Gruppe 6b Gesamtprotokoll 2006

Document Sample
Gruppe 6b Gesamtprotokoll 2006 Powered By Docstoc
					Bodenkundliches Grundpraktikum

             SS 2006




              Gruppe 6b



             Phillip Kreye
         Benjamin Vollbrecht
             Jens Schultze
             Andre Dappa




        Braunschweig, 11.5.2006
2                                                                Gruppe 6b, SS2006: Bodenkundliches Praktikum

Inhaltsverzeichnis

Versuch 1: Korngrößenanalyse .................................................................................................. 6
    1.    Einführung ...................................................................................................................... 6
    2.    Materialien und Methoden ............................................................................................. 7
    3.    Ergebnisse .................................................................................................................... 13
    4.    Diskussion .................................................................................................................... 16
Versuch 2: Gesättigte Wasserleitfähigkeit ............................................................................... 19
    5.    Einführung .................................................................................................................... 19
    6.    Materialien und Methoden ........................................................................................... 20
    7.    Ergebnisse .................................................................................................................... 26
    8.    Diskussion .................................................................................................................... 28
Versuch 3: Ungesättigte Wasserleitfähigkeit ........................................................................... 31
    9.    Einführung .................................................................................................................... 31
    10.      Materialien und Methoden ....................................................................................... 32
    11.      Auswertung/Ergebnis ............................................................................................... 33
    12.      Diskussion ................................................................................................................ 35
Versuch 4: Gehalt des Bodens an organischer Substanz und biologische Umsetzungsrate .... 37
    13.      Einführung ................................................................................................................ 37
    14.      Materialien und Methoden ....................................................................................... 38
    15.      Ergebnisse ................................................................................................................ 41
    16.      Diskussion ................................................................................................................ 43
Versuch 5: pH-Wert, Kalkbedarf, elektrische Leitfähigkeit und Elektrolytkonzentration ...... 45
    17.      Einführung ................................................................................................................ 45
    18.      Durchführung ........................................................................................................... 46
    19.      Ergebnisse ................................................................................................................ 48
    20.      Diskussion ................................................................................................................ 50
Versuch 6: Nährstoffgehalt und -verfügbarkeit ....................................................................... 52
    21.      Einführung ................................................................................................................ 52
    22.      Materialien und Methoden ....................................................................................... 52
    23.      Ergebnisse ................................................................................................................ 57
    24.      Diskussion ................................................................................................................ 59
Versuch 7: Kationenaustauschkapazität ................................................................................... 62
    25.      Einführung ................................................................................................................ 62
3                                                                   Gruppe 6b, SS2006: Bodenkundliches Praktikum

    26.        Materialien und Methoden ....................................................................................... 63
    27.        Ergebnisse ................................................................................................................ 68
    28.        Diskussion ................................................................................................................ 71
Literatur .................................................................................................................................... 73




Abbildungsverzeichnis

Abb.1: Kalibriergerade (y = x + 89,5) zur Bestimmung der effektiven Tiefe aus der
       Ablesung des Aräometers. ........................................................................................... 10
Abb.2: Korngrößenanteile der Bodenprobe des Kolluviums und des Podsols in
       Massenprozent. ............................................................................................................ 14
Abb.3: Körnungssummenkurve der Proben des Podsols und des Kolluviums. ..................... 15
Abb.4: Verschiedene Bodeneigenschaften, die je nach Bodenart unterschiedlich stark
       ausgeprägt sind. ........................................................................................................... 17
Abb.5: Kumulative Wassermenge, die aus der Mariotte`schen Falsche strömt, des
       konstanten Überstaus im Verlaufe der Zeit. ................................................................ 23
Abb.6: Zeitliche Abnahme des natürlichen Logarithmus der Potentialdifferenz bei der
       Messung der gesättigten Leitfähigkeit mit fallendem Überstau.. ................................ 28
Abb. 7: Experimenteller Aufbau des Unit-Gradient Versuchs zur Bestimmung der
        ungesättigten Wasserleitfähigkeit aus Durner und Nieder ( 2006). ............................ 32
Abb. 8: Wasserspannungskurve der ungesättigten Leitfähigkeit. ............................................ 35
Abb.9: pH-Werte der untersuchten Böden bei Bestimmung mit H2O- und CaCl2-Lösung. .... 49
Abb.10: Kalibriergerade der Auftragung der Leitfähigkeit in μS/cm gegen den KCl-Gehalt
       in mmol/l mit Eintragung der in Tab.17 aufgeführten Werte der untersuchten
       Böden. .......................................................................................................................... 50
Abb. 11: Kalium-Standardreihe (SDR) zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit des
       Flammenphotometers. ................................................................................................. 55
Abb. 12: Stickstoffgehalt der Proben Podsol Ahe und Löß Ah, mit verschiedenen
       Extraktionsmitteln aufgearbeitet, in [mg∙(100g)–1]. .................................................... 57
Abb. 13: Kaliumgehalt der Bodenproben Pod Ahe und Löß Ah, aufgearbeitet mit 3
       verschiedenen Extraktionsmitteln, in [mg pro 100g Bodensubstanz]. ....................... 58
Abb.14: Aluminium-Austausch sämtlicher Proben in mval pro 100g Boden......................... 68
Abb.15: Austauschkapazität der einzelnen Kationen bezogen auf die jeweiligen Proben. ..... 69
Abb.16: Kationenaustauschkapazität der Proben Kalk1 bis Kalk4 sowie Kolluvium Ah,
       Löß Ah und Rendzina Ah. ........................................................................................... 70
4                                                                Gruppe 6b, SS2006: Bodenkundliches Praktikum

Tabellenverzeichnis

Tab.1: Ergebnisse der Aräometermessung der Bodenprobe des Kolluviums. ......................... 13
Tab.2: Gewichte der Schluff und Ton-, Grob-, Mittel-, und Feinsandanteile des Podsols
        und des Kolluvoums in Gramm. ................................................................................. 14
Tab.3: Median, Sortierung und Ungleichförmigkeitsgrad der Probe des Podsols und des
       Kolluviums. ................................................................................................................. 16
Tab.4: Messwerte der Wassermenge pro, Zeit mit zusätzlich berechneter effektiver
       Wassermenge, des konstanten Überstaus, Probe: C-Horizont eines Podsols. ............. 22
Tab.5: Messwerte der kf-Messung bei fallendem Überstau, Probe: C-Horizont des
       Podsols. ........................................................................................................................ 25
Tab.6: Messwerte und deren Fehler sowie die gesättigte Leitfähigkeit kf der Messung bei
       konstantem Überstau, Probe: C-Horizont eines Podsols. ............................................ 26
Tab.7: Messwerte und deren Fehler sowie die gesättigte Leitfähigkeit kf der Messung bei
       fallendem Überstau, Probe: C-Horizont eines Podsols. .............................................. 27
Tab. 8: Verwendete Messergebnisse der ungesättigten Wasserleitfähigkeit. .......................... 33
Tab. 9: Die Wasserleitfähigkeit k bei verschiedenen Matrixpotentialen................................. 34
Tab.10: Absoluter und relativer Fehler der Abflüsse bei den verschiedenen
       Matrixpotentialen, sowie Fehler der Fläche der Bodensäule. ..................................... 36
Tab.11: Nach dem Fehlerfortpflanzungsgesetz errechneter Fehler von ku. ............................. 36
Tab.12: Horizontmächtigkeiten der Bodenproben. .................................................................. 38
Tab.13: Bodenproben und jeweils abzumessende Mengen (Idealwerte; tatsächlich
       gemessene Menge siehe Tab. 3). ................................................................................. 39
Tab.14: Ergebnisse des Kohlenstoff- und Humusgehaltes....................................................... 41
Tab.15: Ergebnisse der CO 2 - Bestimmung nach Isermeyer. .................................................. 42
Tab.16: Wertetabelle der Kalibriergeraden: Zusammenstellung der pH-Werte in H2O,
       CaCl2 und Calciumacetatlösung, sowie der spezifischen Leitfähigkeit, deren KCl-
       Äquivalent und des Kalkbedarfes. ............................................................................... 48
Tab.17: Wertetabelle der Kalibriergeraden. ............................................................................. 49
Tab.18: Verbrauchte Salzsäure bei der Titration von grün nach violett (pH 4,5) für die
       jeweiligen Proben und Blindproben mit verschiedenen Extraktionsmitteln. ............. 55
Tab.19: Vom Flammenphotometer angezeigte Kaliumkonzentration in mgl–1 der
       Bodenproben Podsol Ahe und Löß Ah. ....................................................................... 56
Tab.20: Stickstoffgehalte der Bodenproben Podsol Ahe und Löß Ah, mit jeweils drei
       verschiedenen Extraktionsmittel aufgearbeitet, in mg pro 100g Bodensubstanz. ....... 57
Tab.21: Kaliumgehalt der Bodenproben Podsol Ahe und Löß Ah, mit jeweils drei
       verschiedenen Extraktionsmitteln aufgearbeitet, in mg pro 100g Bodensubstanz. ..... 58
5                                                      Gruppe 6b, SS2006: Bodenkundliches Praktikum

Tab.22 Verdünnungsverhältnis für die Proben bei der Messung mit dem AAS. ..................... 64
Tab.23 Wertigkeit und Atomgewicht von K, Na, Ca und Mg. ................................................ 65
Tab.24 Werte für K, Na, Mg und Ca in mgl–1, bestimm t vom AAS. ...................................... 66
Tab.25 Verbrauchte Natronlauge bei der Titration zur Bestimmung des Aluminiums. .......... 67
Tab.26 Gesamtübersicht über die Austauschkapazität der einzelnen Kationen und deren
       Summe, die KAK, in [mval 100g–1]. .......................................................................... 69
Tab.27 Kationenaustauschkapazität der acht Proben mit jeweiligem relativem Fehler. ......... 70
6                                              Gruppe 6b, SS2006, V1: Korngrößenanalyse



Versuch 1: Korngrößenanalyse

1. Einführung

Böden sind Naturkörper und als solche durch jeweils typische physikalische Eigenschaften
gekennzeichnet; Farbe und Körnung fallen am meisten ins Auge. Sie sind daher wichtige
Bestandteile jeder Bodenbeschreibung. Die Körnigkeit und die durch die Lagerung dieser
Körner gegebene Porosität sind die Vorraussetzung dafür, dass in einem Bodenvolumen Platz
für Wasser und Luft sowie für Wurzeln und Bodentiere vorhanden ist. Daher beeinflussen
diese Bodeneigenschaften nicht nur alle Lebensvorgänge im Boden, sondern darüber hinaus
auch Wechselwirkungen zwischen der festen, der flüssigen und der gasförmigen Phase sowie
jegliche Transporte und Verlagerungen. (Scheffer/Schachtschabel, 1998, S. 135)
Verwitterung, Verlagerung und Bodenbildung gestalten ein Gemisch verschieden großer,
meist unregelmäßig geformter Teilchen. Charakteristische Korngrößenverteilungen von
Gesteinsresten, Mineralen und Mineralneubildungen nennt man Bodenart. (Synonym:
Bodentextur, Korngrößenzusammensetzung, Körnung). Sie ist ein relativ konstantes
Kriterium der Bodenbewertung. (Kuntze et al., 1994, S. 89)
Sie reicht vom Meterbereich bis zur Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops. Um für diesen
weiten Bereich eine einheitliche Maßzahl zu haben, wird in der Regel der
Äquivalentdurchmesser der Primärteilchen zur Charakterisierung verwendet. Der
Äquivalentdurchmesser ist eine Hilfsgröße, die es erlaubt, einzeln anfaßbaren Partikeln
ebenso einem Durchmesser zuzuordnen, wie solche, die nur unter dem Mikroskop erkennbar
sind. Für solche frei nebeneinander liegenden Teilchen wird auch der Begriff Primärpartikel
oder Primärteilchen benutzt, um den Unterschied deutlich zu machen zu Aggregaten, d. h. aus
auseinanderhängenden       Primärteilchen    zusammengesetzten     Körpern.     Für     die
Bodenentwicklung und –nutzung sind Teilchen mit Durchmessern < 2mm von besonderer
Bedeutung, weil zwischen ihnen erheblich Wassermengen gegen die Schwerkraft festgehalten
werden können, die dann den Luftinhalt verdrängen. (Scheffer/Schachtschabel, 1998, S. 136)
Nach der Art der Poren unterscheidet man die mikroskopischen, mehr oder weniger
körnungsbedingten Primärporen (als Fein- und Mittelporen) von den makroskopischen
Sekundärporen, den Rissen und Röhren, als den Mittel- und Grobporen. Diese
Porendifferenzierung wird aufgrund eines so genannten Äquivalent-Porendurchmessers
vorgenommen. Man ordnet dabei den wirklichen Poren äquivalente kreiszylindrische
Kapillaren bei vollständiger Benetzung zu, die man ihrerseits mittels der kapillaren Steighöhe
charakterisiert. (Nieder, 2005, S. 133)
7                                            Gruppe 6b, SS2006, V1: Korngrößenanalyse

2. Materialien und Methoden


2.1 Materialien


Für die Untersuchung der Korngrößenfraktion wurden zwei vorbehandelte, genau auf 30 g
abgewogene, Bodenproben verwendet. Es handelte sich um Podsol einer Binnendüne aus dem
Landkreis Gifhorn und um Kolluvium aus dem Elm. Das Kolluvium lagerte in der Mitte
eines Hanges zwischen einem Rendzina oberhalb und einem Löß-Boden unterhalb.


Beide Bodenmengen wurden im Rahmen ihrer Vorbehandlung im Trockenschrank bei 105°C
Standarttemperatur getrocknet, auf 2 mm gesiebt und mit 30 ml destilliertem Wasser (H2O)
durchfeuchtet. Außerdem wurden 30 ml (H2O2) Wasserstoffperoxid und 4 ml einer 10%igen
Salzsäure (HCl) aufgegossen und anschließend drei Tage lang in einem Wasserbad bei 40°C
gekocht, um organische Substanzen zu zerstören und um den Karbonanteil zu entfernen.
Eisenverbindungen wurden durch Zugabe von 40 g l-1 Natriumdithionit auf etwa 0,3 M, auf
pH 3,8 gepufferter Natriumacetatlösung, entfernt.


Zur Dispergierug (Zerstreuung oder Entflockung) wurden später 25 ml einer 0,4 M
Natriumphyrophosphat-Lösung (Na4P2O7 ∙ 10H2O) hinzu gegeben.
Um einen möglichst optimalen Reingehalt der mineralischen Substanzen zu erreichen,
wurden beide Gemische noch18 Stunden lang mit Hilfe einer Schüttelmaschine geschüttelt.
Alle Vorbehandlungen wurden von der Betreuerin des Versuchs 1, Anika Reetsch
durchgeführt.



2.2 Versuchsdurchführung

Kalibrierung des Aräometers:


Vor den eigentlichen Messungen wurde mit dem Aräometers eine Blindprobe, genauer eine
Kalibrierung, vorgenommen: Das Aräometers wurde in einen 1 Liter Messzylinder mit 1000
ml destilliertem Wasser und 25 g Na4P2O7 ∙ 10H2O (Dispergierungsmittel) eingetaucht. Nach
Auspendeln des Aräometers wurden die Werte abgelesen und zwar vom oberen Rand des
Meniskus und an der Flüssigkeitsoberfläche. Hiermit machte sich ein Mitglied der Gruppe
vertraut, da das Ablesen relativ kompliziert war und etwas Übung verlangte. Die als d‛
notierten Werte der Aräometerablesung der Bodenprobe bestanden nur aus dem Dezimalteil
und dem um drei Stellen nach rechts gerückten Dezimalkomma. Zum Beispiel würde eine
Ablesung von 1,0125 als 12,5 aufgezeichnet werden. Die Messung ergab für den Meniskus
1,000 und für die Oberfläche 1,0005. Daraus ergab sich eine Meniskuskorrektur Zm von
0,0005. Die gewonnenen Werte dieser mit einer Eichung des Gerätes vergleichbaren Prozedur
8                                             Gruppe 6b, SS2006, V1: Korngrößenanalyse

dienten im weiteren Verlauf als Umrechnungsfaktoren für weitere Messungen. Eine
Temperaturmessung mit einem analogen Thermometer ergab eine Temperatur von 21°C.




Sedimentations-Methode:


Die Kolluvium-Probe aus dem Elm wurde in ein Sieb der Maschengröße 63µm geschüttet und
mit genau 1000 ml destilliertem Wasser spülend hindurch gesiebt. Die Flüssigkeit mit dem
Kolluviumanteil wurde in einem 1 Liter Messzylinder aufgefangen. Nachdem der letzte Rest
des Wassers abgeflossen war, wurde der Messzylinder mit einem Gummistopfen verschlossen
und einige Minuten lang geschüttelt. Hierbei musste man darauf achten, dass die
Bodenpartikel sich vollständig im Wasser verteilen. Er wurde dann abgestellt und vom
Moment des Abstellens an wurde mit einer Stoppuhr die Zeit gemessen. Es folgten
Aräometer-Messungen zur Dichtebestimmung der Flüssigkeit nach 30 Sekunden, zwei, vier,
acht und 30 Minuten sowie nach zwei, acht und 24 Stunden. Zwischen den Messungen wurde
das Aräometer in einen 1 Liter Messzylinder mit der Dispergierungslösung eingetaucht, um
bei der folgenden Messung eine Verfälschung des Ergebnisses durch von der vorherigen
Messung anhaftende Partikel zu vermeiden. Bei jeglichem Gebrauch des Aräometers musste
vorsichtig mit dem empfindlichen Gerät aus Glas umgegangen werden. Es musste u. a. beim
Eintauchen und Herausnehmen darauf geachtet werden, den Sedimentationsvorgang so wenig
wie möglich zu stören. Das Aräometer sollte deshalb etwa 30 Sekunden vor einer Ablesung
langsam eingetaucht werden. Temperaturfeststellungen wurden während der ersten 15
Minuten und danach nach jeder erfolgten Ablesung vorgenommen.




