Zusammenfassung Band 3

Braun, P. (1991): Gefügeverfestigung in Auenböden des Mittelrheins.

Ausgangspunkt der Untersuchungen war das Problem einer erschwerten landwirtschaftlichen Bewirtschaftung der Auenböden am Mittelrhein wegen einer sehr starken Gefügeverfestigung bei Austrocknung und der Gefahr durch Trockenstreß. Vermutet wurde eine Beeinflussung der vor allem spätpleistozänen bis frühholozänen Auensedimente durch eingeschwemmte, feinkörnige, vulkanische Lockerprodukte bzw. deren Verwitterungsneubildungen (Allophane, amorphe Kieselsäure) aus der Osteifel und besonders aus dem Laacher-See-Vulkanismus. Neben ausgewählten Profilen aus dem Mittelrheingebiet wurden zum Vergleich Auenböden aus dem Lippe- und Möhnetal mituntersucht, da hier eine Beeinflussung durch Tephra-Material weitestgehend ausgeschlossen werden kann. Eine weitere Vergleichsgruppe bestand aus echten Tephraböden aus dem Laacher-See-Gebiet. Ein vorrangiges Ziel der durchgeführten Arbeit war die Kennzeichnung des Ausmaßes und die Ergründung der Ursachen der Gefügeverfestigung in den mittelrheinischen Alluvialböden.

Das starke Ausmaß der Verfestigung wird bereits durch recht hohe Lagerungsdichten (dB=l,5-2) indiziert, wobei die Rheinböden, ganz im Gegensatz zu den Lippe- und Möhneböden, zusätzlich auch noch deutlich höhere Aggregatlagerungsdichten d(aggr.)>dB aufweisen. Die reinen Tephrasubstrate, aber auch stark bimshaltige Rhein-Horizonte, besitzen infolge der blasigen Bimskörper und der großen Oberfläche der Allophane vergleichsweise niedrige Lagerungsdichten, die sich in Extremfällen dem für Andisols geforderten Wert von O,9 g/ml annähern.

Das Porenvolumen fällt bei den Rheinböden relativ niedrig aus, jüngere Rheinsedimente unterscheiden sich vor allem durch einen höheren Anteil weiter Grobporen. Durchgeführte Mikrountersuchungen konnten belegen, daß das an Stechzylindern ermittelte Porenvolumen und die Porengrößenverteilung in den zur Verfestigung neigenden Horizonten nicht oder nur sehr unzureichend die aggregatspezifische Porosität zu beschreiben vermag. Infolgedessen erfassen auch die kf-Werte nicht das Intraaggregatporensystem.

Das Ausmaß der Verfestigung wurde in Serienmessungen durch den Eindringwiderstand des Aggregatverbandes in Stechzylindern gemessen. Dieser Wert, dessen Dimensionierung unerheblich ist, sollte weniger absolut aussagekräftig sein, als vielmehr relative Festigkeitsunterschiede zwischen Böden und Aggregaten aufzeigen.

Korrelationsstatistische und multivariate Analysen geben Hinweise auf Abhängigkeiten von bodenphysikalischen und bodenchemischen Parametern. In erster Linie zeigt sich eine starke Korrelation mit dem Wassergehalt. Neben abnehmendemTeta, was zur Kontraktion der Bodenmatrix, zur Erhöhung der Kornkontaktpunkte, zur Verstärkung der gegenseitigen Partikelabstützung und zu einer Vergrößerung der Kohäsionskraft der Wassermenisken führt, spielen vor allem auch die effektive Lagerungsdichte, der U-Anteil und der spezifische Stoffbestand eine entscheidende Rolle im räumlichen Verband. Im Zuge der Austrocknung ergibt sich für die untersuchten Böden ein gruppenspezifisches Verhalten. Die Rheinböden zeigen bereits sehr früh starke kapillare Wasserbindungen, die offensichtlich durch Mikroporen und Allophanakkumulationen hervorgerufen werden. Schon im Bereich von pF 1,8-2,5 setzt ein starker Verfestigungsschub ein. Ab pF 4,2 neigt das Material zur Schrumpfung und Hysteresis. Bei pF 7 werden die stärksten Verfestigungsgrade erreicht, die mit fast 1000 kg/cm2 den für Tepetate berichteten Verfestigungswerten entsprechen (MIEHLICH, 1984). Das Verhärtungsausmaß überragt somit um ein Mehrfaches die Werte ähnlich texturierter - und Möhneböden. Weniger stark verfestigt sind humose Ap-, sandige C- und sedimentationsgeschichtlich junge Horizonte. Die Eindringwiderstandskurven der Rheinböden folgen i.d.R. quadratischen bzw. exponentiellen Funktionen, die Kurven der Lippe- und Möhneböden verlaufen im Gegensatz dazu relativ flach und sind überwiegend linear. Nichtlinear und etwas steiler als die Kurven der Lippeund Möhneböden verlaufen die biquadratischen (4.Polynom) Eindringwiderstandskurven der Tephraböden. Wegen der gröberen, z.T. skelettreichen Textur erreichen diese Substrate allerdings nicht die starken Verfestigungsgrade der Rheinsubstrate. Die Verfestigung der Tephraböden steigt besonders ab pF 2,5, zeigt eine deutliche Abhängigkeit vom U- und T-Gehalt sowie von der Menge an Allophanen und Sesquioxiden und ist besonders in verbraunten und Lessivé-Horizonten ausgeprägt.

