks sind prozentual skaliert. Jede der 31 Bodenarten ist mit einem Kasten dargestellt, dessen Seiten den prozentualen Anteilen der Korngrößen entsprechen. Korngrößendreieck, Bodenarten-Hauptgruppen, Bodenarten-Gruppen und Bodenarten (Ad-hoc-AG Boden 20055: Bodenkundliche Kartieranleitung)

Die Bodenkundliche Kartieranleitung veranschaulicht alle Bodenarten in einem Korngrößendreieck. Die Spitzen des Dreiecks stehen für die Korngrößen Sand, Schluff und Ton.

Fingerprobe

Im Gelände bestimmen Bodenkundlerinnen und Bodenkundler die Bodenart mit der Fingerprobe. Dazu wird die schwach befeuchtete Bodensubstanz zwischen Daumen und Zeigefinger gerieben und geknetet. Mit Erfahrung und den Vorgaben der Bodenkundlichen Kartieranleitung lassen sich so Körnigkeit, Bindigkeit und Formbarkeit feststellen.

Gefüge

Wie fügt sich die Bodenmatrix räumlich zusammen? Das beschreiben Bodenkundlerinnen und Bodenkundler mit dem Gefüge. Grundgefüge haben noch keine Aggregate gebildet. Erst wenn Böden quellen und schrumpfen oder das Bodenleben aktiv ist, entstehen Aggregatgefüge.

Faustregel

Je gröber und/oder dichter das Gefüge, desto ungünstiger sind die Eigenschaften von Böden.

Detail von einem humosen Oberbodenhorizont mit Krümelgefüge aus rundlichen Aggregaten. Erläuterung in Tabelle unten. Krümelgefüge aus rundlichen Aggregaten
Detail von einem Einzelkorngefüge aus Sand. Erläuterung in Tabelle unten. Einzelkorngefüge - typisch für Sandböden
Beispiele für Grundgefüge und Prozesse der Gefügebildung
Grundgefüge Prozesse der Grundgefügebildung
Einzelkorngefüge Bodenmatrix ist locker und leicht lösbar. Typisch für Sandböden.
Kittgefüge Bodenmatrix ist zum Beispiel durch Eisen verkittet. Es können sich Horizonte mit Konkretionen aus Eisen oder Raseneisenstein bilden.
Kohärentgefüge Bodenmatrix bildet eine ungegliederte Masse. Wassermenisken in den Poren halten die Bodenmatrix zusammen. Kohärentgefüge sind stark von der Bodenfeuchte abhängig.

Beispiele für Aggregatgefüge und Prozesse der Gefügebildung
Aggregatgefüge Prozesse der Grundgefügebildung
Krümelgefüge Meistens aus rundlichen Aggregaten mit rauer Oberfläche, die durch Durchwurzelung und Bodenleben entstehen. Typisch für humose Oberbodenhorizonte (Beispiel: Ah).
Subpolyedergefüge Aus Aggregaten mit stumpfen Kanten und rauen Oberflächen, die zum Beispiel durch Quellung und Schrumpfung oder Bodenleben entstehen. Typisch für verbraunte, mineralische Unterbodenhorizonte (Beispiel: Bv).
Polyedergefüge Überwiegend aus Aggregaten mit scharfen Kanten und glatten Oberflächen. Typisch für tonreiche Bodentypen wie Pelosole oder tonangereicherte, mineralische Unterbodenhorizonte (Beispiel: Bt).

Weiterführende Informationen

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