Bestimmung der Grob- und Mittelsandanteile durch Naßsiebung :


Der verbliebene Bodenrest wurde aus dem 63µm Sieb entnommen und in ein Sieb der
Öffnungsweite 630 µm (Grobsand) gegeben. Darunter befand sich ein weiteres Sieb der
Größe 200 µm (Mittelsand). Das Spülen der Siebe erfolgte durch Leitungswasser, das über
einen Schlauch herbeigeführt wurde. Mit destilliertem Wasser aus einer Spritzflasche wurde
nachgespült. Im Falle eines Verstopfens der Siebporen wurde die Siebfläche mit einem Finger
frei gestrichen ohne Bodenpartikel zu zerreiben. Am Finger anhaftendes Bodenmaterial wurde
in das Sieb gespült. Das in den Sieben zurückgehaltene Bodenmaterial wurde in jeweils zwei
trockene, vorher gewogene und bezeichnete Marmeladengläser aufgenommen. Überstehendes
Wasser wurde abgegossen. Die Gläser wurden im Anschluss bei 105°C in den
Trockenschrank gestellt, bis sich durch Austrocknung eine Gewichtskonstanz einstellte. Nach
Abkühlen der Gläser wurden dann die Massen der Sandfraktionen bestimmt.
Die Untersuchung der Podsol-Probe (Horizont Ahe) wurde bei der Nasssiebung analog zu der
des Kolluviums durchgeführt.
9                                                   Gruppe 6b, SS2006, V1: Korngrößenanalyse

2.3 Auswertung


Um den Schluff- und Tonanteil zu bestimmen, wurde die Aräometer Methode angewandt.
Diese beruht auf den unterschiedlichen Sinkgeschwindigkeiten von Teilchen in einem Fluid.
Die Sinkgeschwindigkeit nimmt mit dem Durchmesser der Teilchen (bei uns die Ton- und
Schluffpartikel) zu. Somit lässt sich durch eine Messung der Dichte und der Zeit die
Geschwindigkeit und damit die Durchmesser der Teilchen bestimmen. Genutzt wird hierbei
das Stoke´sche Gesetz:


     g( p     p )
            f   w
v                 dp
                       2

            18                                                                           (1)


(Durner und Nieder, 2006, S. 14)


Wobei
g = Erdbeschleunigung in m  s 2 = 9,81 m  s 2

pf = Dichte der Teilchen in kg  m 3 (genommen wird die Dichte von Quarz = 2650 kg  m 3 )

pw = Dichte des Wassers in kg  m 3

ŋ = dynamische Viskosität in kg  s 1  m 1

v = Sedimentationsgeschwindigkeit in m  s 1
dp = Äquivalentkorndurchmesser in m


Die Sedimentationsgeschwindigkeit wird als effektive Tiefe Z pro Sedimentationszeit t
berechnet. Die Sedimentationszeiten wurden bei der jeweiligen Aräometermessung schriftlich
festgehalten. Die effektive Tiefe Z wird mit einer Kalibriergeraden bestimmt:
10                                                        Gruppe 6b, SS2006, V1: Korngrößenanalyse




                                                     y = x + 89,5
                                 250
     effektive Tiefe Z in mm .




                                 200


                                 150


                                 100


                                  50


                                   0
                                       0   20   40         60         80         100        120
                                                       Ablesung d


Abb.1: Kalibriergerade (y = x + 89,5) zur Bestimmung der effektiven Tiefe aus der Ablesung
       des Aräometers.


Hierbei gilt:

Z  x  89,5                                                                                   (2)

(schriftl. Mitteilung Anika Reetsch)


Wobei

x  d ´ z m                                                                                   (3)

(Durner und Nieder, 2006, S. 19)


Mit
d´= vom Aräometer abgelesener Wert, wobei das Komma um drei Stellen nach rechts
verschoben wurde.
zm = Meniskuskorrektur
Damit ergibt sich für die Sinkgeschwindigkeit v:

            Z´
v                                                                                             (4)
            t
11                                              Gruppe 6b, SS2006, V1: Korngrößenanalyse

Wobei
Z´= effektive Tiefe in Metern (Z ist in mm angegeben und muss in SI-Einheiten umgerechnet
werden)


Zudem ist die Viskosität von Wasser von der Temperatur T (in °C) abhängig:

               0,00178
                                                                                    (5)
     1  0,0337  T  0,00022  T ²

(Durner und Nieder, 2006, S. 14)


Die Dichte des Wassers ist ebenfalls von der Temperatur T (in °C) abhängig:

                      1000
pw                                                                                   (6)
       1  2,31  T  2 ²  182   10  6

(Durner und Nieder, 2006, S. 14)



Damit sind, bis auf den Äquivalentdurchmesser dp alle Werte der Stoke´schen Gleichung
bekannt. Die Gleichung kann nach dp aufgelöst werden:



           18  v
dp                                                                                   (7)
        g( p  p )
            f      w



Zusätzlich wird der Massenanteil P der Partikel, welche kleiner als der jeweilige
Äquivalentdurchmesser, sind berechnet:



  d           f     
P m
  m                 
               1000                                                              (8)
   t        f        

(Durner und Nieder, 2006, S. 20)




Wobei
mt = Gesamttrockenmasse in kg
 f = Dichte der Partikel (genommen wird die Dichte von Quarz = 2650 kg m–3)
12                                              Gruppe 6b, SS2006, V1: Korngrößenanalyse

dm = modifizierte Aräometerablesung in m = (d´- d0´) ∙ 0,001
Mit
d´= Aräometerablesung in mm
d0´= Ablesung im Dispergierlösungsmittel in mm


Des Weiteren wird die Korngrößenverteilung statistisch ausgewertet. Dazu gibt es eine
Vielzahl von statistischen Maßzahlen. Wir benutzen:


den Median d50 (Äquivalentdurchmesser, der von 50 Masseprozent der Körner über- bzw.
unterschritten wird)


F (d 50 )  0,5                                                                      (9)



die Sortierung So (Wurzel aus dem Verhältnis des Massenanteils beim 75%-Quantil zum
Massenanteil beim 25%-Quantil)



          d 75
So                                                                                 (10)
          d 25



und den Ungleichförmigkeitsgrad U (Verhältnis des Massenanteils beim 60%-Quantil zum
Massenanteil beim 10%-Quantil)


       d 60
U                                                                                  (11)
       d 10


(Durner und Nieder, 2006, S. 15)




Zur Bestimmung der Korngrößenverteilung der Sandfraktion werden die durch das
Nasssieben aufgeteilten Proben im Trockenschrank getrocknet und anschließend die
jeweiligen Trockenmassen bestimmt. Diese werden dann ins Verhältnis zueinander gesetzt.
13                                             Gruppe 6b, SS2006, V1: Korngrößenanalyse

3. Ergebnisse

In Tab.1 sind die Ergebnisse der einzelnen Werte für die Aräometermessung des Kolluviums
zusammengefasst mit den für die Berechnungen nötigen Ausgangsmesswerte aufgelistet. Der
für weitere Berechnungen nötige Wert d´ und die Temperatur wurden bei der Messung nach
483 Minuten von Anika Reetsch und bei der Messung nach 1361 Minuten von Gruppe 6a
abgelesen. Die Geschwindigkeit wurde für die Berechnungen in SI-Einheiten (hier ms–1)
umgerechnet, steht in Tab.1 aber für eine bessere Übersicht in cmh–1. Dasselbe gilt für die
Werte d´, d und Z, welche für die Berechnungen von mm in m umgerechnet wurden, ebenso
wurde natürlich auch die Zeit von min in s umgerechnet.


Tab.1: Ergebnisse der Aräometermessung der Bodenprobe des Kolluviums.

      Zeit   Temp.      d´         d         Z          v        dp         dm      P
     [min]    [°C]     [mm]      [mm]      [mm]     [cmh–1]     [mm]       [m]     [%]
      0,5     21,5      11,0      10,5     100,0    1200,00    0,0600    0,0105    22,1
        2     21,5      10,5      10,0      99,5     298,50    0,0300    0,0100    21,1
        4     21,5      10,5      10,0      99,5     149,25    0,0220    0,0100    21,1
        8     21,5      10,0       9,5      99,0      74,25    0,0150    0,0090    19,0
       30     21,5       8,5       8,0      97,5      19,50    0,0077    0,0075    15,8
      120     21,5       6,5       6,0      95,5       4,78    0,0038    0,0055    11,6
      483     20,5       4,5       4,0      93,5       1,16    0,0019    0,0035     7,4
     1361     20,0       4,0       3,5      93,0       0,41    0,0011    0,0030     6,3


Der Wert für die dynamische Viskosität und die Dichte des Wasser bleibt aufgrund der, bis
auf die der letzten beiden Messungen, konstanten Temperatur immer gleich und ist damit
nicht in Tab.1 mit aufgenommen. Es ergibt sich:
Dynamische Viskosität =  = 0,0009747 Pa s und Dichte Wasser = p w = 997,914 kg m–3

Für die beiden letzten Messungen wurde die Viskosität und die Dichte (mit der Temperatur
von 0,5 ∙ (20,5 °C + 20,0 °C) = 20,25 °C) neu berechnet:
Dynamische Viskosität =  = 0,0010041 Pa s und Dichte Wasser = p w = 998,180 kg m–3

Die Aräometerablesung d0´ der Dispergierlösung wurde leider bei der Temperatur von 21,5°C
nicht bestimmt. Daher wurde der d0´-Wert von der Temperatur 20,5°C für sämtliche
Berechnungen von dm benutzt.
14                                                               Gruppe 6b, SS2006, V1: Korngrößenanalyse



Die Gewichtsdifferenz zwischen dem Leergewicht des Glases, in dem die verschiedenen
Korngrößen der Bodenproben aufgefangen wurden, und dem Gewicht des Glases, nachdem
der Wasseranteil bei 105°C im Trockenschrank verdampft wurde, entspricht der Masse der
einzelnen Korngrößen. Der Salzfehler (Durner und Nieder, 2006, S. 20, 21) für den Ton- und
Schluffgehalt wurde herausgerechnet.


Tab.2: Gewichte der Schluff und Ton-, Grob-, Mittel-, und Feinsandanteile des Podsols und
       des Kolluvoums in Gramm.

                            Probe      Ton    Schluff    Feindsand     Mittelsand     Grobsand    Summe
                                        [g]     [g]          [g]          [g]            [g]        [g]
                          Kolluvium    1,60    20,00        5,25         1,33           0,45       28,69
                           Podsol        -       -          9,51        14,84           0,36       24,71


Es wurden 30g Bodenmaterial für jede Probe abgewogen. Wie in Tab.2 zu sehen ist,
entspricht dies nicht der Summe der jeweiligen Proben. Dies ist u.a. durch Siebungsverluste
zu erklären. Abb.2 basiert auf Tab.2, wobei die Summen der Trockenmassen gleich 100%
gesetzt wurden:




                          100%
                          90%
                          80%
     Massenanteil in %.




                          70%
                          60%
                                                                                                     Kolluvium
                          50%
                                                                                                     Podsol
                          40%
                          30%
                          20%
                          10%
                           0%
                                      Ton      Schluff     Feinsand      Mittelsand    Grobsand
                                                           Korngröße


Abb.2: Korngrößenanteile der Bodenprobe des Kolluviums und des Podsols in
       Massenprozent.
15                                                                     Gruppe 6b, SS2006, V1: Korngrößenanalyse

Aus Tab.1 und Tab.2 lässt sich die Körnungssummenkurve (Abb.3) des Podsols und des
Kolluviums erstellen. Hierbei ist die X-Achse (bzw. die Korndurchmesser in μm)
logarithmisch skaliert. Dies dient zur besseren Übersicht. Die Skalierung geht hierbei bis zu
10000 μm, wobei 2000 μm gereicht hätten. Das lässt sich aber aufgrund der Logarithmierung
nicht vermeiden. Die Kornfraktionen sind oberhalb eingetragen, wobei gT = Grobton, fU =
Feinschluff, mU = Mittelschluff, gU = Grobschluff, fS = Feinsand, mS = Mittelsand und gS =
Grobsand bedeutet.




                                                                Kornfraktion
                                             gT   fU    mU        gU       fS     mS     gS
                                  100%                            gU
                                  90%
     Anteil der Fraktion in % .




                                  80%
                                  70%
                                  60%
                                  50%
                                  40%
                                  30%
                                  20%
                                  10%
                                   0%
                                         1               10              100            1000            10000
                                         Kolluvium     Podsol   Korndurchmesser in μm


Abb.3: Körnungssummenkurve der Proben des Podsols und des Kolluviums.




Aus dem Körnungsdreieck (Sponagel et al., 2005, S. 142) ergibt sich für den Kolluvium die
Bodenart Sandschluff (Us) und für den Podsol die Bodenart Reinsand (Ss).
Die Hauptanteile der Kornfraktionen der jeweiligen Proben (Beim Kolluvium Schluff und
beim Podsol Mittel- und Feinsand) entspricht mit sehr hoher Genauigkeit auch unserer vorab
gemachten Fingerprobe.
16                                               Gruppe 6b, SS2006, V1: Korngrößenanalyse

Mit Hilfe von Abb.3 lassen sich die wichtigsten statistischen Daten schnell ablesen:


Tab.3: Median, Sortierung und Ungleichförmigkeitsgrad der Probe des Podsols und des
       Kolluviums.


                 Probe       Median    Sortierung    Ungleichförmigkeitsgrad
               Kolluvium      25 μm       1,6                  15
                Podsol       180 μm       1,6                  3,2




4. Diskussion


In diesem Versuch sollte die Korngrößenverteilung von zwei Bodenproben bestimmt werden.
Die Bodenproben waren zum einen ein Kolluvium und zum anderen ein Podsol. Nach der
vorab gemachten Fingerprobe erwarteten wir für den Kolluvium den größten
Korngrößenanteil in der Schluff-Fraktion und für den Podsol den größten Korngrößenanteil in
der Mittel- und Feinsandfraktion.
Dieser Versuch ist ein sehr wichtiger im Rahmen der Bodenuntersuchung. Sehr viele
bodenphysikalische Eigenschaften hängen direkt oder indirekt von der Korngrößenverteilung
ab. (Durner und Nieder, 2005, S. 13)
Fehlerquellen sind bei diesem Versuch vor allem bei der Aräometerablesung zu erwarten.
Hierbei muss man sehr genau arbeiten und sich auf die sehr kleine und relativ schwierig
abzulesende Skala des Aräometers konzentrieren. Zudem kann durch unvorsichtiges
Eintauchen des Aräometers der Sedimentationsvorgang gestört werden. Auch bei der
Meniskuskorrektur können Ablesefehler entstehen, die jedoch sehr klein sein dürften. Bei der
Naßsiebung sind dagegen weniger Fehlerquellen vorhanden. Trotzdem ist bei uns
beispielsweise die Gesamttrockenmasse des Podsols mit 24,71g (siehe Tab.2) sehr wenig, da
zu Beginn des Versuches 30g Bodenmaterial vorbereitet wurden. Dies kann zum einen mit
Siebeverlusten, zum anderen die Entfernung von organischer und anderer Kitt-Substanz
(Durner und Nieder, 2005, S. 20). Wahrscheinlich liegt der große Verlust an Bodensubstanz
weniger an Siebeverlusten als an Entfernung von organischer Substanz. Es könnte allerdings
auch sehr gut sein, dass sich eine größere Menge Schluff im Podsol befand, als gedacht.
Dieser konnte nicht festgehalten werden, da das feinste Sieb für Feinsand war und die
Aräometermethode nur beim Kolluvium angewandt wurde. Aufgrund der unbekannten Menge
an organischer- und anderer Kittsubstanz, sowie unbekannter Menge an Siebeverlusten ist es
auch nicht möglich durch einfache Differenzbildung von der Ausgangsmasse (30g) und der
Gesamttrockenmasse (24,71g) den Schluffanteil festzustellen. Daher wurde bei der
Berechnung des Ergebnisses für den Podsol der Schluff- und Tonanteil auf Null gesetzt.
Insgesamt jedoch sind die möglichen Fehler in einem vertretbaren Rahmen, jedoch wurde nur
jeweils eine Messung pro Bodenprobe durchgeführt, was einen statistischen Mittelwert der
17                                               Gruppe 6b, SS2006, V1: Korngrößenanalyse

Ergebnisse nicht möglich macht. Daher lässt sich unser Ergebnis nur als ein Richtwert
interpretieren. Dieser Richtwert ist jedoch ausreichend genau, um wichtige physikalische
Eigenschaften des jeweiligen Bodens grob zu bestimmen, ohne selbst eine Messung
durchzuführen.
Die Probe des Podsols besteht als reiner Sand nur aus den Sand-Fraktionen, wobei der Mittel-
und Feinsandanteil überwiegt. Der Boden ist nach Tab.3 gut sortiert und hat auch einen sehr
kleinen Ungleichförmigkeitsgrad. Die Sortierung gibt in etwa an, wie viele verschiedene
Korngrößenfraktionen vorliegen. Beim Podsol ist das vorwiegend nur Mittel- und Feinsand,
daher ist er gut sortiert. Der Ungleichförmigkeitsgrad gibt, wie der Name schon sagt, die
Gleichförmigkeit der Korngrößenverteilung an. Bildlich gesehen die Veränderung der
Korngröße mit dem Prozentsatz (siehe Abb.3). Beim Podsol ändert sich mit der prozentualen
Verteilung nur sehr wenig, damit ist der Ungleichförmigkeitsgrad klein. Anders beim
Kolluvium. Hier ist der Ungleichförmigkeitsgrad groß, da sich sowohl Grobton als auch
relativ viel Feinsand in der Probe befindet. Somit ist der Kolluvium über ein weiteres
Korngrößenspektrum verteilt als der Podsol. Die Sortierung des Kolluviums ist laut Tab.3
jedoch identisch mit der des Podsols. Das liegt daran, dass für die Berechnung der Sortierung
das 75%-Quantil und das 25%-Quantil benutzt wird. In diesem Bereich verändert sich die
Kornfraktion des Kolluviums kaum, da der Schluffgehalt bei weitem überwiegt. Insgesamt ist
es überraschend, dass die Sortierung des Kolluviums genauso gut ist wie die des Podsols. Bei
reinen Sanden liegt sehr oft eine hervorragende Sortierung vor (Scheffer/Schachtschabel,
1998, S. 140). Ein Kolluvium jedoch werden durch Erosion Teile des oberen Hanges weiter
unten abgelagert und überdecken häufig vorhandene Profile (Scheffer/Schachtschabel, 1998,
S. 400). Daher ist hier eigentlich eine nicht so hohe Sortierung zu erwarten. Dies zeigt sich
schließlich aber beim Ungleichförmigkeitsgrad. Dieser ist sehr viel höher, als der des Podsols.
Hier eine Übersicht über verschiedene Eigenschaften von Böden, die je nach Bodenart
unterschiedlich hoch sind (http://de.wikipedia.org/wiki/Bodenart, 17.05.2006):




Abb.4: Verschiedene Bodeneigenschaften, die je nach Bodenart unterschiedlich stark
       ausgeprägt sind.
18                                              Gruppe 6b, SS2006, V1: Korngrößenanalyse

Lehm bedeutet hier keine eigene Korngrößenfraktion, sondern eine Mischung aus Ton,
Schluff und Sand.
Für den Podsol als reinen Sand lässt sich aus Abb.4 direkt unter der Bodenart Sand grob die
zu erwartenden Bodeneigenschaften ablesen. Somit ist das Wasserhaltevermögen
beispielsweise sehr gering, da vorwiegend Grobporen vorliegen. Auch die
Nährstoffversorgung ist klein, da Sand aus Quarz (SiO2) besteht. Für den Kolluvium gelten
hier vorwiegend die Eigenschaften, die in Abb.4 unter der Bodenart Schluff aufgelistet sind,
da unsere Kolluvium-Probe zu etwa 70% aus Schluff besteht (siehe Abb.2). Nach Abb.4 ist
das Wasserhaltevermögen für Schluff gut, jedoch nicht ganz so gut wie das von Ton. Die
nutzbare Feldkapazität (bzw. die pflanzenverfügbare Wassermenge) von Schluff ist jedoch
sehr viel höher als die von Ton, da der Schluff das Wasser nicht zu stark bindet. Dies ist in
Abb.4 nicht vermerkt. Dadurch, dass wir auch einen geringen Tongehalt im Kolluvium haben,
ist die Nährstoffspeicherung sicherlich besser als „schlecht“, wie es laut Abb.4 für reinen
Schluff der Fall wäre. Anzumerken wäre schließlich, dass Abb.4 keine Primärliteratur ist,
sondern aus dem Internet stammt und wir nicht wissen wer diese Grafik erstellt hat und
welche Quellen er benutzt hat. Die unterschiedlichen Wasserkapazitäten der einzelnen
Fraktionen (und damit die Porenvolumina), die u.a. in Abb.4 dargestellt sind, stimmen sowohl
mit Angaben aus Scheffer/Schachtschabel (1998, S. 145) als auch mit Angaben aus Hartge et
al. (1999, S. 27) überein. Die Nährstoffverfügbarkeit und Nährstoffspeicherung, welche auch
in Abb.4 dargestellt ist, lässt sich anhand des Protokolls von Versuch 6 und Versuch 7
überprüfen. Auch hier hatten wir festgestellt, dass Tonminerale für austauschbare Kationen
sehr wichtig sind. Im Sand sind diese nicht vorhanden, im Schluff zum Teil und im Ton
natürlich fast ausschließlich. Da diese beiden wichtigen Stichproben mit anderen Quellen
übereinstimmen, gehen wir davon aus, dass Abb.4 auch in den anderen Punkten korrekt ist,
können dies jedoch nicht mit Sicherheit behaupten.
19                                    Gruppe 6b, SS2006, V2: Gesättigte Wasserleitfähigkeit



Versuch 2: Gesättigte Wasserleitfähigkeit

5. Einführung

Das Wasser im Boden ist selten in einem statischen Gleichgewicht, weil Niederschläge und
Evapotranspiration das Einstellen eines Potentialgleichgewichts immer wieder unterbrechen.
Es ist vielmehr meist in Bewegung, und zwar stets in Richtung auf das niedrigste Potential.
Dies gilt sowohl für den wassergesättigten Zustand im Einflussbereich des Grund- und
Stauwassers, als auch für den nicht gesättigten Bereich oberhalb einer Grundwasseroberfläche
(GWO). Das Ausmaß der Wasserbewegung ist abhängig von dem antreibenden
Potentialgefälle oder Wasserleitfähigkeit des Bodens (Scheffer/Schachtschabel, 1998, S. 191).