Wegen eines zu geringen originären Eintrags stellt die organische Substanz für die Verfestigung der Rheinhorizonte keine Einflußgröße dar. Sie vermag allenfalls bis pF 2,5 einen aggregatstabilisierenden Effekt auszuüben, verfestigend wirkt sie jedoch nicht. Auch dem Ton kommt nicht die erwartete Bedeutung für das Ausmaß der Verfestigung zu. Nur indirekt, in Kopplung mit der effektiven Lagerungsdichte, zeigt sich eine schwache Korrelation bei hohen pF-Stufen. CaCO3 wirkt lediglich bei den Lippeböden verfestigend. Hinsichtlich der Rhein-Horizonte zeigen multivariate Analysen für den Allophangehalt, die U- und fU-Menge, amorphe Kieselsäure und amorphe Fe-Oxide signifikante Korrelationen mit dem Eindringwiderstand. Multiple Regressionsgleichungen nähern sich dem realen Wirkungsgefüge und ermöglichen besonders für die reinen B-Horizonte eine recht scharfe Kennzeichnung. Hierbei zeigt sich auch die verkittende Wirkung der wasserlöslichen Kieselsäure im Indurationsprozeß.

Die von SCHRÖDER (1979) und MIEDEMA (1987) für das Niederrheingebiet beschriebene altersabhängige Gefügeverhärtung kann bestätigt werden. Sofern die nicht immer klare Trennung möglich ist, zeigen die spätpleistozänen Substrate ein stärkeres Verfestigungsausmaß als die jungholozänen Sedimente.

Nachdem die Wirkung des räumlichen Verbandes auf die Gefügeverfestigung herausgearbeitet werden konnte, stellte sich die Frage nach der kausalen Ursachenerforschung für die Gefügeverfestigung. Von initialer Bedeutung sind hierbei der Sediment- und Stoffbestand, die im Laufe der Pedogenese einem komplexen Wechselspiel von Transformations- und Translokationsprozessen unterliegen. Eine tiefgreifende Homogenisierung hat offensichtlich in den Substraten nicht statgefunden. CaCO3 findet sich i.d.R. nur noch sekundär angereichert in Cc-Horizonten. Nicht zuletzt auch anhand der Eindringwiderstandsmessungen ist abzulesen, daß hierdurch allenfalls relativ instabile Aggregierungseffekte bedingt sind. Wenngleich auch durch originären Solumeintrag die reale Verbraunungsintensität maskiert wird, so führte dennoch die Decalcifizierung zu einer Vermehrung von Sesquioxiden und Anreicherung amorpher Verbindungen. Eine Differenzierung nach der Körnung läßt sich für die unterschiedlich alten und verfestigten Horizonte kaum vornehmen. Wohl aber begünstigen qualitative Unterschiede in der Körnung die Gefügeverfestigung. Zum einen fördern die plättchenförmigen U- und vor allem fU-Partikel Einregelungsprozesse, was letztendlich auch zu einer höheren Lagerungsdichte führt. Zum anderen werden mit der Verwitterung der T- und U-Partikel, die aus dem eingemengten Pyroklastikum stammen, Allophane und amorphe Kieselsäure freigesetzt, was sich am Tephra-Material relativ gut durch chemische Analysen sowie REM- und EDAX-Untersuchungen nachzeichnen läßt. Diese Kittagenzien und u.U. auch andere, verwandte, schlecht kristallisierte Al-SiVerbindungen gehen Bindungen mit negativ geladenen Tonmineralen ein. Eine Imogolitbildung konnte nicht beobachtet werden. Im Zuge von Austrocknungszyklen, häufig wiederholten Quellungs- und Schrumpfungsereignissen sowie Porengrößenumverteilungen kommt es schließlich zu horizontalen Spannungserhöhungen im Aggregat.

Sowohl in den Rhein- als auch in den Tephraböden läßt sich die Präsenz von Allophan durch die Fluoridadsorption nur ansatzweise konstatieren, was wahrscheinlich auf zu geringe absolute Gehalte und starke Interferenzen durch andere Stoffe (Ferrihydrit, organische Substanz, CaCO3) zurückzuführen ist. Deutlich bimsbeeinflußtes Material zeigt aber im Anionenfixierungsverhalten große Ähnlichkeit mit Referenzproben aus reinem Allophan und amorpher Kieselsäure. Deutliche Hinweise auf Allophane und/oder verwandte amorphe bis parakristalline Verbindungen geben chemische Extraktionsverfahren (bes. oxalatlösliche Si- und Al-Verbindungen), ein großer Untergrundbuckel bei der Röntgenanalyse der Feintonfraktion, charakteristische DTA-Spektren und im REM erkennbare 20-l00 Å große blumenkohlartige, kugel- bis wolkenartige Aufwüchse. Die Bildung von Allophanen und kaolinitisch-halloysitischen Ubergangsmineralen deckt sich mit der für Laacher-See-Tephra beschriebenen Verwitterungssequenz. Die wahrscheinlich auch rezente, mit der Verwitterung synchron verlaufende Allophanbildung aus den blasigen Bimskörpern wird hauptsächlich durch die Kieselsäurekonzentration in der Bodenlösung kontrolliert. Bei depositionsbedingter starker Bimskonzentration im Sediment wird auch lößbürtiges Material in den Allophanisierungsprozeß (Festkörperreaktionen durch Kieselsäureummantelung) einbezogen.