Auf flüssiges Wasser wirken die senkrecht nach unten gerichtete Schwerkraft (Gravitations-
Potential) und in allen Richtungen wirksame Kräfte, die sich aus Unterschieden der
Bodensaugspannung in trockenen und feuchten Bodenzonen ergeben (Matrix-Potential).
 Je nach vorherrschen dieser Kräfte Bewegung als Sickerwasser (vorherrschend Schwerkraft)
oder als Haftwasser (vorherrschend Bodensaugkräfte).
Wird trockenem Boden Wasser durch Niederschläge oder Beregnung zugeführt, erfolgt
zunächst Absättigung der FK in obersten Bodenzonen. Bei Überschreitung der FK und
ausreichendem Wassernachschub Vorrückend der Befeuchtungsfront in größere Tiefe.
Wasserpotential setzt sich zusammen aus Gravitations-Potential, Matrix-Potential und
osmotischem Potential. Wird feuchtem Boden Wasser durch Pflanzenwurzeln oder
Evaporation von der Bodenoberfläche entzogen, erfolgt gleichfalls Bewegung des
Haftwassers entlang Saugspannungsgradienten von feuchten zu trockenen Zonen. Mit
abnehmendem Wassergehalt (Entleerung der Poren, bei den größten beginnend) sinkt die
Permeabilität rasch, da Wasserbewegung auf immer kleinere Poren, zuletzt auf
Adsorptionswasserfilme, beschränkt wird (Schröder, 1978, S. 78, S. 53 f).


Gleiche Mengen Wasser infiltrieren je nach der Feuchte in verschiedenen Böden
unterschiedlich schnell und tief. Im Profil ist bei sommerlicher Austrocknung nach
Niederschlägen/Beregnung          eine scharfe  Begrenzung     der    dunkel     gefärbten
Durchfeuchtungsfront zum darunter noch trockenen Boden zu erkennen. Mit zunehmender
Befeuchtung und Porenfüllung nimmt die Wasserspannung ab. Die Wasserbewegung ist
anfangs auf Wasserfilme, Porenwinkel und kleinere Kapillaren begrenzt. Neben der
Bewegung des Wassers im flüssigen Zustand ist auch eine dampfförmige Verlagerung von
Wassermöglich. Je geringer die Lagerungsdichte, umso höher die Durchlässigkeit. Bei Torfen
haben Zersetzungsgrad und Torfart größeren Einfluss als die relative Lagerungsdichte. Das
Stauvermögen eines Bodenhorizontes ist der Fließwiderstand im wassergesättigten Zustand
(Kuntze et al., 1994, S. 175 ff).
20                                   Gruppe 6b, SS2006, V2: Gesättigte Wasserleitfähigkeit




6. Materialien und Methoden


6.1 Materialien


Die gesättigte Wasserleitfähigkeit eines Bodens wurde in diesem Versuch anhand eines
C-Horizontes eines Podsols untersucht. Der Boden wurde zuvor mit Wasser aufgesättigt um
die Bedingungen gesättigter Eigenschaften zu erfüllen.
Zur Bestimmung der Durchflussrate der Bodenprobe wurde entgastes Leitungswasser
verwendet. Entgast bedeutet, dass das Wasser durch erzeugten Unterdruck keine Gasteilchen
mehr enthält. Bei der Durchsickerung des Bodens konnten sich somit keine Lufteinschlüsse
bilden, die den Weg des Wassers hätten behindern können. Um bei der Lagerung
Algenwachstum zu vermeiden, enthielt das Wasser auch Algizid.
Bei diesem Wasser war außerdem darauf zu achten, dass es mindestens Raumtemperatur
hatte. Eine Erwärmung hätte zu einem verringerten Lösungsvermögen geführt und zuvor
enthaltene Restgase freigegeben. Luftblasen hätten die Leitfähigkeit des Bodens
beeinträchtigt und das Versuchsergebnis verfälscht.
Destilliertes Wasser kam nicht zum Gebrauch, da es durch das Konzentrationsgefälle,
bezogen auf den Ionengehalt, Salze aus dem Probenmaterial hätte rauslösen können. Im
Versuch wurden zwei klassische Labormethoden angewandt: die „constant head“- und die
„falling head“-Methode, da es keine universale Methode zur Bestimmung der gesättigten
Leitfähigkeit gibt.



6.2 Versuchsdurchführung


Versuchsdurchführung bei konstantem Überstau oder: ,, constant head“ –Methode:


Die verwendete Messanlage bestand aus einem Säulenkopf mit Wasserzulauf (Aufsatz auf
Bodenprobe), einer Bodensäule mit Bodenprobe, und Säulenfuß mit grobporiger poröser
Glassinterplatte. Der Zufluss des Wassers erfolgte aus einer Mariotte`schen Flasche. Der Fuß
der Säule, in dem sich die Bodenprobe befand, besaß eine Abflussvorrichtung. Aus ihr konnte
das durchgesickerte Wasser abfließen, welches mit in einem Becher aufgefangen wurde. Die
Menge des gesammelten Wassers wurde mit einer Waage gemessen. Am Säulenfuß konnte es
zu Problemen mit der Dichtigkeit der Konstruktion kommen, wenn z. B. der Dichtungsring
vorher mit Bodenpartikeln in Kontakt gekommen ist. Bei uns lief sehr wenig Wasser aus.
Wurde nach Öffnen der Verbindung zwischen Mariotte`scher Flasche und Säule ein
konstanter Einstau im Aufsatz erreicht, waren die Vorraussetzungen für eine Messung nach
der ,,constant head“ –Methode gegeben. Es erfolgte die Messung der effektiven Leitfähigkeit
21                                   Gruppe 6b, SS2006, V2: Gesättigte Wasserleitfähigkeit

des Gesamtsystems. Das Auffanggefäß stand auf einer Waage. Die Massenänderung wurde in
Abständen von 90 Sekunden festgestellt. Gemessen wurden die Überstauhöhe, Höhe und
Durchmesser der Bodensäule.


Versuchsdurchführung bei fallendem Überstau oder: „falling head“-Methode:


Der Versuchsaufbau erfolgte ähnlich wie bei der Messung mit konstantem Überstau. Jedoch
mit einem mit der Zeit abnehmenden Wasserdruck auf die Bodensäule. Somit floss zu Beginn
der Messung viel und am Ende wenig Wasser durch die Bodensäule, weil sich die
hydraulische Potentialdifferenz und der Wasserdruck ändern. Der obere Teil des Zylinders
wurde mit einer Haube besetzt, die über einen Absperrhahn mit einer Bürette verbunden war.
Vor der Messung war es notwendig, das gesamte System komplett mit Wasser zu füllen. Nach
Öffnen des Hahnes strömte das Wasser mit geringer werdender Rate durch die Bodensäule.
Alle 30 Sekunden erfolgte eine Messung der Wassersäulenhöhe und des Gewichtes des
ausgeflossenen Wassers.
Die Ausführung der „falling head“-Methode erfolgte drei Mal, um drei kf-Werte zu erhalten,
die dann gemittelt werden können. Gemessen wurden die Höhe und Querschnittsfläche der
Bodensäule, die Höhe der Büretten-Null über der Bodensäule (Überstauhöhe) und die
Querschnittfläche der Bürette (Innenmaß). Von den Werten des Wasserstandes bzw. der
Spiegelhöhe mussten 4 cm subtrahiert werden, da die Bodenprobe mit dem Zylinder während
der Messung um 4 cm erhöht war.




6.3 Auswertung


konstanter Überstau:
Bei konstantem Überstau liegt durch die Mariotte´schen Flasche immer derselbe Druck auf
die Bodensäule vor. Die Berechnung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit kf erfolgt
nach Durner und Nieder (2006, S. 26) durch

         Q           L
kf                                                                                  (12)
        ABoden       h

wobei
Q = stationäre Strömungsrate aus der Mariotte´schen Flasche in m3s–1
ABoden = Durchströmte Fläche der Bodensäule in m2
∆L = Länge der Bodensäule in m
∆h = hydraulische Potentialdifferenz in m
22                                   Gruppe 6b, SS2006, V2: Gesättigte Wasserleitfähigkeit




Die durchströmte Fläche der Bodensäule ist kreisförmig, daher gilt (Fischer et al., 2002, S.
24):

   d2
A                                                                                      (13)
    4

Mit
d = Durchmesser des Kreises (bzw. der Bodensäule oder der Bürette) in m


Wir haben die Wassermenge Q gewogen. Mit der Dichte von Wasser (1000 kgm–3) entspricht
dies dem Volumen der Wassermenge, welches dann nur noch durch die verstrichene Zeit
geteilt werden muss.
Die Messwerte für den konstanten Überstau sind in Tab.4 zusammengestellt. Ab einer
effektiven Wassermenge von 78 g pro 90 Sekunden (= 0,000000867 m3s–1) liegt eine
stationäre Strömungsrate aus der Mariotte´schen Flasche vor.


Tab.4: Messwerte der Wassermenge pro, Zeit mit zusätzlich berechneter effektiver
      Wassermenge, des konstanten Überstaus, Probe: C-Horizont eines Podsols.

                  Zeit [s]    Wassermenge [g]       effektive Menge [g]
                    90              74                       74
                   180             149                       75
                   270             225                       76
                   360             301                       76
                   450             379                       78
                   540             457                       78
                   630             535                       78
                   720             613                       78




In Abb.5 sind ist die kumulative Wassermenge gegen die Zeit aufgetragen (siehe Spalte 1 und
2 von Tab.4.). Da ab der Zeit von 450 Sekunden stationäre Verhältnisse herrschen, wo alle 90
                                                                                      78
Sekunden 78 Gramm Wasser gewogen werden, kann von dort aus mit der Geraden y             x
                                                                                      90
gerechnet werden.
23                                                              Gruppe 6b, SS2006, V2: Gesättigte Wasserleitfähigkeit




                                                 700
                 kumulative Wassermenge [cm3 ]

                                                 600
                                                 500
                                                 400
                                                 300
                                                 200
                                                 100
                                                   0
                                                 -100 0       200          400          600           800
                                                                         Zeit in s


Abb.5: Kumulative Wassermenge, die aus der Mariotte`schen Falsche strömt, des konstanten
       Überstaus im Verlaufe der Zeit.




Fallender Überstau:
Beim konstanten Überstau nimmt die hydraulische Potentialdifferenz mit der Zeit ab, da der
Wasserspiegel in der Bürette sinkt. Nach Durner und Nieder (2006, S. 27) berechnet sich hier
die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit kf durch:

          ABürette    L             ht                  
kf                            ln  i                                                                         (14)
         ABodensäule t i i 1  ht                      
                                     i 1                

wobei
ABürette = Durchströmte Fläche der Bürette in m2
ABodensäule = Durchströmte Fläche der Bodensäule in m2
∆L = Länge der Bodensäule in m
ti i 1 = Differenz zweier Ablesezeiten t1 und t2 in s

ht = Hydraulische Potentialdifferenz zum Zeitpunkt ti in m
 i

ht = Hydraulische Potentialdifferenz zum Zeitpunkt ti+1 in m
  i 1




Auch hier sind die durchströmten Flächen kreisförmig und es gilt für ABürette und ABodensäule die
Flächengleichung des Kreises.
24                                Gruppe 6b, SS2006, V2: Gesättigte Wasserleitfähigkeit

Tabelle Tab.5 listet die gewonnen Messwerte für den fallenden Überstau, wobei „Eff.
Wassermenge“ für die effektive Wassermenge steht.
25                                 Gruppe 6b, SS2006, V2: Gesättigte Wasserleitfähigkeit

Tab.5: Messwerte der kf-Messung bei fallendem Überstau, Probe: C-Horizont des Podsols.

      Messung       Zeit     Wassermenge Eff. Wassermenge Bürettewasserstand
                    [s]          [g]            [g]              [cm]

     1. Messung       30          79               79                  61
                      60         154               75                 55,5
                      90         222               68                  49
                     120         284               62                 43,5
                     150         340               56                  39
                     180         390               50                  35
                     210         438               48                 30,5
                     240         480               42                  27
                     270         519               39                  24
                     300         554               35                 21,5
                     330         585               31                  19
                     360         614               29                 16,5
     2.Messung        30          76               76                 62,5
                      60         151               75                  57
                      90         221               70                  51
                     120         285               64                  46
                     150         344               59                 41,5
                     180         398               54                  37
                     210         447               49                  33
                     240         493               46                 29,5
                     270         534               41                 26,5
                     300         571               37                 23,5
                     330         605               34                 20,5
                     360         636               31                  18
     3. Messung       30          87               87                 62,5
                      60         166               79                  56
                      90         238               72                 50,5
                     120         305               67                  45
                     150         365               60                 40,5
                     180         421               56                  36
                     210         471               50                  32
                     240         515               44                 28,5
                     270         557               42                  25
                     300         594               40                  22
                     330         628               34                 19,5
                     360         658               30                 17,5
26                                       Gruppe 6b, SS2006, V2: Gesättigte Wasserleitfähigkeit

Fehlerbetrachtung
Für die Berechnung der Unsicherheiten wird die Fehlerfortpflanzung nach Gauß angewandt,
da es sich bei allen genutzten Gleichungen um Produkte oder Quotienten handelt. Hierbei
addieren sich die relativen Fehler der Einzelmessungen vektoriell (Durner, 2005, S. 24). Für
den konstanten Überstau ergibt sich:

k f  Q 2  ABoden 2  L2  h 2                                                    (15)



Bei Potenzen vervielfachen sich die Fehler entsprechend ihrer Potenz (Durner, 2005, S. 24).
Für die Fläche der Bodensäule (und auch der Bürette) ergibt sich:

A  2  d                                                                               (16)




7. Ergebnisse


7.1 Versuch bei konstantem Überstau


Hierbei ergibt sich für die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit ein Wert von 0,000083 ms–1.
Dieser wurde in Tab.3 in eine handlichere Einheiten (cmh–1) umgerechnet. Zusätzlich sind
zur Berechnung relevante Messgrößen und ihre Fehler eingetragen.



Tab.6: Messwerte und deren Fehler sowie die gesättigte Leitfähigkeit kf der Messung bei
       konstantem Überstau, Probe: C-Horizont eines Podsols.

        Variable              Symbol            Wert          Abs. Fehler ∆     Rel. Fehler δ
Durchmesser Bodensäule           d             9,5 cm            0,05 cm          0,53 %
   Fläche Bodensäule           ABoden         80 cm2            0,75 cm2          1,05 %
   Länge Bodensäule             ∆L            15,0 cm            0,05 cm          0,33 %
    Potentialdifferenz          ∆h            22,0 cm             0,1 cm          0,45 %
Stationäre Durchflussrate       Q         52,00 cm3min–1     0,003 cm3min–1      0,0064 %
 Gesättigte Leitfähigkeit       kf           30 cmh–1           0,4 cmh–1         1,30 %
27                                           Gruppe 6b, SS2006, V2: Gesättigte Wasserleitfähigkeit

7.2 Versuch bei fallendem Überstau


Hierbei nimmt der Wasserdruck auf die Bodensäule mit der Zeit ab. Dies wird in der
Berechnung durch den Logarithmus des Quotienten von je zwei Potentialdifferenzen
berücksichtigt. Genutzt wurden hierbei jeweils die ersten und letzten Messwerte der drei
Messungsreihen des fallenden Überstaus. Tab.7 enthält alle für die Berechnung relevanten
Größen und deren Fehler sowie die jeweiligen Werte für die gesättigte Leitfähigkeit.




Tab.7: Messwerte und deren Fehler sowie die gesättigte Leitfähigkeit kf der Messung bei
       fallendem Überstau, Probe: C-Horizont eines Podsols.

         Variable              Symbol                Wert         Abs. Fehler ∆     Rel. Fehler δ
 Durchmesser Bodensäule           d                 9,5 cm          0,05 cm           0,53 %
   Fläche Bodensäule            ABoden              80 cm2          0,75 cm2          1,05 %
    Länge Bodensäule             ∆L                15,0 cm          0,05 cm           0,33 %
    Fläche der Bürette         ABodensäule         12,0 cm2         0,31 cm2          2,58 %

       Zeitdifferenz I          ti i 1           330 s              0,5 s           0,15 %
     Potentialquotient I          ht                 3,7               0,02            0,69 %
                                       i
                                 ht
                                      i 1

       Zeitdifferenz II         ti i 1           330 s              0,5 s           0,15 %
     Potentialquotient II         ht                 3,5              0,003            0,086 %
                                       i
                                 ht
                                      i 1

       Zeitdifferenz III        ti i 1           330 s              0,5 s           0,15 %
     Potentialquotient III        ht                 3,6              0,002            0,056 %
                                       i
                                 ht
                                      i 1

Gesättigte Leitfähigkeit I        kf1             32 cmh–1           1 cmh–1           2,89 %
Gesättigte Leitfähigkeit II       kf2             31 cmh–1           1 cmh–1           2,81 %
Gesättigte Leitfähigkeit III      kf3             31 cmh–1           1 cmh–1           2,81 %
Mittelwert der gesättigten        kf              31 cmh–1           1 cmh–1           2,84 %
       Leitfähigkeit
28                                                            Gruppe 6b, SS2006, V2: Gesättigte Wasserleitfähigkeit

Die Abnahme der hydraulischen Potentialdifferenz mit der Zeit verläuft exponential. Daher
lässt er sich mithilfe einer e-Funktion darstellen (Abb.6). Die Gleichung der Funktion lautet:

f ( x)  69  e 0, 207795 x                                                                                  (17)

Die Konstante 69 beschreibt hierbei den Y-Achsenabschnitt und damit den höchsten
Büretten-Wasserstand. Die Konstante im Exponent wurde aus dem mittleren Messwert
berechnet, indem einfach angenommen wurde, die Werte gehorchen einer e-Funktion. Der x-
Wert muss in Minuten eingeben werden, der y-Wert beschreibt die Potentialdifferenz in cm.
Die gemessenen Werte sind zusätzlich als Vergleich in die Grafik eingetragen.




                                                               Messwerte          e-Funktion
                 Potentialdifferenz [cm] .




                                             80

                                             60

                                             40

                                             20

                                             0
                                                  0   1   2          3        4           5    6       7
                                                                     Zeit [min]


Abb.6: Zeitliche Abnahme des natürlichen Logarithmus der Potentialdifferenz bei der
       Messung der gesättigten Leitfähigkeit mit fallendem Überstau..




8. Diskussion

In diesem Versuch sollte die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit eines C-Horinzontes von
einem Podsol gemessen werden. Dabei wurden zwei verschiedene Methoden angewandt; der
konstante und der fallende Überstau. Dabei wurden beim fallenden Überstau drei Messreihen
angefertigt, womit sich drei Werte für die gesättigte Leitfähigkeit berechnen ließen, welche
dann gemittelt wurden (Tab.7). Es wurde der relative und absolute Fehler von jeder für die
Berechnung nötigen Messgröße ermittelt und in Tab.6 und Tab.7 mit aufgelistet. Bei der
Bestimmung der gesättigten Leitfähigkeit mit der Methode des konstanten Überstaus besitzt
der Fehler von der Fläche der Bodensäule den größten Anteil am Gesamtfehler. Der
Gesamtfehler ist mit 1,3 % jedoch sehr gering (siehe Tab.6).
29                                    Gruppe 6b, SS2006, V2: Gesättigte Wasserleitfähigkeit

Bei der Bestimmung der gesättigten Leitfähigkeit mit der Methode des fallenden Überstaus
sticht der Fehler der Fläche der Bürette besonders heraus, was sich direkt auf den
Gesamtfehler auswirkt. Dieser ist mit 2,84 % jedoch ebenfalls relativ klein (siehe Tab.7).
Insgesamt ist der relative Fehler von allen berechneten gesättigten Leitfähigkeiten in einem
kleinen Rahmen. Dies wird auch deutlich, wenn die einzelnen Werte für die gesättigte
Leitfähigkeit, die mit der Methode des fallenden Überstaus gewonnen wurde, verglichen
werden: Einmal 32 cmh–1 und zweimal 31 cmh–1. Es ergibt sich ein Unterschied von nur 3,1
%, welcher in derselben Größenordnung wie der relative Fehler des Mittelwertes liegt. Auch
der Unterschied zwischen dem Ergebnis des fallenden (31 cmh–1) und des konstanten (30
cmh–1) Überstaus beträgt nur 3,2 %, was ebenfalls in der Größenordnung der berechneten
Fehler liegt. Durch die kleine Menge an Wasser, welches bei der Methode des konstanten
Überstaus an undichten Stellen ausgetreten ist, wird dieser Wert etwas niedriger sein, als ohne
Wasseraustritt gemessen werden würde. Daher ist der mit 30 cmh–1 um 1 cmh–1 kleinere Wert
des konstanten Überstaus im Vergleich zu dem Wert der gesättigten Leitfähigkeit des
fallenden Überstaus zum Teil zu erklären. Andere Faktoren, die die Messgenauigkeit
mindern, sind Ablesefehler an dem Wasserstand der Bürette und an dem Gewicht
Wassermenge, die bereits durch die Bodensäule geflossen ist, und auf der Waage gewogen
wird. Insgesamt ist dies jedoch als minimal einzuschätzen und damit sollte unser gewonnene
Messwert von 30,5 cmh–1 +- 1,5 cmh–1 relativ genau sein. Trotzdem sollte man bedenken,
dass bei der Methode des fallenden Überstaus nur 3 Messungen durchgeführt wurden und bei
der Methode des konstanten Überstaus lediglich eine Messung angestellt wurde. Dies mindert
unseren statistischen Mittelwert der gesättigten Wasserleitfähigkeit, da für einen guten
Mittelwert weitaus mehr Messungen hätten durchgeführt werden müssen, welche unter
Umständen auch über einen längeren Messzeitraum (beim konstanten Überstau) gemessen
werden sollten. Weiterhin ist laut Scheffer/Schachtschabel (1998, S. 195) die gesättigte
Wasserleitfähigkeit die mit Abstand am meisten streuende physikalische Bodeneigenschaft.
Dennoch liegt der von uns bestimmte Wert in einer guten Übereinstimmung mit den
Literaturwerten. So liegt die gesättigte Wasserleitfähigkeit von Sandböden zwischen 1440
cmh-1 und 14,4 cmh–1 (Scheffer/Schachtschabel, 1998, S. 194). Alleine an dieser immens
weiten Spanne wird deutlich wie unterschiedlich die Wasserleitfähigkeit bei derselben
Bodenart sein kann. Per Fingerprobe wurde von uns für unsere Bodenprobe (ein C-Horizont
eines Podsols) die Bodenart Reinsand (Ss) festgestellt. Somit lässt sich anhand der Körnung
auf die Wasserleitfähigkeit schließen (und umgekehrt). Ein Sandboden hat im gesättigten
Zustand die größte Wasserleitfähigkeit (im Vergleich zu den anderen Bodenarten). Mit
steigender Wasserspannung sinkt die (nun ungesättigte) Wasserleitfähigkeit von Sandböden
unterhalb der von Schluffböden, schließlich auch unterhalb der von Tonböden
(Scheffer/Schachtschabel, 1998, S. 194). Dies liegt an den Grobporen der Sandböden. Im
gesättigten Zustand leiten diese viel Wasser. Jedoch werden diese im zunehmend
ungesättigten Zustand auch als erstes entleert und mit Luft gefüllt, was die
Wasserleitfähigkeit sehr schnell mindert. Schluffböden enthalten weniger Grobporen, haben
damit im gesättigten Zustand eine kleinere Wasserleitfähigkeit als Sandböden, jedoch werden
die Poren nicht so schnell entleert (Scheffer/Schachtschabel, 1998, S. 194). Eine Stufe weiter
gehen die Tonböden, hier sind fast ausschließlich Feinporen vertreten. Die
Wasserleitfähigkeit ist somit nicht von der Wasserspannung, sondern vom Wassergehalt
abhängig (Scheffer/Schachtschabel, 1998, S. 194).
30   Gruppe 6b, SS2006, V2: Gesättigte Wasserleitfähigkeit
31                                 Gruppe 6b, SS2006, V3: Ungesättigte Wasserleitfähigkeit



Versuch 3: Ungesättigte Wasserleitfähigkeit

9. Einführung

Das Wasser im Boden ist selten in einem statischen Gleichgewicht, weil Niederschläge und
Evapotranspiration das Einstellen eines Potentialgleichgewichts immer wieder unterbrechen.
Es ist vielmehr meist in Bewegung, und zwar stets in Richtung auf das niedrigste Potential.
Dies gilt sowohl für den wassergesättigten Zustand im Einflussbereich des Grund- und
Stauwassers, als auch für den nicht gesättigten Bereich oberhalb einer Grundwasseroberfläche
(GWO). Das Ausmaß der Wasserbewegung ist abhängig von dem antreibenden
Potentialgefälle und der Wasserleitfähigkeit des Bodens (Scheffer/Schachtschabel, 1998, S.
191).


Das Ziel dieses Versuches ist es die ungesättigte Wasserleitfähigkeit einer Bodenprobe in
Abhängigkeit vom Matrixpotenzial zu bestimmen. Sowohl gesättigte als auch die ungesättigte
Wasserleitfähigkeit sind wichtige Kenngrößen eines Bodens. Sie beeinflussen beispielsweise
Faktoren wie den Transport von Schadstoffen und Nährstoffen.


Wasserpotential setzt sich zusammen aus Gravitations-Potential, Matrix-Potential und
osmotischem Potential. Wird feuchtem Boden Wasser durch Pflanzenwurzeln oder
Evaporation von der Bodenoberfläche entzogen, erfolgt gleichfalls Bewegung des
Haftwassers entlang Saugspannungsgradienten von feuchten zu trockenen Zonen. Mit
abnehmendem Wassergehalt (Entleerung der Poren, bei den größten beginnend) sinkt die
Permeabilität rasch, da Wasserbewegung auf immer kleinere Poren, zuletzt auf
Adsorptionswasserfilme, beschränkt wird (Schröder, 1978, S. 78, S. 53 f).


Während bei der gesättigten Wasserbewegung alle groben Poren mit Wasser gefüllt sind und
Wasser leiten, nimmt bei der ungesättigten Wasserbewegung der leitende Querschnitt mit
abnehmendem Wassergehalt ab. Von einem maximalen (gesättigten) kf-Wert ausgehend, fällt
ku mit steigender Saugspannung ab, und zwar anfangs stärker, d.h. nichtlinear. (Kuntze, 1994,
S. 179)
32                                    Gruppe 6b, SS2006, V2: Gesättigte Wasserleitfähigkeit

10. Materialien und Methoden

10.1   Materialien


Wir haben eine ungestörte Podsol- Probe aus dem C-Horizont untersucht, die wir auch schon
im Versuch 2 untersucht haben. Diese wurde vorher mit entgastem Wasser, dem Algizid
zugesetzt war, gesättigt. Daher ist nicht nur die Vergleichbarkeit der Werte gegeben, sondern
auch die Voraussetzung, dass die Probe bereits gut wassergesättigt ist.



10.2   Versuchsdurchführung


Die Bodensäule wurde auf eine Glassinterplatte aufgebracht, die mit einer regelbaren
hängenden Wassersäule verbunden war. Die hängende Wassersäule wurde zu Versuchsbeginn
auf h = 0 cm gesetzt. Auf die Oberseite der Bodensäule haben wir zu Messbeginn ein
Tensionsinfiltrometer aufgesetzt. Dieses Infiltrometer bestand aus einer Glashaube mit einer
eingegossenen Glassinterplatte, deren Rückseite zur Wasserversorgung an eine Mariottsche
Flasche angeschlossen war. Der Wasserdruck auf Höhe der Platte war durch die Kapillare der
Mariottschen Flasche geregelt, wobei dieser durch die eingestellte Kapillarhöhe dem Druck
der hängenden Wassersäule am unteren Rand der Säule entsprechen musste. Durch die
Höhenregelung des Säulenunterbaus konnte nun die Säule gehoben werden, wobei die Drücke
sowohl am unterem als auch am oberen Säulenrand simultan der Hebung reduziert wurden.
Wir haben sowohl die Zufluss- als auch die Abflussrate bestimmt. In bestimmten
Zeitabständen haben wir den Wasserstand der Mariottschen Flasche abgelesen und den
Ausfluss gewogen. Zur Berechnung der ungesättigten Wasserleitfähigkeit des angelegten
Matrixpotentials benötigten wir stationäre Bedingungen, welche erreicht waren, wenn die
Zufluss- gleich der Abflussrate war (Durner und Nieder, 2006). Den stationären Verlauf
erkennt man, an dem konstanten Ausstrom aus der Säule. Um die Werte direkt umrechnen zu
können, haben wir eine Dichte des Wassers von 1 g*cm-3 vorausgesetzt.




Abb. 7: Experimenteller Aufbau des Unit-Gradient Versuchs zur Bestimmung der
       ungesättigten Wasserleitfähigkeit aus Durner und Nieder ( 2006).
33                                  Gruppe 6b, SS2006, V3: Ungesättigte Wasserleitfähigkeit

11. Auswertung/Ergebnis


In Tab. 8 sind die verwendeten Messergebnisse eingetragen, bei denen stationäre Verhältnisse
vorlagen und die Zu- und Abflussraten konstant waren. Die nicht verwendbaren Messdaten
sind hier nicht enthalten (siehe angeheftetes Datenblatt).



Tab. 8: Verwendete Messergebnisse der ungesättigten Wasserleitfähigkeit.


                             Matrixpotential   Zufluss [ml/d]    Abfluss [ml/d]
                                   -1               66240        65433,6
                                   -1               66240        65203,2
                                   -1               66240        65347,2
                Mittelwert         -1               66240        65328,0
                                   -5               63360        65404,8
                                   -5               66240        65462,4
                                   -5               66240        65491,2
                Mittelwert         -5               65280        65452,8
                                   -7               60480        61113,6
                                   -7               63360        61142,4
                                   -7               60480        61084,8
                Mittelwert         -7               61440        61113,6
                                  -15               57600        57427,2
                                  -15               57600        57139,2
                                  -15               57600        56793,6
                Mittelwert        -15               57600        57120,0


Die ungesättigte Wasserleitfähigkeit ku(ψ) errechnet sich unter „Unit Gradient“-
Voraussetzungen (Δh/LBoden = -1) nach Gleichung 1 unmittelbar aus der Durchflussrate
(welche wegen der stationären Bedingungen der Abflussrate entspricht) Durner und Nieder
(2006).

                        Qw
k u ( )  q w ( )                                                                    (18)
                         A
34                                   Gruppe 6b, SS2006, V2: Gesättigte Wasserleitfähigkeit

mit
qw = Darcy- Fließgeschwindigkeit in der Bodensäule (cm d-1)
Qw = Wasserfluss (cm3d-1)
A = Querschnittsfläche der Bodensäule (cm2)
Die Querschnittsfläche der Bodensäule beträgt wie in Versuch 2 A = 70,88 cm2.




Tab. 9: Die Wasserleitfähigkeit k bei verschiedenen Matrixpotentialen.

                   Matrixpotential    Abfluss [ml/d]           pF          k (Ψ) [cm/d]
                         -1              65433                  0              923
                         -1              65203                  0              920
                         -1              65347                  0              922
      Mittelwert         -1              65328                  0              922
                         -5              65404                 0,7             923
                         -5              65462                 0,7             924
                         -5              65491                 0,7             924
      Mittelwert         -5              65452                 0,7             923
                         -7              61113                0,85             862
                         -7              61142                0,85             863
                         -7              61084                0,85             862
      Mittelwert         -7              61113                0,85             862
                        -15              57427                1,18             810
                        -15              57139                1,18             806
                        -15              56793                1,18             801
      Mittelwert        -15              57120                1,18             806


Für die Wasserspannungskurve (Abb. 8), tragen wir die Mittelwerte der ungesättigten
Wasserleitfähigkeit ku über dem Matrixpotential auf. Dadurch dass wir die Kurve in Abb. 8
über dem Matrixpotential und nicht über der Wasserspannung pF auftragen, können wir die
Werte für die gesättigte Wasserleitfähigkeit aus Versuch 2 mit einbeziehen.

kf „constant head“ = 720 cm/d

kf „falling head“ = 752 cm/d
35                                   Gruppe 6b, SS2006, V3: Ungesättigte Wasserleitfähigkeit


                           940
                           920
            k (Ψ) [cm/d]   900
                           880
                           860
                           840
                           820
                           800
                                 0   5             10              15           20
                                     Betrag des Matrixpotentials [cm]


Abb. 8: Wasserspannungskurve der ungesättigten Leitfähigkeit.




12. Diskussion

Die Kurve in Abb. 8 zeigt zunächst in etwa gleich bleibende Werte und dann einen
plötzlichen starken Abfall. Dieser Verlauf ist typisch für einen Sandboden. Zu Beginn des
Versuches hatten wir große Probleme, ein stationäres Verhalten des Ausstroms zu erhalten
(Siehe Anhang). Es hat fast eine Stunde gedauert bis wir einen stationären Ausfluss hatten.
Danach haben wir auf 5cm erhöht und sofort einen stationären Ausfluss erhalten. Bei 7cm
kam es aus bis jetzt ungeklärten Gründen, wieder zu Problemen mit dem stationären
Verhalten. Aus diesen Gründen haben wir die Leitfähigkeit nur 4 Matrixpotentialen messen
können. In Versuch 2 haben wir zur Bestimmung der gesättigten Wasserleitfähigkeit die
„constant head“- Methode und die „falling head“- Methode verwendet .Die so erhaltenen
Werte haben wir zum Vergleich mit dem Ausgangszustand unserer Bodenprobe in diesem
Versuch bei ψm = 0 herangezogen. Diese war anfangs ebenfalls wassergesättigt. In Abb. 8 ist
deutlich zu erkennen, dass die Werte für die „constant head“- und die „falling head“-Methode
nah beieinander liegen, aber von den ungesättigten Werten abweicht. Der Abfall in der
Leitfähigkeitskurve ist beim Matrixpotential -1 und -5 fasst konstant und fällt erst bei
größeren Matrixpotentialen ab. Es ist nicht zu erklären, dass die gesättigte Leitfähigkeit aus
Versuch 2 größer ist als in Versuch 3. Die ungesättigte Wasserleitfähigkeit ku (ψ) wird aus
den Werten vom Abfluss und der Fläche A berechnet. Beide Größen sind mit einem Fehler
behaftet, sodass sich der Fehler von ku (ψ) aus der Fehlerfortpflanzung ergibt. Tab.10 enthält
die Ausgangswerte für die Fehlerrechnung und in Tab.11 sind die Fehler von ku für das
jeweilige Matrixpotential aufgelistet.
36                                     Gruppe 6b, SS2006, V2: Gesättigte Wasserleitfähigkeit

Tab.10: Absoluter und relativer Fehler der Abflüsse bei den verschiedenen Matrixpotentialen,
      sowie Fehler der Fläche der Bodensäule.

                                                     Absoluter   Relativer
                                                      Fehler      Fehler
                                                       [ml]        [%]
                 Abfluss(ψ)      Matrixpotential
                  [ml*d-1]           ψ[cm]
                  65328,0              -1               0,5        0,001
                  65452,8              -5               0,5        0,001
                  61113,6              -7               0,5        0,001
                  57120,0             -15               0,5        0,001
                  Fläche der Bodensäule [cm²]          [cm²]
                     71                                 0,7          1



Tab.11: Nach dem Fehlerfortpflanzungsgesetz errechneter Fehler von ku.