Gefüge- und Aggregatstruktur erfahren somit ihr Initialstadium im Mikro- und Mesobereich. Die Folge ist, daß besonders in den kompakten B-Horizonten der Rheinböden häufig ein rascher Ubergang vom Prismen- zum scharfkantigen Polyedergefüge erfolgt. Warum aber der Einregelungsgrad in den älteren Substraten so sehr viel höher ist als in den jüngeren und in den Lippe- und Möhnesedimenten und ob dieses u.U. durch Plasmareorientierungen infolge periglazialer Gefrier- und Schmelzzyklen rheologisch erklärbar ist, bleibt noch weitgehend unklar. Eine Beziehung zu den genetisch ebenso ungeklärten fragipans drängt sich auch anderen Autoren auf.

Ein Verfestigungseffekt ist schließlich auch auf den anisotropen Porenraum zurückzuführen. Durchgeführte Mikrountersuchungen bestätigen zum einen Anlagerungs- und Konzentrierungsvorgänge (REM, EDAX, EMA), zum anderen Porenumverteilungen (REM, IBAS) auf den Aggregatoberflächen. Wenngleich auch Lessivierungsprozesse nachweisbar sind, so spielt die Aggregatummantelung durch Ton eine nur untergeordnete Rolle. Wie EDAX- und EMA-Transsektionsmessungen ergeben, bestehen die Oberflächencutane häufig bis in dem Bereich des Makrofeingefüges aus dünnen Kieselsäureüberzügen, wie sie z.B. auch, allerdings in ausgeprägterer Form, von mexikanischen, neuseeländischen und australischen Tephraböden berichtet werden. Kolloidale Kieselsäure und Allophane können aus dem Entstehungsbereich (z.B. Bimsakkumulationsschichten) in andere Horizonte transportiert und dort akkumuliert werden. Trotz kontinuierlicher Auswaschung kommt es wegen Porendiskontinuitäten, Veränderung des Saugspannungsgradienten und Abnahme des Transportwasserfilms zur Ausfilterung an den Aggregatoberflächen. Hinzu kommen Sorptions- und Polymerisationsprozesse an einer Initialschicht. Periodische Austrocknungszyklen fördern schließlich die Induration. Diese Oberflächenversiegelung verstärkt die Gefügeausprägung, begünstigt die Glättung der Polyederflächen und fördert die Leitfähigkeit in den Sekundärporen. Die verfestigten Horizonte weisen nicht zuletzt deshalb eine vergleichsweise gute Wasserleitfähigkeit auf.

Eine weitere Folge der Oberflächenversiegelung ist eine rasche Porengrößenumverteilung im Außenbereich der Aggregate. Quantifizierende Aufschlüsse hierüber geben IBAS-Untersuchungen. Die verfestigten Rhein-Aggregate besitzen im Vergleich zu den anderen Böden die jeweils geringste Porenanzahl pro Fläche sowie den geringsten prozentualen Porenanteil pro Fläche. Hinsichtlich verschiedener Alternativen zur Kennzeichnung der Porosität anhand geometrischer Porenparameter erweisen sich der flächenäquivalente und der minimale Porendurchmesser als optimale Größen. Bezüglich aller Parameter zeigen die verfestigten Rhein-Aggregate die jeweils kleinsten Werte. Poren-Häufigkeitsverteilungen besitzen ihr Maximum bei den verfestigten Rhein-Aggregaten im Bereich der Feinporen. Allophanhaltiges Material wird vor allem auch durch die Dominanz von Mikroporen (<0,05µm) charakterisiert. Nicht zuletzt durch die deutlich ausgeprägte Diversität des Inter- und Intraaggregatporenraums wird die heterogene Spannungsverteilung im Bodengefüge begünstigt und die Stabiliät des Einzelaggregats erhöht.

Die Verfestigungsprozesse erschweren den Stoffaustausch zwischen dem Inneren und der Oberfläche der Aggregate, sie reduzieren den nutzbaren Wurzelraum und erhöhen den Wasserstreß in dem ohnehin im Sommer etwas trockeneren Gebiet. Tiefenlockerungen sind kaum effektiv, da höchstens vertikale Spannungen im Boden aufgehoben werden, welche aber durch Sackung wieder rasch hergestellt werden. Für die Bodenbearbeitung ergibt sich für die sehr heterogen verteilten Problemflächen nur eine geringe Plastizitätsspanne zwischen verschmierendem, verdichtendem und extrem hartem Zustand. Zur Auflockerung besonders harter Substrate erscheint die Zufuhr organischer Substanz den größten Erfolg zu versprechen.