                           ku [cm/d]      Fehler     Relativer
                                          von ku      Fehler
                                                       [%]
                              922           2,4        0,3
                              923           2,4        0,3
                              862           2,3        0,3
                              806           2,2        0,3
37                              Gruppe 6b, SS2006, V4: Org. Substanz und Umsetzungsrate



Versuch 4: Gehalt des Bodens an organischer
Substanz und biologische Umsetzungsrate




13. Einführung


Die Gesamtheit der organischen Bodensubstanz (OBS) wird als Humus bezeichnet. Zur
organischen Substanz der Böden gehören alle in und auf dem Mineralboden befindlichen
abgestorbenen      pflanzlichen  und     tierischen   Stoffe   und    deren     organische
Umwandlungsprodukte. Nach dem Grad ihrer Umwandlung unterteilt man die organische
Substanz des Bodens in Streustoffe und Huminstoffe. Der Humus ist einerseits im Boden mit
dem Mineralkörper vermischt sowie teilweise auch an die Mineralsubstanz gebunden und
bildet andererseits zusammen mit den Streustoffen den Auflagehumus vieler Böden. Lebende
Organismen (Edaphon) sowie lebende Wurzeln zählen nicht zur organischen Substanz der
Böden (Scheffer/Schachtschabel, 1998, S. 45 f).
Die organische Bodensubstanz besteht hauptsächlich aus C, H, N, O, P, S. Diese Elemente
kommen im Boden auch in anorganischen Verbindungen vor. Eine analytische Trennung
zwischen den organischen und anorganischen Komponenten ist lediglich für Kohlenstoff und
bedingt für Stickstoff möglich. Das bedeutet, dass der organische Kohlenstoff der einzig
geeignete Maßstab für den Humusgehalt eines Bodens ist (Capriel, 2003).
Gelangt organische Substanz auf oder in den Boden, erfolgt ein teilweiser Abbau unter
Freisetzung von CO 2 . Man spricht von Bodenatmung. Der Abbau der organischen Substanz
wird stark beeinflusst von der Temperatur, dem pH-Wert, der Bodenfeuchte, dem
Vorhandensein von Sauerstoff und Nährstoffgehalten, welche für die Aktivität von
Mikroorganismen verantwortlich sind (Kuntze et al., 1994, S. 134). Der Vorgang der
Bodenatmung spielt im globalen Kohlenstoff-Kreislauf eine wichtige Rolle. Mit der
Bodenatmung gelangt ein wesentlicher Teil des photosynthetisch gebundenen kohlenstoffes
in die Atmosphäre zurück (Durner und Nieder, 2006, S. 33). Im Versuch wird der
Bodenkohlenstoffgehalt zur Bestimmung der organischen Substanz des Bodens ermittelt.
Dabei muss beachtet werden, dass sich ein hoher Anteil anorganischen Kohlenstoffs,
gebunden in CaCO3 , verfälschend auf den organischen Kohlenstoffanteil auswirkt. Bei der
Verbrennung der Proben zur Bestimmung des organisch gebundenen Kohlenstoffs wird auch
das anorganisch gebundene C in Form von CO 2 freigesetzt. Zur Ermittlung des C org. –
Gehaltes von carbonathaltigen Böden muss daher der carbonatisch gebundene Kohlenstoff
vom Gesamt-C subtrahiert werden (Durner und Nieder, 2006, S. 33).
In einem weiteren Versuch wird die Adsorptionsmethode nach Isermeyer durchgeführt, bei
der eine CO 2 -Bestimmung mit Hilfe einer Lauge (Barythlauge) erreicht werden soll.
38                              Gruppe 6b, SS2006, V4: Org. Substanz und Umsetzungsrate

14. Materialien und Methoden


14.1   Materialien


Für die Durchführung des Versuches wurden sieben zu untersuchende Bodenproben zur
Verfügung gestellt: Löß-Ah-Material, Kolluvium-Ah-Material, Rendzina-Ah-Material,
Podsol-Ahe-Material, Podsol-Ae-Material, Podsol-Bs-Material, Podsol-C-Material.
Zudem wurden zwei Kalziumcarbonat-Proben vorbereitet, um Vergleichswerte
herauszuarbeiten und das Messgerät auf Funktionstüchtigkeit zu überprüfen.
Außerdem wurden vorgeglühte und abgekühlte Schiffchen bereitgestellt, in denen man die
Proben abwiegen sollte.
Für den zweiten Versuch (Isermeyer) wurden zwei kleine Wannen mit Böden vorbereitet,
einmal Podsol-Ahe-Material und einmal Kolluvium-Ah-Material. Desweiteren standen eine
Pumpe und eine Abdeckhaube zur Verfügung. Außerdem wurde 0,1 m Ba(OH) 2 sowie 0,1 m
HCl benötigt.


Tab.12: Horizontmächtigkeiten der Bodenproben.

                           Probe          Horizontmächtigkeit [cm]
                         Löss Ah                     7
                       Kolluvium Ah                 10
                       Rendzina Ah                   8
                         Pod Ahe                    18
                          Pod Ae                    15
                          Pod Bs                    15
                           Pod C                    20




14.2   Versuchsdurchführung


Teilversuch 1: Gehalt des Bodens an organischer Substanz
Zu Beginn des Versuches müssen die Bodenproben jeweils zweimal abgemessen und in die
geglühten und abgekühlten Schiffchen eingewogen werden.
39                              Gruppe 6b, SS2006, V4: Org. Substanz und Umsetzungsrate

Tab.13: Bodenproben und jeweils abzumessende Mengen (Idealwerte; tatsächlich gemessene
      Menge siehe Tab. 3).

                               Probe            Menge in [mg]
                             Löss Ah                 10
                           Kolluvium Ah              10
                           Rendzina Ah               10
                             Pod Ahe                 25
                              Pod Ae                100
                              Pod Bs                200
                               Pod C                200
                              CaCO3                  10


Danach werden die Schiffchen nacheinander in den Coulomat 701 gegeben. Der Coulomat ist
ein Gerät zur Bestimmung organischer Kohlenstoffgehalte.
Die Schiffchen werden in den Verbrennungsofen des C-Analysators eingeschoben. Bei ca
1350°C und unter Sauerstoffzufuhr wird der Kohlenstoff zu Kohlendioxid verbrannt. Das
Kohlendioxid wird in ein mit Bariumperchlorat–Lösung gefülltes Titriergefäß geleitet. Das
CO2 wird absorbiert, wodurch der pH–Wert der Lösung sinkt. Es wird automatisch mit einer
elektrolytisch erzeugten Ba(OH)2          auf den pH – Ausgangswert zurück titriert. Die
verbrauchte Elektrizitätsmenge stellt die Meßgröße für den Kohlenstoffgehalt dar (Durner und
Nieder, 2006, S. 34).
Es werden Impulse gemessen, mit deren Hilfe der Versuch ausgewertet werden kann.
Vorweg soll mit zwei Kalziumcarbonatproben die Funktionstüchtigkeit des Gerätes überprüft
werden. Man legt also als erstes die CaCO3-Proben ein, der berechnete C-Gehalt sollte
zwischen 11,6 und 12,2 % liegen.




Teilversuch 2: Adsorptionsmethode nach Isermeyer


Man füllt 50 ml 0,1 M Ba(OH) 2 in eine Weithals-Standflasche und stellt diese auf die
Bodenprobe. Nun wird eine Pumpe an die Flasche angeschlossen, danach wird die Apparatur
durch eine Plastikabdeckhaube abgedeckt und eine Stunde stehen gelassen.
Zudem muss ein Blindwert bestimmt werden, indem 50 ml 0,1 M Ba(OH) 2 in eine
Standflasche gegeben werden und diese an der Luft stehen gelassen wird.
Die Blindprobe wie auch die beiden anderen Proben werden nach einer Stunde jeweils in
einen Erlenmeyerkolben gegeben und mit 0,1 M HCl gegen Phenolphtalein bis zum
Umschlag titriert. Die titrierte Menge HCl wird zur Berechnung des CO2-Gehaltes benötigt.
40                                     Gruppe 6b, SS2006, V4: Org. Substanz und Umsetzungsrate

14.3       Auswertung


Für Teilversuch 1 wurden die Kohlenstoffgehalte, die Kohlenstoffmenge sowie die
Humusgehalte und -mengen errechnet. Für Teilversuch 2 wurden die Mengen an CO 2 pro
Flächen- und Zeiteinheit errechnet.
Für die Berechnung der benötigten Größen wurden folgende Formeln verwendet:


Teilversuch 1:


Berechnung des C-Gehaltes: C % = Impulse*0,02/Einwaage (mg)


Berechnung des Humusgehalts: Humusgehalt = C-Gehalt*1,72


Berechnung der Kohlenstoffmenge: Menge C (t/ha) = 10000 * M * D * C (%) /100


                                          M = Mächtigkeit des Horizonts
                                          D = Dichte des Horizonts (1,5 g/cm 3 )


Berechnung der Humusmenge:
Menge Humus (t/ha) = 10000 * M * D * Humusgehalt (%) /100




Teilversuch 2:



M CO2 (mg / m2  h)  WC  F  X HCl / CO2   HCl                                        (19)



Wobei
M CO2            entwickelte Menge CO 2 pro Flächen- und Zeiteinheit

WC               Atomgewicht von C                      = 12

F                Umrechnungsfaktor auf m 2              = 10000 cm 2 /685,5 cm 2
X HCl / CO 2     Molverhältnis HCl/CO 2                 = 0,5
 HCl            Differenz Messung-Blindwert            Differenz in ml
41                                     Gruppe 6b, SS2006, V4: Org. Substanz und Umsetzungsrate

M CO2 (t / ha  a)  M CO2 (mg / m2  h)  F2  F3  F4  F5                                      (20)

M CO2            entwickelte Menge CO 2 pro Flächen- und Zeiteinheit

F2               Umrechnungsfaktor m 2 /ha                     = 10 4 m 2 ha 1

F3               Umrechnungsfaktor mg t                        = 10 9 t mg 1

F4               Umrechnungsfaktor h a                         = 8760 h a 1
F5               Temperaturkorrektur                           = 0,5




15. Ergebnisse


Teilversuch 1:



Tab.14: Ergebnisse des Kohlenstoff- und Humusgehaltes.

     Probe      Einwaage         Counts             C           C-Menge        Humusgehalt Humusmenge
                  [mg]                            [%]            [t/ha]           [%]         [t/ha]
  CaCO3           10,0            5633            11,3
  CaCO3            9,9            5236            10,6
Kolluvium         10,3            3718             7,2           108,30           12,42      186,30
    Ah
Kolluvium           9,8           3929            7,9            119,10           13,66      204,90
    Ah
Rendzina           10,0           4196            8,4            100,68           14,43      173,16
    Ah
Rendzina            9,9           3769            7,6             91,32           13,09      157,08
    Ah
 Löß Ah            10,5           2488             4,7            49,77           8,15        85,58
 Löß Ah             9,7           2416             5,0            52,29           8,57        89,99
 Pod Ahe           25,2           7471             5,9           160,11           9,12       246,24
 Pod Ahe           25,3           7336             5,8           156,60           9,98       269,46
 Pod Ae           100,5           5088             1,0            22,73           1,74        39,15
 Pod Ae           100,3           5446             1,1            24,30           1,86        41,85
  Pod Bs          200,0           2894             0,3             6,53           0,50        11,25
  Pod Bs          200,5           2989             0,3             6,75           0,52        11,70
  Pod C           200,0            421            0,04             1,20           0,07         2,10
  Pod C           200,4            366            0,04             1,11           0,06         1,80
42                                Gruppe 6b, SS2006, V4: Org. Substanz und Umsetzungsrate

In Tabelle Tab.14 werden die Kohlenstoff- und Humusgehalte sowie die Kohlenstoff- und
Humusmengen der verschiedenen Bodenproben aufgelistet.
Die Humusgehalte wurden aus den ermittelten Kohlenstoffgehalten errechnet.


Der Podsol Ahe weist die höchsten Kohlenstoff- und Humusmengen auf, wenngleich die
Rendzina und das Kolluvium die höheren C- und Humusgehalte aufweisen.
Beim Podsol nehmen die Werte vom Pod-Ahe-Material zum Pod-C-Material hin stark ab.




Teilversuch 2:



Tab.15: Ergebnisse der CO 2 - Bestimmung nach Isermeyer.

     Probe       Verbrauch HCl [ml]   Menge CO2 [mg C/m2*h]       Menge CO2 [t C/ha*a]

 Blindwert              4,5                      -                            -
     Podsol
      Ahe               3,0                    128,16                        5,61
Kolluvium
   Ah                   3,1                    119,38                        5,22


Wie erwartet wurde bei der Titrierung des Blindwertes die meiste Menge HCl benötigt, da die
Blindprobe im Vergleich zu den beiden behandelten Proben basischer ist.
Die biologische Umsetzungsrate sowie die zugefügte Menge HCl sind bei beiden Böden sehr
ähnlich.
Titriert wurde mit 0,1 M HCl, zur Berechnung wurde 1,0 M HCl herangezogen, die Werte
dementsprechend umgerechnet.
43                               Gruppe 6b, SS2006, V4: Org. Substanz und Umsetzungsrate

16. Diskussion


Teilversuch 1:


Kolluvium besteht aus umgelagertem Bodenmaterial, ist durch fluviale oder äolische
Abtragungsvorgänge entstanden. Das bedeutet, Kolluvium ist zusammengesetzt aus humus-
und nährstoffreichem Oberbodenmaterial.
Im Versuch hat Kolluvium mit den höchsten Kohlenstoff- sowie Humusgehalt.


Die typische Rendzina besitzt einen oft humos- und skelettreichen, krümeligen Ah-Horizont
über einem festen oder lockeren Carbonat oder Gipsgestein (Scheffer/Schachtschabel, 1998,
S. 422).
Auch die Rendzina weist im Versuch neben dem Kolluvium die höchsten Kohlenstoff- und
Humusgehalte auf, da jedoch anorganischer Kohlenstoff im Carbonat enthalten ist, müsste
dieser vom Gesamtkohlenstoffgehalt abgezogen werden, um ein Ergebnis für den organischen
Kohlenstoffgehalt zu erhalten.
Löß ist ein äolisch transportiertes Material. Es besteht zum größten Teil aus Quarzkörnern, ist
carbonathaltig und gelblich gefärbt. Der Carbonatgehalt liegt (für Löß in mitteldeutschen
Böden) bei ca 10 % (gültig für C-Horizonte mit pedogenetisch nicht verändertem Material).
Die errechneten Werte für den Kohlenstoffgehalt liegen aber deutlich unter dem theoretischen
Wert von 10%. Dies kann daran liegen, dass die Kohlenstoffgehalte durch
Auswaschung/Entkalkung geringer geworden sind.
Der Podsol ist ein saurer, an Nährstoffen armer bzw. verarmter Bodentyp in einem
feuchtkalten oder feuchtgemäßigten Klima. Er entsteht durch Auswaschung und damit starker
Versauerung des Bodens. Unter einer teils mächtigen Humusauflage folgen Horizonte, die
kaum organische Substanz enthalten.
Die Werte für Kohlenstoff- und Humusgehalt bestätigen dies, der Podsol Ahe weist
gegenüber den anderen Podsol-Horizonten ein relativ hohes Humusgehalt auf. Die Werte
nehmen in die Tiefe, d.h. von A zum C-Horizont hin ab. Zudem versauert der Podsol
zunehmend, da er durch besondere Bedingungen (Klima, Vegetation mit nährstoffarmen
Rückständen) gekennzeichnet ist und wenig organische Substanz zugeführt bekommt.




Teilversuch 2:


Der CO 2 - Gehalt der Luft ist in Böden in der Regel höher als in der Atmosphäre, weil CO 2
durch die Atmung der Wurzeln und des Edaphons erzeugt wird. Es ist daher in tiefen
Horizonten höher als nahe der Bodenoberfläche, bei feinkörnigen Böden höher als bei
grobkörnigen, bei nassen Böden höher als bei trockenen und in Jahreszeiten mit lebhafter
44                              Gruppe 6b, SS2006, V4: Org. Substanz und Umsetzungsrate

biologischer Aktivität im Boden höher als in Jahreszeiten mit trägem Bodenleben
(Scheffer/Schachtschabel, 1998, S. 219).
Die CO 2 - Entwicklung steigt mit der Zufuhr organischer Stoffe zum Boden. Die gemessenen
und errechneten Werte an entwickeltem CO 2 für das Pod-Ahe-Material sowie das
Kolluvium-Ah-Material liegen relativ nah beieinander, wobei der Podsol sogar größere
Mengen an CO 2 aufweist. Dies ist auch mit den in Teilversuch 1 ermittelten Werten für die
Kohlenstoff- und Humusmächtigkeiten vereinbar, da das Kolluvium und das Pod-Ahe-
Material relativ reich an organischer Substanz sind.


Da die Umsetzungsrate lediglich eine Stunde im Labor gemessen wurde, lässt sich kein
Vergleich mit Böden in der Natur anstellen, da diese auch gewissen Umständen
(Niederschläge, Temperaturen) unterliegen, welche die CO 2 -Entwicklung beeinflussen.


Fehlerbetrachtung:


In Teilversuch 1 wurde zwei Mal der C-Gehalt von Kalziumcarbonat bestimmt, welcher
zwischen 11,6% und 12,2% liegen sollte. Dieser Wert diente zur Überprüfung der
Funktionstauglichkeit des Coulomats. Die ermittelten Werte lagen jedoch unter den
geforderten, trotzdem wurde mit der Versuchsdurchführung fortgefahren. Daher werden wohl
auch die übrigen Messwerte mit Fehlern behaftet sein. Zudem können Verunreinigungen der
Schiffchen, falsches Einlegen in den Coulomat und Fehler der Teilnehmer (zu spätes
Einschalten des Impulszählers) zu verfälschten Ergebnissen führen. In Teilversuch 2 liegen
mögliche Fehlerquellen bei der Titrierung der Barythlauge mit HCl, d.h., dass der
Umschlagpunkt eventuell nicht genau bestimmt wurde.
45                         Gruppe 6b, SS2006, V5: pH-Wert, Kalkbedarf und Leitfähigkeit



Versuch 5: pH-Wert, Kalkbedarf, elektrische
Leitfähigkeit und Elektrolytkonzentration




17. Einführung

17.1   pH-Wert


Der pH-Wert eines Bodens, der mit vielen Eigenschaften der Böden in mehr oder weniger
enger Beziehung steht und überdies leicht gemessen werden kann, ist einer der wichtigsten
und am häufigsten verfügbaren Kenngrößen der Böden, die daher auch zur Einteilung der
Böden verwendet wird (Scheffer und Schachtschabel, 1998, S. 111).
Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der H+-Ionen-Konzentration. Im Laufe
der Bodenentwicklung nimmt die Konzentration an H+-Ionen in den meisten Böden mit der
Zeit zu, weil ihnen mehr Protonen zugeführt werden, als sie neutralisieren können (nach
Scheffer und Schachtschabel, 1998). Der Boden versauert.



17.2   Kalkbedarf


Der Kalkbedarf, eine auf die Base CaO oder CaCO3 bezogene Basenneutralisationskapazität
(BNK), lässt sich dagegen nicht aus dem pH-Wert des Bodens ableiten, da dieser nur einen
Teil der Gesamtacidität erfasst (Scheffer und Schachtschabel, 1998, S. 111).
So werden bei Sandböden niedrigere pH-Werte angestrebt als bei schluffigen oder tonigen
Böden. Das liegt daran, dass die organische Substanz in Sandböden kaum mit den
Sandkörnern selbst verbunden ist. Wäre der pH-Wert zu hoch, würde sich ein reges
Bodenleben entwickeln und den gesamten Humus im Boden abbauen. Das ist nicht
erwünscht, weil bei Sandböden die Humuspartikel im Vergleich zu den Sandpartikeln einen
viel größeren Anteil an Nährstoffen (Scheffer und Schachtschabel, 1996, S. 63) und Wasser
(Scheffer und Schachtschabel, 1996, S. 203) speichern können.
Bei tonigen Böden hingegen ist die organische Substanz durch Adsorption an Tonmineralen
und Sesquioxiden und die Bildung stabiler Aggregate teilweise gegen den Abbau geschützt.
Daher liegt der pH-Wert für maximale Erträge bei diesen Böden höher. Der angestrebte pH-
Wert bei Sandböden liegt bei 5,5, bei Tonböden bei 6,5 (Durner und Nieder, 2006, S. 41).
In der Landwirtschaft wird angestrebt, den Boden auf einem bestimmten pH-Niveau zu
halten, um maximale Erträge zu erwirtschaften. Dieser Wert richtet sich nach der Bodenart
und ist für jede unterschiedlich (Durner und Nieder, 2006, S.41).
46                           Gruppe 6b, SS2006, V5: pH-Wert, Kalkbedarf und Leitfähigkeit



17.3    Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit


Die elektrische Leitfähigkeit eines Bodens ist ein Maß für den Salzgehalt des Bodens.
Die Kenntnis des Salzgehaltes eines Bodens ist wichtig, da er viele Prozesse im Boden
beeinflusst. So erschweren erhöhte Salzgehalte Pflanzen die Wasseraufnahme aus dem
Boden, da sie das osmotische Potential anheben. Außerdem können bestimmte Elemente
toxisch wirken, z.B. Cl und B (Scheffer und Schachtschabel, 1998, S. 391).
Will man eine Versalzung von Böden verhindern, sollte man den Salzgehalt regelmäßig
kontrollieren. Bei der Messung sollte die elektrische Leitfähigkeit unter 0,75 mS liegen, was
einem Salzgehalt von etwa 0,05% entspricht (Scheffer und Schachtschabel, 1996, S. 393).


18. Durchführung

Zum Versuch 5 wurden 12 Bodenproben verwendet. Kolluvium, Rendzina, Löß, vier
Horizonte eines Podsols (Pod Ahe, Pod Ae, Pod BS und Pod C) sowie 5 stufenweise
aufgekalkte Ahe-Proben eines Podsols mit den Bezeichnungen Kalk 0 bis 4. Zur Vorbereitung
wurden diese Proben gesiebt, um den Skelettanteil zu entfernen und später bei 105°C
getrocknet. So konnte das Porenwasser entfernt werden. Der Kalkbedarf wurde für die Proben
Pod Ahe, Pod Ae, Pod BS und Pod C des Podsols nicht bestimmt.



18.1    Bestimmung des pH-Wertes


10g luftgetrockneter Boden (von 12 Bodenproben) wurden zweimal in Schüttelgefäßen
eingewogen. Eine Gefäß wurde mit 25g ml destilliertem Wasser versetzt und das andere der
Probe mit 25 ml 0,01 M CaCl2-Lösung. Die Proben wurden alle 10 Minuten kurz von Hand
geschüttelt. Nach 1 Stunde wurde der pH-Wert direkt mit der pH-Elektrode und zusätzlich die
Temperatur mit dem Temperaturfühler (PT 100) gemessen.



18.2    Bestimmung des Kalkbedarfs


10g Boden (von 8 Bodenproben) wurden in je eine 100 ml PE-Weithalsflasche mit 25 ml 1 n
Ca-Acetatlösung am Vortag versetzt, gut geschüttelt und über Nacht stehen gelassen. Nach
erneutem Umschütteln wurde der pH-Wert der Suspension gemessen und aus diesem
Ergebnis sowie aus dem bereits bekannten pH- (CaCl2) Wert anhand der folgenden Tabelle
notwendige Kalkmenge ermittelt werden.
47                         Gruppe 6b, SS2006, V5: pH-Wert, Kalkbedarf und Leitfähigkeit

18.3 Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit


Zuerst wurden von den 12 Bodenproben je 25,00 g eingewogen und in 24 unterschiedliche
Plastikflaschen gefüllt. Anschließend wurden in jede Plastikflasche 250 ml destilliertes
Wasser mit Hilfe eines Messzylinders hinzubegeben. Die Plastikflaschen wurden fest
verschlossen und in eine Kiste gelegt. Diese wiederum wurde für 60 Minuten auf einen
Horizontalschüttler gestellt. Vor der Messung der spezifischen Leitfähigkeitswerte der 12
Boden-Suspensionen wurde eine Kalibrierreihe/Standards vermessen.
48                          Gruppe 6b, SS2006, V5: pH-Wert, Kalkbedarf und Leitfähigkeit




19. Ergebnisse

Die von uns ermittelten Werte, habe wir in der Tab.4 aufgelistet. In den Spalten 5 und 7
wurden die berechneten und abgelesenen Werte eingetragen, damit man alle Werte auf eine
Blick hat.


Tab.16: Wertetabelle der Kalibriergeraden: Zusammenstellung der pH-Werte in H2O, CaCl2
und Calciumacetatlösung, sowie der spezifischen Leitfähigkeit, deren KCl-Äquivalent und des
Kalkbedarfes.

                                                                                KCl-
             pH-Wert     pH-Wert       pH-Wert      Kalkbedarf Leitfähigkeit Äquivalent
 Bodenprobe H2O-Lösung CaCl2-Lösung Ca-Acetatlösung dt/ha CaO    [μS/cm]      [mmol/l]
   Kalk 0      4,26        3,40          5,70           90         186,3        1,38
   Kalk 1      5,00        3,78          5,74           78          26,8        0,20
   Kalk 2      5,52        4,73          5,92           15          54,9        0,41
                                                       kein
   Kalk 3      5,94        5,63          5,80         Bedarf       220,0        1,63
                                                       kein
   Kalk 4      6,10        5,76          5,88         Bedarf       171,5        1,27
  Pod Ahe      3,65        2,86           ---           ---         69,8        0,52
   Pod Ae      4,50        3,27           ---           ---         13,4        0,10
   Pod Bs      4,52        4,02           ---           ---          9,4        0,07
    Pod C      4,87        4,23           ---           ---          9,1        0,07
                                                       kein
Kolluvium Ah   6,84        6,70          6,54         Bedarf       370,0        2,74
                                                       kein
Rendzina Ah    6,53        6,32          6,28         Bedarf       440,0        3,26
  Löß Ah       5,08        4,82          5,90          107         220,0        1,63
49                                             Gruppe 6b, SS2006, V5: pH-Wert, Kalkbedarf und Leitfähigkeit

Tab.17: Wertetabelle der Kalibriergeraden.

                                                  Konzentration Leitfähigkeit
                                                  KCl [mmol/l] [μS/cm]
                                                      0,05           12,5
                                                      0,10           16,6
                                                      0,25           36,9
                                                      0,50           72,0
                                                      1,00          144,0
                                                     10,00         1350,0




               8

               7

               6

               5
     pH-Wert




                                                                                           mit H2O Lösung
               4
                                                                                           mit CaCl2 Lösung
               3

               2

               1

               0
                                                     d z Ah

                                                      Lö h
                   0

                         1

                                 2

                                       3

                                                     Po 4




                                                              C




                                                              h
                                                              e
                                                             he




                                                               s




                                                             A
                                                             B
                                                            A




                                                            A
                 k

                         k

                               k

                                       k

                                             k




                                                            d
                                                           A




                                                         um
               al

                       al

                             al

                                     al

                                           al




                                                          a
                                                          d

                                                K Po
                                                          d




                                                          ß
                                                        in
                                                       Po
               K

                     K

                             K

                                   K

                                           K

                                                        d

                                                       Po




                                                      vi
                                                    lu

                                                  en
                                                 ol

                                                R




Abb.9: pH-Werte der untersuchten Böden bei Bestimmung mit H2O- und CaCl2-Lösung.




In der Abb.9 haben wir die pH-Werte aus Tab.16 in einem Säulendiagramm dargestellt, die
wir im ersten Teilversuch gemessen haben. Die Werte findet man in Tab.16, in den Spalten 2
und 3. Im Diagramm ist auffällig, das der pH-Wert von Kalk 0 zu Kalk 4 zunimmt. Dies ist
auf die Kalkung zurück zuführen. Auch im Podsol steigt der pH-Wert von Ahe- zum C-
Horizont an, obwohl keine Kalkung stattgefunden hat. Die höchsten Werte haben wir beim
Kolluvium Ah und Rendzina Ah gemessen. Des Weiteren ist aus dem Diagramm zu
entnehmen, das der pH-Wert von H2O zu CaCl2 bei jeder Bodenprobe abnimmt.
Die Werte für den Kalkbedarf aus der Spalte 5 der Tab.16, wurden mit Hilfe der Tabelle 7 aus
dem Skript (Durner und Nieder, 2006, S. 41) ermittelt. Die Werte für den pH-Wert der
Bodenproben mit Ca-Acetatlösung wurden im Teilversuch 2 gemessen, aber nicht für die
50                                           Gruppe 6b, SS2006, V5: pH-Wert, Kalkbedarf und Leitfähigkeit

Proben Pod Ahe, Pod Ae, Pod BS und Pod C. Kolluviums und der Rendzina liegen innerhalb
des für sie optimalen Kalkbereiches und benötigen keine Kalkzugaben.
In den Spalten 6 und 7 sind die Leitfähigkeit und das entsprechende KCl-Äquivalent
aufgelistet. Das jeweilige KCl-Äquivalent wurde mit der durch die in Tab.17 gegebenen
Werte erstellte Kalibriergerade ermittelt. Die Gleichung dieser Kalibriergerade lautet:
                                                         y = 135,12x

                                                                 
                                                          c                                            (1)
                                                               135 ,12

C ist die Konzentration von KCl und σ die elektrische Leitfähigkeit.




                              1600

                              1400
                              1200
     Leitfähigkeit in μS/cm




                              1000                                                          kalibrierte Werte
                               800                                                          Gemessene Werte
                                                                                            Linear (kalibrierte Werte)
                               600
                               400

                               200
                                 0
                                     0   2      4          6             8   10     12
                                                    KCl in mmol/l


Abb.10: Kalibriergerade der Auftragung der Leitfähigkeit in μS/cm gegen den KCl-Gehalt in
      mmol/l mit Eintragung der in Tab.17 aufgeführten Werte der untersuchten Böden.


20. Diskussion

Bei den Ergebnissen von Versuch 5 fällt auf, dass die pH-Werte die mit dest. Wasser
gemessen wurden immer höher waren, als die mit CaCl2-Lösung. Die pH-Werte im dest.
Wasser sind größer, durch die momentan freigewordenen H⁺-Ionen in jeder Bodensuspension.
Den pH-Wert den wir mit CaCl2-Lösung ermittelt haben, nennt man „potentielle Acidität“.
Freie H+ in der Bodenlösung und sorbierte H+ an den Austauschern bestimmen die Boden-
reaktion (pH). Die H+-Konzentration in der Bodenlösung bedingt die aktuelle Acidität, die an
Austauschern sorbierten H+ die potentielle Acidität. Zusätzlich zu den adsorbierten H+
bestimmen auch austauschbare Al3+ die potentielle Acidität. Nach ihrem Austausch bilden sie
nämlich in Lösung freie H-Ionen. Durch den Ca2+-Überschuss werden auch haftende H+ an
51                          Gruppe 6b, SS2006, V5: pH-Wert, Kalkbedarf und Leitfähigkeit

den Austauschern umgetauscht. Diese zusätzlich in die Bodenlösung überführten H+ bedingen
die Gesamtacidität (Kuntze et al., 1994, S. 123 ff).
In Abb.10 erkennt man, dass der Podsol die niedrigeren pH-Werte besitzt. Der Podsol ist ein
sehr saurer Boden.


Da die Böden Kalk 0 bis 4 stufenweise aufgekalkt wurden, kann man aus Abb.9 erkennen.
Das die Böden aufgekalkt wurden haben wir zu Beginn des Besuches erfahren. Wobei Kalk 3
bis 4 nach mehr aufgekalkt werden müsste. Kalk 0 und 1 müssen aufgekalkt werden. Kalk 0
mit 90 dt/ha und Kalk 1 mit 78dt/ha. Dies sind nur Mindestwerte, da man sie nicht genau in
der Tabelle 7, aus dem Skript (Durner und Nieder, 2006, S. 41) ablesen konnte. Bei
Kolluvium und Rendzina haben wir keinen Bedarf festgestellt. Bei Löß lag der Kalkbedarf bei
107 dt/ha, was etwas hoch erscheint.


Auffällig ist, dass die Leitfähigkeit bei Kolluvium, Rendzina und Löß viel höher ist, als bei
den Proben Kalk 0 bis 4 und denen des Podsolproben. Das liegt daran, dass der Salzgehalt bei
Kolluvium, Rendzina und Löß viel höher ist als bei den anderen Bodensuspensionen. Die
Wasserleitfähigkeit im Podsol ist wesentlich höher als in anderen Böden. Grund ist der hohe
Sandgehalt im Podsol. Das Salz wird schneller ausgewaschen und wird somit schnell in die
tieferen Horizonte verlagert als in Böden mit höheren Anteil an Schluff oder Ton.


Fehlerbetrachtung
Beim Versuch gibt es nur geringe Fehler. Das Befüllen der Gefäße mit dest. Wasser könnte
man als Fehler nennen, aber da große Mengen abgefüllt wurden (z.B. 250ml) kann man den
Fehler sehr gering halten. Auch beim Abwiegen, liegt der Fehler bei ±0,005g und das fällt bei
25g nicht sehr stark in Gewicht.
52                                                Gruppe 6b, SS2006, V6: Nährstoffgehalt



Versuch 6: Nährstoffgehalt und -verfügbarkeit

21.    Einführung

Nährstoffe sind Stoffe, die von Pflanzen als Nahrung für ihre Lebenstätigkeit benötigt
werden, z.B. CO2, NH4+ (Ammonium), NO3- (Nitrat), MgSO4 (Magnesiumsulfat,
,,Bittersalz“). Sie enthalten die Nährelemente, die als Bausteine der organischen Substanz
oder für spezifisch physiologische Prozesse notwendig sind, z.B. C, O, H, N, P, S usw.
Nährstoffentzug durch Pflanzen: Diese nehmen u. a. K-, Mg-, und Ca-Ionen im Austausch
gegen von Wurzeln produzierte H-Ionen auf; auf lange Sicht nur in geringer Abnahme der
Basensättigung, wenn bei Naturböden aufgenommene Kationen nach Bestandesabfall und
Verwesung wieder an Austauscher gelangen (Schröder, 1978, S. 78, S. 133).
Der überwiegende Teil der Bodennährstoffe ist nativ, d. h. er stammt aus den
Ausgangsgesteinen der Böden. Ein weiterer Teil der Nährstoffe gelangt in die Böden über
Düngung, Atmosphäre und Grundwasser. Die Nährstoffe sind im Boden                     mit
unterschiedlicher Intensität gebunden, und zwar so, dass gleitende Übergänge zwischen den
leicht und schwer verfügbaren Anteilen bestehen. Bei intensiver Nutzung muss dagegen der
Nährstoffvorrat durch Düngung angereichert werden, da die Nährstoffnachlieferung durch
Verwitterungsfreisetzung mit dem Nährstoffentzug durch die Pflanzen nicht Schritt halten
kann. die in der organischen Substanz gebundenen Nährstoffe sind erst nach dem
mikrobiellen Abbau pflanzenverfügbar (Scheffer/Schachtschabel, 1998, S. 241, S. 245).
Heute wird ein Boden weniger nach seinem absoluten Nährelementgehalt als vielmehr nach
deren harmonischen Verhältnissen und Verfügbarkeit beurteilt. Beste Böden sind solche, die
alle Aufwendung am und im Boden, also auch die Düngung, nachhaltig und optimal in
Pflanzenertrag umwandeln (Kuntze et al., 1994, S. 201).




22. Materialien und Methoden

22.1   Materialien


Zur Untersuchung wurden zwei Bodenproben verwendet. Sie wurden am 20. April 2006
entnommen. Die Probe mit der Bezeichnung „Pod Ahe“ entstammt aus der humosen,
eluvialen Oberbodenschicht eines Podsols. Die Probe mit der Bezeichnung „Löß Ah“
entstammt aus dem humosen Oberhorizont eines „Lößbodens“. Die beiden Proben wurden bis
zum Versuchsbeginn unverändert im Labor gelagert. Am 27.4.2006 begann die Untersuchung
der N- und K-Gehalte. Die Bestimmung des K-Gehaltes erfolgte u. a. mit Hilfe des
Flammenphotometers, die des N-Gehaltes durch eine chemische Destillationsapparatur und
einer Titrieranlage.
53                                                   Gruppe 6b, SS2006, V6: Nährstoffgehalt

22.2    Versuchsdurchführung


Jeweils exakt 20 g Boden wurden in 250 ml PE- Flaschen eingewogen und mit je einer
Spatelspitze Aktivkohle versehen. Die sechs PE-Flaschen (je drei Extraktionslösungen für
beide Bodenproben) wurden anschließend mit 200 ml Extraktionslösung vermischt.
Bei den Extraktionslösungen handelte es sich um destilliertes Wasser (H2O), 0,05 m CaCl2
und 0,05 m H2SO4 (Schwefelsäure).


Zur Vorbereitung der eigentlichen Untersuchung wurden die sechs Behälter mit den Proben
für 20 Minuten bei 120 U/min in einer Schüttelmaschine geschüttelt. Wir haben danach
zwecks Zeitersparnis mit bereits vorher von einem Hiwi für uns vorbereiteten Proben
weitergearbeitet, während unsere geschüttelten Proben von der nächsten Gruppe eine Woche
später genutzt werden. Als nächstes wurden die Proben in 250 ml Erlenmeyerkolben filtriert.
Zur Vergrößerung der Aufnahmefläche beim Filtern wurde ein gehäufter Löffel mit bei
1000°C geglühtem und mit destilliertem Wasser gewaschenem Quarzsand in den Faltenfilter
gegeben.
Das daraus entstandene Filtrat wurde mit den entsprechenden und             bereits bekannten
Extraktionslösungen auf 250 ml aufgefüllt und homogenisiert.
Parallel wurde von jeder reinen Extraktionslösung (3X) ein Blindwert bestimmt: sie wurden
jeweils ohne Bodenlösung der Destillation und später der Titration unterzogen.




Bestimmung des mineralischen Stickstoffs:


Es wurden 50 ml des homogenisierten Filtrats in 250 ml-Destillierkolben pipettiert und mit je
einer Spatelspitze Devardalegierung versetzt. Die Devardalegierung dient als
Reduktionsmittel für das Nitrat (reduziert NO3– zu NH4+). Jeweils ein Glaskolben konnte an
die Destillationsapparatur angesetzt werden. Unter das Gaseinleitungsrohr (Rohrwinkel)
wurde ein kleiner PE-Becher mit 25 ml 1%iger Borsäure (H3BO3, pH 4,5), versetzt mit 10
Tropfen Tashiro-Indikator, gestellt. Das Gemisch wurde ,,Vorlage“ genannt. Das
Gaseinleitungsrohr musste gänzlich in die Vorlage eintauchen.
Als nächstes liefen 25 ml 5%iger Natronlauge (NaOH) aus einem Tropftrichter in die
Extraktionslösung. Die Natronlauge dient dazu, dass Ammonium (NH4+) in Ammoniak (NH3)
umzuwandeln. In einem anderen Glaskolben wurde Wasser zum Sieden gebracht und der
entstandene Wasserdampf zur Extraktionslösung umgeleitet. Das Ammoniak ist gasförmig
und kann somit mit Hilfe des Wasserdampfes durch die Apparatur zur Vorlage gelangen.
Es wird solange destilliert bis sich in der Vorlage etwa 80 ml Destillat gesammelt haben.
Um die Gefahr von Verbrühungen, Unterdruck am Siedekolben und anderen Schäden zu
vermeiden, musste nach Beendigung der Destillation zunächst die Vorlage, dann der Kolben
mit der Extraktionslösung und dann die Verbindung zum Wasserdampf unterbrochen werden.
54                                                 Gruppe 6b, SS2006, V6: Nährstoffgehalt

Die entstandenen Destillate (Vorlage) wurden mit 0,02 n Salzsäure (HCL) bis zum Umschlag
von leicht grün bis violett titriert. Damit ist wieder der vorherige, durch den Indikator
angezeigter, pH Wert erreicht. Die verbrauchte HCl-Menge wurde abgelesen.
Wichtig: Die Entsorgung der Extraktionslösungen erfolgte in einem gesonderten
Abfallkanister für Laugen.




Bestimmung des Kalium-Gehaltes:


Die Filtrate wurden beim Flammenphotometer unter die Ansaugkapillare gehalten. Vor dem
Ablesen der angezeigten Werte wurde das Gerät mit zwei Standards aus der Standardreihe
(low/high) auf Funktionstüchtigkeit überprüft (0,5 und 20,00 mgl–1):




22.3    Auswertung

Berechnung des Stickstoffes (Durner und Nieder, 2006, S. 44):

N = (VHCl – V0)  NHCl  MN

wobei

N = enthaltener Stickstoff in 50ml Lösung in mg
VHCl = verbrauchte Salzsäure in ml
V0 = verbrauchte Salzsäure bei der jeweiligen Blindprobe in ml
NHCl = Normalität von Salzsäure in mol l–1
MN = Atommasse von Stickstoff




Das Ergebnis muss mit 5 multipliziert werden, um den Stickstoffgehalt auf die anfangs in
Lösung gegebenen 20 g Bodensubstanz hochzurechnen. Um den Stickstoffgehalt in 100g
Bodensubstanz zu berechnen, muss noch einmal mit 5 multipliziert werden. (damit insgesamt
mit 25).
In Tab.18 ist die Salzsäure, die bei der Titration verbraucht wurde, unterteilt auf die zwei
Bodenproben, die mit jeweils drei verschiedenen Extraktionsmitteln behandelt wurden,
aufgelistet. Mit der Höhe des Verbrauches steigt auch der Stickstoffgehalt.
55                                                                       Gruppe 6b, SS2006, V6: Nährstoffgehalt

Tab.18: Verbrauchte Salzsäure bei der Titration von grün nach violett (pH 4,5) für die
      jeweiligen Proben und Blindproben mit verschiedenen Extraktionsmitteln.

                                         Probe         verbrauchte HCl          Extraktionsmittel
                                        Pod Ahe             3,1 ml                 dest. H2O
                                        Pod Ahe             3,8 ml                   CaCl2
                                        Pod Ahe             4,2 ml                   H2SO4
                                        Löß Ah              2,4 ml                 dest. H2O
                                        Löß Ah              3,2 ml                   CaCl2
                                        Löß Ah              2,4 ml                   H2SO4

                                        Blindwert          0,6 ml                   dest. H2O
                                        Blindwert          0,8 ml                     CaCl2
                                        Blindwert          1,0 ml                    H2SO4



In Abb. 11 ist die Standardreihe von Kalium zu sehen. Den Standardproben 0,5; 1,0; 2,0; 4,0;
6,0; 10,0; 15,0 und 20,0 mg Kalium pro Liter ist jeweils ein bestimmter Wert (count)
zugeordnet.
Zur Überprüfung der Standardreihe wurden von uns der standard low und standard high Wert
bestimmt, wobei die Abweichung innerhalb der Toleranz ist (mündl. Mitteilung Birgit
Walter).



                               25


                               20
     Kaliumgehalt [mg/ l ].]




                               15
                                               y = 0,0038x - 2,5516
                               10


                                5


                                0
                                    0   1000        2000     3000            4000      5000         6000   7000
                                                                    counts


Abb. 11: Kalium-Standardreihe (SDR) zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit des
       Flammenphotometers.
56                                                  Gruppe 6b, SS2006, V6: Nährstoffgehalt

Das Flammenphotometer zeigt den Kaliumgehalt in mgl–1 an.
Die Umrechnung von mgl–1 auf mg pro 100g Boden erfolgt durch folgende Gleichung
(Durner und Nieder, 2006, S. 44):




              Schüttellösung (ml ) 100    mg
mg  l 1                                                                             (2)
               1000 ml  Einwaage( g ) 100 gBoden



Wobei:
Einwaage = abgewogene Bodenprobe (20g)
Schüttellösung = 250 ml




Tab.19 zeigt die Werte für die Kaliumkonzentration der zwei Proben, unterteilt nach drei
verschiedenen Extraktionsmitteln, in mgl–1. Diese sind in Tab.21 in mg(100g)–1 umgerechnet
dargestellt.




Tab.19: Vom Flammenphotometer angezeigte Kaliumkonzentration               in mgl–1     der
      Bodenproben Podsol Ahe und Löß Ah.

        Extraktionsmittel      Kaliumkonz. Podsol [mgl–1]   Kaliumkonz. Löß [mgl–1]
              H2O                        3,7                         2,4
             CaCl2                       9,8                        10,3
             H2SO4                       6,8                        12,4
57                                                                               Gruppe 6b, SS2006, V6: Nährstoffgehalt

23. Ergebnisse

23.1   Stickstoffgehalt

Aus Tab.18 wurden die Stickstoffgehalte der Proben Löß Ah und Pod Ahe berechnet. Dies ist
in Tab.20 dargestellt.


Tab.20: Stickstoffgehalte der Bodenproben Podsol Ahe und Löß Ah, mit jeweils drei
      verschiedenen Extraktionsmittel aufgearbeitet, in mg pro 100g Bodensubstanz.

                                                        Probe                   Stickstoffgehalt
                                                                              [mg pro 100g Boden]
                                                  Pod Ahe + dest. H2O                 17,5
                                                   Pod Ahe + CaCl2                    21,0
                                                   Pod Ahe + H2SO4                    22,4
                                                  Löß Ah + dest. H2O                  12,6
                                                   Löß Ah + CaCl2                     16,8
                                                   Löß Ah + H2SO4                      9,8


Um die, mit drei verschiedenen Extraktionsmitteln erhaltenen, Stickstoffgehalte der Proben
Pod Ahe und Löß Ah besser zu vergleichen, wurde Abb. 12 aus Tab.20 erstellt.




                                                          dest. Wasser   Kalziumchlorid   Schwefelsäure

                                             25
            Stickstoffgehalt [mg∙(100g)–1]




                                             20

                                             15

                                             10

                                              5

                                              0
                                                            Pod Ahe                          Löß Ap
                                                                            Proben



Abb. 12: Stickstoffgehalt der Proben Podsol Ahe und Löß Ah, mit verschiedenen
       Extraktionsmitteln aufgearbeitet, in [mg∙(100g)–1].
58                                                                 Gruppe 6b, SS2006, V6: Nährstoffgehalt

23.2     Kaliumgehalt



Tab.21: Kaliumgehalt der Bodenproben Podsol Ahe und Löß Ah, mit jeweils drei
      verschiedenen Extraktionsmitteln aufgearbeitet, in mg pro 100g Bodensubstanz.

                                                Probe                 Kaliumgehalt
                                                                   [mg pro 100g Boden]
                                          Pod Ahe + dest. H2O             4,63
                                           Pod Ahe + CaCl2                12,25
                                           Pod Ahe + H2SO4                8,50
                                          Löß Ah + dest. H2O              3,00
                                            Löß Ah + CaCl2                12,88
                                           Löß Ah + H2SO4                 15,50




Um die mit drei verschiedenen Extraktionsmitteln erhaltenen Kaliumgehalte der Proben Pod
Ahe und Löß Ah besser zu vergleichen, wurde Abb. 13 aus Tab.21 erstellt.




                                     18
       Kaliumgehalt [mg∙(100g) -1]




                                     16
                                     14
                                     12
                                                                                     dest. Wasser
                                     10
                                                                                     Kalziumchlorid
                                      8
                                      6                                              Schwefelsäure
                                      4
                                      2
                                      0
                                              Podsol               Löß
                                                          Proben


Abb. 13: Kaliumgehalt der Bodenproben Pod Ahe und Löß Ah, aufgearbeitet mit 3
       verschiedenen Extraktionsmitteln, in [mg pro 100g Bodensubstanz].
59                                                 Gruppe 6b, SS2006, V6: Nährstoffgehalt

24. Diskussion


In diesem Versuch sollten der Stickstoffgehalt und der Kaliumgehalt in zwei Böden bestimmt
werden. Die Bodenproben wurden mit unterschiedlichen Extraktionsmitteln behandelt. Die
Extraktionsmittel (destilliertes Wasser, Kalziumchlorid und Schwefelsäure) haben jeweils zu
unterschiedlichen Resultaten an Stickstoff- und Kaliumgehalt geführt.
Es wurde pro Bodenprobe nur eine Messung durchgeführt, womit ein statistischer Mittelwert
nicht möglich ist. Dennoch sind die Ergebnisse natürlich nicht eindeutig exakt, da sie mit
Messfehlern behaftet sind. Bei der Bestimmung des Stickstoffes können systematische Fehler
bei der Destillation auftreten, Kolben und andere Geräte waren evt. nicht zu 100% sauber.
Des Weiteren ist der Farbumschlag bei der Titration durch subjektive Farbwahrnehmung
unscharf, dazu kommt, dass die Bürette die Messgenauigkeit mindert, da sie auf 0,05 ml
Genauigkeit abzulesen ist.
Die Bestimmung des Kaliumgehaltes ist aufgrund der hohen Genauigkeit des
Flammenphotometers und dem Ausschluss von Ablesefehlern (alles wird ausgedruckt) sehr
genau. Für beide Messungen kommt als Fehler die Einwaage hinzu, da die Waage auf 0,1 g
Genauigkeit misst. Zusätzlich können Fehler bei der Auffüllung mit dem Extraktionsmittel
entstehen, die jedoch sehr gering sind. Insgesamt ist der Fehler, vor allem aufgrund von
jeweils nur einer Messung, so hoch, dass sich keine exakte Aussage über die jeweiligen
Nährstoffgehalte machen lassen. Jedoch ist das Ziel dahingehend erreicht, einen Richtwert
von den im Boden vorhandenen Nährstoffen (in unserem Fall Stickstoff und Kalium) zu
erhalten. Grundlegend kann man mit diesem Richtwert grob abschätzen mit wie viel
Düngemittel ein Boden in etwa zu behandeln ist. Für genauere Werte sind mehrfache
Messungen nötig.
Die Unterschiede in der Höhe der Messwerte für jeweils dieselbe Probe sind mit den
verschiedenen Extraktionsmitteln zu erklären. Die Messwerte des Stickstoffgehaltes des
Podsols steigen über dest. H2O, CaCl2 nach H2SO4 an, während bei der (vermutlich)
Parabraunerde der höchste Stickstoffgehalt mit Kalziumchlorid, gefolgt von dest. Wasser und
schließlich Schwefelsäure gemessen wurde. Der Kaliumgehalt steigt bei der Probe Löß Ah in
der Reihe: dest. H2O, CaCl2, H2SO4. Bei der Probe Pod Ahe steigt der Kaliumgehalt in der
Reihe: H2O, H2SO4, CaCl2 (siehe Abb. 13). Das stärkste Extraktionsmittel ist die
Schwefelsäure, gefolgt vom Kalziumchlorid und das schwächste ist das dest. Wasser (mündl.
Mitteilung Birgit Walter). Somit ist der Anstieg der Messwerte beim Podsol bei der
Stickstoffmessung und bei der (vermutlichen) Parabraunerde bei der Kaliummessung
konform mit der Stärke der Extraktionsmittel. Das destillierte Wasser nimmt nur die in der
Bodenlösung freien Ionen auf, welche dann mit den Messapparaturen zu erfassen sind. Beim
Stickstoff ist dies das in der Bodenlösung meist freie (und leicht auswaschbare) NO3– und
beim Kalium das in der Bodenlösung freie K+. Das Kalziumchlorid kann das an
Mineraloberflächen (dies gilt vor allem für Tonminerale) angelagerte und damit
austauschbare Kalium aufnehmen. Beim Stickstoff handelt es sich hier um das an den
Randbereichen frisch fixierte NH4+. Die Schwefelsäure kann die Tonminerale aufbrechen und
im Innern der Schichten fixiertes Ammonium und Kalium freisetzen (mündl. Mitteilung
Birgit Walter; Scheffer/Schachtschabel 1998). Dass bei der Stickstoffmessung der
Parabraunerde, im Vergleich zu den anderen beiden Extraktionsmitteln, mit Schwefelsäure als
60                                                 Gruppe 6b, SS2006, V6: Nährstoffgehalt

Extraktionsmittel am wenigsten Stickstoffgehalt bestimmt wurde, obwohl im dort viele
Tonminerale enthalten sind, könnte somit ein Messfehler sein. Dass bei der Kaliummessung
des Podsols mit Kalziumchlorid als Extraktionsmittel mehr Kaliumgehalt bestimmt wurde als
mit Schwefelsäure als Extraktionsmittel, wird wohl daran liegen, dass im Podsol sehr wenige
Tonminerale enthalten sind. Ein anderer Grund ist die Messgenauigkeit.
Vergleicht man schließlich die Stickstoffgehalte der Parabraunerde mit denen des Podsols
(siehe Abb. 12), dann stellt man fest, dass im Podsol durchgehend (bzw. bei allen
Extraktionsmitteln) mehr Stickstoff bestimmt wurde als bei der Parabraunerde. Im
Allgemeinen sollte man annehmen, dass die Parabraunerde eine höhere Bodenfruchtbarkeit
und damit auch Nährstoffversorgung aufweist. Dies liegt vor allem an dem höheren Schluff-
und Tongehalt und an dem höheren Wasserhaltevermögen. Der Kaliumgehalt des Lößbodens
ist wiederum leicht höher als der des Podsols. Dies ist konform mit der oben genannten
Erklärung der höheren Nährstoffversorgung im Lößboden verglichen mit Podsol. Allerdings
ist der Unterschied im Kaliumgehalt auch nur relativ gering, was ebenfalls auf eine
landwirtschaftliche Nutzung des Lößbodens deuten könnte.
61   Gruppe 6b, SS2006, V7: Kationenaustauschkapazität
62                                     Gruppe 6b, SS2006, V7: Kationenaustauschkapazität



Versuch 7: Kationenaustauschkapazität

25.    Einführung

Die austauschbaren Kationen bilden den Kationenbelag der Böden, ihre Summe die
Kationenaustauschkapazität (KAK, ausgedrückt im mval kg -1). Sie ist der Summe aus
permanenter und variabler negativer Ladung äquivalent, weil die Kationen zum Ausgleich der
Ladung sorbiert werden. Gewöhnlich bezeichnet man die KAK bei pH 7…7,5 als potentielle
KAK (KAKpot), da dies der höchste pH-Wert ist, der in Böden humider Klimate – bei und
wegen Anwesenheit von CaCO3 – erreicht wird. Diejenige KAK, die in einem Boden beim
jeweiligen pH wirksam ist, wird dagegen als effektive KAK (KAKeff) bezeichnet. KAKpot
und KAKeff sind demnach nur bei pH 7…7,5, d. h. in carbonathaltigen Böden identisch, in
sauren ist dagegen KAKeff < KAKpot (Scheffer/Schachtschabel, 1998, S. 95).
Die wichtigsten austauschbare Kationen: Ca-, Mg-, K-, Na-, sowie Al- und H-Ionen;
außerdem in geringen Mengen NH4 - und Fe-Ionen sowie in Spuren Mn, Cu- und Zn-Ionen.
Ursachen für Kationen-Adsorption und -Austausch sind negative elektrische Ladungen der
Tonminerale und Huminstoffe. Wird Bodenaustauscher mit bestimmtem Kationen-Belag mit
Lösung zusammengebracht, die andere Ionen als der Austauscher enthält, so erfolgt
Austausch der verschiedenen Ionen bis zur Gleichgewichtsherstellung (Schröder, 1978, S. 66
ff).
Je höher der Anteil der Basensättigung (Anteil der Summe von Ca-, Mg-, K-, Na-Ionen) der
Bodenaustauscher ist, umso geringer ist der mit den Säurebildnern H+, Al3+ belegte und die
potentielle Bodenacidität bestimmende Anteil. Mit steigendem Zersetzungsgrad werden
beispielsweise in Moorböden zunehmend höhere KAK gemessen als in schweren
Mineralböden. In Tonmineralen entsteht durch isomorphen Ersatz der mehrwertigen
Zentralionen (Si4+, Al3+) in den Si-Tetraedern und Al-Oktaedern durch niederwertigere
Kationen ((Fe3+, Mg2+, K+) ein negativer Ladungsüberschuss. Dieser wird als permanente
Ladung bezeichnet (Kuntze et al., 1994, S. 117f).
Dadurch, dass die permanente Ladung im Kristallgitter ihren Ursprung hat, ist die KAK von
Tonmineralen auch unabhängig vom pH Wert. Anders bei den Huminstoffen, hier findet der
Austausch durch funktionelle Gruppen statt. Beispielsweise eine COOH-Gruppe, von der das
H-Atom abgespaltet wird und Platz für ein anderes Kation macht. Bei niedrigem pH wird dies
durch vermehrten H+ Ionen in der Bodenlösung schwieriger und die KAK sinkt.
63                                      Gruppe 6b, SS2006, V7: Kationenaustauschkapazität

26. Materialien und Methoden


26.1   Materialien

Zur Untersuchung lagen acht Bodenproben vor: Rendzina Ah, Löß Ah, Kolluvium Ah, Kalk
0, Kalk 1, Kalk 2, Kalk 3 und Kalk 4. Die ,,Kalkproben“ entstammen alle einem Podsol Ahe,
wobei Kalk 0 die originale Probe ist und Kalk 1 bis 4 aufsteigend künstlich mit Kalk
angereichert wurden. Jede Probe wurde zweimal untersucht, also 16 Proben insgesamt. Seit
der Bodenentnahme lagerten alle Bodensorten bereits seit mehreren Tagen in verschließbaren
PE-Boxen im Labor. Sie wurden, bis auf die genannten Kalk-Proben, vor der Untersuchung
nicht behandelt.




26.2   Versuchsdurchführung


Von jeder Bodenprobe wurden zwei Portionen mit jeweils 5g Gewicht in insgesamt 16
bereitstehende PE-Zentrifugenbecher abgewogen. Sie wurden anschließend mit je 25 ml 0,2 n
BaCl2 versetzt und von Hand gut durchgeschüttelt. Bariumchlorid diente hier als
Extraktionsmittel bzw. als Austauschlösung.
Alle 16 Proben wurden nun bei 4500 U/Min. für fünf Minuten zentrifugiert. Die entstandenen
flüssigen Überstände wurden in 16 bereitstehende 100ml-Meßkolben umgefüllt. Die 16 PE-
Becher mussten hierfür der Zentrifuge entnommen werden. Vorsicht war geboten, denn der
abgelagerte Boden durfte nicht aufgewirbelt werden.
Vor einem erneuten Zentrifugieren wurden die Proben wieder mit 25 ml 0,2 n BaCl2
aufgefüllt und nach dem Zentrifugieren wurde wieder der Überstand in die bereits
verwendeten 16 100ml Kolben umgefüllt. Diese Vorgänge wurden insgesamt vier Mal
durchgeführt.
Jeweils 10 ml der insgesamt 16 Flüssigkeiten wurde per PE-Spritze durch einen Zellulose-
Nitrat-Membranfilter mit der Porengröße 0,45µm in je ein Autosampler-Probenröhrchen
hindurchgefiltert. Die Filterpapiere mussten regelmäßig erneuert werden, da die Flüssigkeiten
noch einige Schwebstoffteilchen enthielten.
64                                        Gruppe 6b, SS2006, V7: Kationenaustauschkapazität

Bestimmung von K, Na, Ca und Mg:


Die Gehalte an K, Na, Ca und Mg wurden mit einem Atom-Absorptionsspektrometer (AAS)
4100 der Firma Perkin Elmer ermittelt. Die Flamme des Gerätes wurde mit einem Acetylen-
Luftgemisch betrieben, wodurch eine Temperatur von ungefähr 2000°C erreicht wurde.
Vorher mussten die Flüssigkeiten jedoch behandelt werden. Mit folgender Verdünnung:


Tab.22 Verdünnungsverhältnis für die Proben bei der Messung mit dem AAS.

      Verdünnungsverhältnis                              Inhalt [ml]
              1 : 10                 1,0   Probe   +   9,0 H2O + 1     Schinkellösung
              1 : 20                 0,5   Probe   +   9,5 H2O + 1     Schinkellösung
              1 : 50                 0,2   Probe   +   9,8 H2O + 1     Schinkellösung
             1 : 100                 0,1   Probe   +   9,9 H2O + 1     Schinkellösung


Wie in Tab.22 zu sehen ist kamen zu der gefilterten Lösung je nach Verdünnung zwischen 9
und 9,9 ml Wasser und zusätzlich 1 ml Schinkellösung (auch Cäsiumchlorig-Lanthanchlorid-
Pufferlösung) als Indikator hinzu.




Bestimmung von Al:


Mit einer Pipette wurden von jeder flüssigen Probe 50 ml entnommen und in einen 250 ml
Erlenmeyerkolben pipettiert. Drei Tropfen des Indikators Phenolphtalein wurden
hinzugegeben. Die Flüssigkeit wurde nun mit 0,02 m NaOH (Natronlauge) so lange titriert,
bis der Umschlagspunkt, der sich durch eine leichte rosa Farbe kennzeichnete, erreicht wurde
Die verbrauchte NaOH-Menge wurde abgelesen und den entsprechenden Bodensorten
zugehörig notiert.
Wir können mit Natronlauge titrieren, weil das elektrophile Al3+-Kation mit Wasser einen
Aqua-Komplex bildet. Durch diesen Komplex werden H+-Ionen frei, welche die Acidität
erhöhen. Es findet folgende Reaktion statt: [Al(H2O)6]3+ + H2O  [AlOH(H2O)5]2+ + H3O+
(Scheffer/Schachtschabel, 1998, S. 104)
Je mehr Aluminium vorhanden war, desto mehr NaOH ist nötig um bei der Titration den
Umschlagspunkt zu erreichen.
65                                     Gruppe 6b, SS2006, V7: Kationenaustauschkapazität

26.3    Auswertung


Berechnung von Kalium, Natrium, Kalzium und Magnesium:


Das Atom-Absorptionsspektrum (AAS) liefert die Menge des jeweiligen Elementes in mgl–1.
Dies ist in mg pro 100g Boden bzw. in mval pro 100g Boden umzurechnen. Dazu dienen
Gleichungen (1) und (2):

mg mlLösung  100 g       mg
                                                                                   (21)
 l 1000 ml  Einw.( g ) 100 gBd .



    mg                       mval
             Wertigkeit                                                            (22)
Atomgewicht                100 gBd .



Wobei
ml Lösung = 100 ml
Einwaage = 5g


Die Werte für das Atomgewicht und die Wertigkeit der jeweiligen Kationen haben wir Tab.23
entnommen:


Tab.23 Wertigkeit und Atomgewicht von K, Na, Ca und Mg.

                        Kation         Wertigkeit   Atomgewicht [u]
                       Kalium             +1              39,09
                       Natrium            +1              22,99
                       Calcium            +2              40,08
                      Magnesium           +2              24,31
66                                     Gruppe 6b, SS2006, V7: Kationenaustauschkapazität

Tab.24 Werte für K, Na, Mg und Ca in mgl–1, bestimm t vom AAS.

 Probe      Na-Gehalt [mgl–1]   K-Gehalt [mgl–1]   Mg-Gehalt [mgl–1]   Ca-Gehalt [mgl–1]
Kalk 0-1         0,00                1,35               0,57                 4,52
Kalk 0-2         0,00                1,56               0,56                 4,36
Kalk 1-1         0,00                2,04               2,53                31,82
Kalk 1-2         0,00                3,78               2,48                31,04
Kalk 2-1         0,00                7,60               4,93                 2,15
Kalk 2-2         0,00               12,45               5,28                 1,11
Kalk 3-1         2,99               25,89               8,39                 2,69
Kalk 3-2         2,61               25,63               8,28                 0,98
Kalk 4-1         1,03               21,87               8,69                 5,68
Kalk 4-2         0,53               24,53              10,04                 1,44
Koll. 1-1        0,00               14,14               9,20                 21,7
Koll. 1-2        0,12               12,81               6,74                  4,3
Löß 1-1          0,00                7,91              11,59                  0,0
Löß 1-2          0,00                7,27              11,43                  7,8
Ren. 1-1         0,66               12,11                0,8                  2,1
Ren. 1-2         0,23               11,74                6,2                 14,4




Die Tabelle enthält die vom AAS bestimmten Werte, aufgeteilt für die jeweiligen Kationen
Ca, Mg, K und Na, für alle 16 Proben. „Koll.“ steht für Kolluvium und „Ren.“ für Rendzina.
Die rot-markierten Werte (und die noch folgenden rot-markierten Werte) sind fehlerhaft und
werden im Rahmen der Diskussion näher erläutert.
67                                       Gruppe 6b, SS2006, V7: Kationenaustauschkapazität

Berechnung von Aluminium:

Bei der Titration entspricht die verbrauchte Menge Natronlauge (NaOH) einer äquivalenten
Menge Aluminium:



VNaOH ∙ Normalität ∙ 2 ∙ 20 = mval (100g)–1                                           (23)



Wobei
VNaOH = verbrauchte Menge NaOH in ml
Normalität = 0,02




Tab.25 Verbrauchte Natronlauge bei der Titration zur Bestimmung des Aluminiums.

                              Probe      Verbrauch NaOH [ml]
                             Kalk 0-1            6,80
                             Kalk 0-2            6,45
                             Kalk 1-1            3,05
                             Kalk 1-2            3,15
                             Kalk 2-1            2,10
                             Kalk 2-2            1,50
                             Kalk 3-1            1,25
                             Kalk 3-2            1,15
                             Kalk 4-1            0,95
                             Kalk 4-2            1,00
                             Koll. 1-1           0,50
                             Koll. 1-2           0,50
                             Löß 1-1             2,05
                             Löß 1-2             1,90
                             Ren. 1-1            0,45
                             Ren. 1-2            0,35



In Tab.25 ist die verbrauchte Menge an Natronlauge zu erkennen. Titriert wurden alle 16
Proben mit dem Ziel die Austauschkapazität des Aluminiums aus dem Verbrauch an NaOH
zu bestimmen.
68                                                                    Gruppe 6b, SS2006, V7: Kationenaustauschkapazität

27. Ergebnisse




                                  6,000


                                  5,000
     Al-Austausch [mval/100g] .




                                  4,000


                                  3,000


                                  2,000


                                  1,000


                                  0,000
                                          Kalk Kalk Kalk Kalk Kalk Kalk Kalk Kalk Kalk Kalk Koll. Koll. Löß Löß Ren. Ren.
                                          0-1 0-2 1-1 1-2 2-1 2-2 3-1 3-2 4-1 4-2 1-1 1-2 1-1 1-2 1-1 1-2
                                                                              Proben


Abb.14: Aluminium-Austausch sämtlicher Proben in mval pro 100g Boden.




Mit der in Abb.14 dargestellten Austauschkapazität von Aluminium lassen sich deutliche
Unterschiede zwischen den verschiedenen Proben erkennen. Zusätzlich ist indirekt ein
Zusammenhang mit dem pH-Wert zu erkennen. Hierzu mehr in der Diskussion.


Mit Tab.26 sind alle erhaltenen Werte für die jeweiligen Austauschkapazitäten jedes Kations
bezogen auf alle Proben zusammengestellt.
Um dies übersichtlich zu visualisieren wurde Abb.15 erstellt. Insgesamt ist die Dominanz von
Aluminium und auch Kalzium deutlich zu erkennen.
69                                                                 Gruppe 6b, SS2006, V7: Kationenaustauschkapazität

Tab.26 Gesamtübersicht über die Austauschkapazität der einzelnen Kationen und deren
Summe, die KAK, in [mval 100g–1].

     Probe                                          Na      K        Mg            Ca           Al        Summe
                                                                                                         (= KAK)
 Kalk 0-1                                          0,00    0,069    0,094         0,451       5,440        6,054
 Kalk 0-2                                          0,00    0,080    0,056         0,435       5,160        5,731
 Kalk 1-1                                          0,00    0,104    0,252         3,176       2,440        5,972
 Kalk 1-2                                          0,00    0,193    0,248         3,098       2,520        6,058
 Kalk 2-1                                          0,00    0,389    0,492         0,215       1,680        2,776
 Kalk 2-2                                           0,00   0,637    0,527         0,111       1,200       2,475
 Kalk 3-1                                          0,298   1,325    0,837         0,268       1,000       3,729
 Kalk 3-2                                          0,260   1,311    0,826         0,098       0,920       3,416
 Kalk 4-1                                          0,103   1,119    0,867         0,567       0,760       3,416
 Kalk 4-2                                          0,053   1,255    1,002         0,144       0,800       3,254
 Koll. 1-1                                          0,00   0,723    0,918         2,166       0,400       4,207
 Koll. 1-2                                         0,012   0,655    0,673         0,429       0,400       2,169
 Löß 1-1                                            0,00   0,405    1,157          0,00       1,640       3,200
 Löß 1-2                                            0,00   0,372    1,141         0,778       1,520       3,811
 Ren. 1-1                                          0,066   0,622    0,080         0,210       0,360       1,337
 Ren. 1-2                                          0,023   0,601    0,619         1,437       0,280       2,960




                                               6
       Austauschkapauzität [mval/100g] .




                                               5


                                               4                                                              Na
                                                                                                              K
                                               3                                                              Mg
                                                                                                              Ca
                                               2                                                              Al


                                               1


                                               0
                                           K 1- 1
                                           L ö 1- 2




                                           Re 1-1

                                                    2
                                             alk -1
                                           K 0-2
                                           K 1-1
                                           K 1-2
                                           K 2-1
                                           K 2-2
                                           K 3-1
                                           K 3-2
                                           K 4-1
                                           K 4-2




                                           Lö 1-1
                                           Re 1-2


                                                  1-
                                                  0




                                               l.
                                               l.




                                              n.
                                              n.
                                             alk


                                             alk
                                             alk
                                             alk
                                             alk
                                             alk
                                             alk
                                             alk
                                             alk




                                              ß
                                              ß
                                             ol
                                             ol
                                           K
                                               K




                                                                       Proben


Abb.15: Austauschkapazität der einzelnen Kationen bezogen auf die jeweiligen Proben.
70                                                      Gruppe 6b, SS2006, V7: Kationenaustauschkapazität

Tab.27 Kationenaustauschkapazität der acht Proben mit jeweiligem relativem Fehler.

                                    Probe       Mittelwerte der KAK        Relativer Fehler
                                   Kalk 0              5,893                   2,67 %
                                   Kalk 1              6,015                   0,71 %
                                   Kalk 2              2,623                   5,83 %
                                   Kalk 3              3,573                   4,34 %
                                   Kalk 4              3,335                   2,43 %
                                Kolluvium Ah           3,188                  31,74 %
                                   Löß Ah              3,507                   8,68 %
                                Rendzina Ah            2,149                  37,77 %


In Tab.27 wurde die aus den Einzelwerten der Kationen summierte
Kationenaustauschkapazität dargestellt. Zusätzlich wurde der Mittelwert aus den jeweils 2
Messungen derselben Probe gebildet und der relative Fehler berechnet.
Zum direkten Vergleich der KAK wurde Abb.16 aus Tab.27 erstellt. Die rot-markierten
Säulen sind mit einem Fehler behaftet. Dies wird in der Diskussion näher erläutert.




                         7

                         6

                         5
     KAK [mval/100g] .




                         4

                         3

                         2

                         1

                         0
                             Kalk 0   Kalk 1   Kalk 2    Kalk 3   Kalk 4    Kolluvium Löß Ah Rendzina
                                                                               Ah              Ah


Abb.16: Kationenaustauschkapazität der Proben Kalk1 bis Kalk4 sowie Kolluvium Ah, Löß
      Ah und Rendzina Ah.
71                                      Gruppe 6b, SS2006, V7: Kationenaustauschkapazität

28. Diskussion

In diesem Versuch sollte die Kationenaustauschkapazität von acht verschiedenen
Bodenproben bestimmt werden. Vier dieser Proben sind künstlich mit Kalk angereichert
worden, die übrigen sind unverändert.
Pro Bodenprobe wurden parallel zwei Messungen durchgeführt, was die Genauigkeit durch
spätere Mittelwertbildung erhöht. Zugleich zeigen die zum Teil großen Abweichungen
zwischen den jeweils zwei Messungen derselben Probe, dass sich eine exakte Bestimmung
der KAK nicht mit nur zwei Proben durchführen lässt bzw. unsere Messungen mit Fehlern
behaftet sein müssen.
Relativ kleine Fehler entstehen beim Abwiegen der Proben, Abfüllen des Extraktionsmittels
und beim Filtern. Beim Titrieren entsteht durch die subjektive Farbwahrnehmung und durch
das Ablesen der Bürette ein etwas größerer Fehler, der sich jedoch nur auf das Aluminium
auswirkt. Insgesamt werden diese Fehler jedoch keinen großen Einfluss auf das Ergebnis
haben. Bei der Verdünnung zur Messung mit dem AAS können größere Fehler auftreten. Bei
dieser Tätigkeit (oder bei der Eingabe der Verdünnungswerte in das AAS) muss uns ein
grober Fehler unterlaufen sein. Es wäre auch möglich, dass Proben vertauscht wurden.
Alle im Protokoll rot-markierten Werte (wie in fast allen Tabellen) und Säulen (wie z.B. in
Abb.16) sind durch diesen Fehler belastet und sollten von der Gruppe, die diesen Versuch
vorstellt und dazu die Ergebnisse sämtlicher Gruppen auswertet, nicht berücksichtigt werden.
Im Endeffekt ist das die KAK der Proben Löß Ah, Kolluvium Ah und Rendzina Ah. Das die
Werte fehlerbehaftet sind wird klar, wenn man Tab.24 betrachtet: Als Beispiel dient hier der
Ca-Wert der Proben Kolluvium 1 und Kolluvium 2. Dieser sollte im Idealfall gleich sein oder
zumindest sehr ähnlich. Bei uns unterscheiden sich die beiden Werte allerdings um über
500%. Ähnlich ist es bei dem Ca-Wert der Proben Löß 1 und Löß 2 sowie Rendzina 1 und
Rendzina 2, zudem bei dem Mg-Wert der Proben Rendzina 1 und Rendzina 2. Auffällig ist
zusätzlich, dass bei den erläuterten rot-markierten Werten eine Kommastelle weniger
dargestellt ist als bei den übrigen Werten. Woran das liegt ist uns leider nicht bekannt. Der
Ca-Wert der Proben Kalk 4-1 und Kalk 4-2 ist auch sehr unterschiedlich, wurde von uns hier
jedoch nicht rot-markiert, weil der Unterschied im Vergleich zu den markierten Werten nicht
sehr groß ist. Es ist aber durchaus möglich, dass auch die Ca-Werte der Proben Kalk 2 und
Kalk 3 fehlerhaft sind, dass kann leider nicht ausgeschlossen werden. Die Vormittags-Gruppe
hat hier nämlich wesentlich höhere Werte gemessen als wir.
In Tab.27 ist unter anderem der relative Fehler der jeweiligen Proben zu erkennen. Auch hier
fällt der Einfluss der (eindeutig) fehlerhaften Werte auf die Höhe des relativen Fehlers
deutlich auf. Das Ergebnis der KAK für die Proben Rendzina Ah, Kolluvium Ah und Löß Ah
ist somit nicht sehr aussagekräftig, sondern allenfalls ein grober Näherungswert für die
wirkliche KAK. Auch alle weiteren Proben sind fragwürdig.
Die von uns ermittelte KAK ist relativ niedrig, liegt aber in der von der Literatur angegeben
Größenordung für die der KAK von Mineralböden (Kuntze et al., 1994, S. 118, 119).
Auffällig ist, dass der Anteil des Aluminiums an der KAK mit steigender Aufkalkung deutlich
sinkt (siehe Abb.14). Auch beim Rendzina, der viel Kalk enthält, ist der Anteil sehr niedrig.
Im Allgemeinen steigt die KAK mit steigendem pH Wert (siehe Einleitung) und damit ja auch
mit zunehmender Aufkalkung. Im Falle des Aluminiums ist dies jedoch der umgekehrte Fall.
72                                     Gruppe 6b, SS2006, V7: Kationenaustauschkapazität

Dies ist dadurch zu erklären das Al bei pH 3…4,8 als Puffer im Boden dient (Al(OH) 3 + 3H+
 Al3+ + 3H2O) und daher erst bei niedrigem pH in der Bodenlösung als austauschbares
Kation wirkt. (Nieder 2006, S. 233; Scheffer/Schachtschabel 1998, S. 104)
Bei einem höheren pH, wie er durch die Aufkalkung erreicht wurde, sinkt die
Austauschkapazität von Al nun stark ab, wie es auch mit unseren Ergebnissen übereinstimmt.
Durch die Dominanz des Aluminiums (bei unseren Proben) wirkt sich dies sehr deutlich auf
die KAK aus. Dies kann nur mit einem Messfehler erklärt werden, da eine große Dominanz
von Kalzium zu erwarten wäre. Weiterhin liegt damit auch die gesamte KAK um eine
Größenordnung zu niedrig.
An Abb.15 lässt sich entnehmen, dass die Probe Kalk 1 wahrscheinlich mit Kalziumcarbonat,
die Probe 3 und 4 mit Kalium- und Magnesiumcarbonat angereichert wurde. Die Aufkalkung
von Probe Kalk 2 lässt sich nicht erkennen, was wiederum ein Hinweis auf
Messungenauigkeiten sein kann.
73                                                             Gruppe 6b, SS2006, Literatur



Literatur


Durner, W. und Nieder, R. (2006): Bodenkundliches Praktikum I. Skript. Institut für
       Geoökologie, Abteilung Bodenkunde und Bodenphysik, TU Braunschweig.
Fischer, U., Heinzler, M., Kilgus, R., Näher, F., Oesterle, S., Paetzold, H., Röhrer, W.,
       Stephand, A., Winkow, R., (2002): Tabellenbuch Metall, 42. Auflage, Europa Verlag,
       Haan-Gruiten 2002, 392 Seiten.
Hartge, K, Horn, R. (1999): Einführung in die Bodenphysik, 3. Auflage, Ferdinand Enke
       Verlag Stuttgart 1999, 304 Seiten.
Kuntze, H., G. Roeschmann und G. Schwerdtfeger (1994): Bodenkunde, 5. Auflage, Verlag
      Eugen Ulmer, Stuttgart 1994, 304 Seiten.
Nieder, R. 2005: Bodenkunde I, Braunschweig 2005.
Scheffer/Schachtschabel (1998): Lehrbuch der Bodenkunde, 14. Auflage, Ferdinand Enke
       Verlag Stuttgart 1998.
Schroeder, D.(1978): Bodenkunde in Stichworten, 3. Auflage, Verlag Ferdinand Hirt,
      Kiel.
Sponagel et al. (2005): Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. Auflage, Hannover 2005.
http://de.wikipedia.de, verifiziert 7.05.2006.

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Categories:
Tags:
Stats:
views:40
posted:2/12/2012
language:
pages:73