Zusammenfassung Band 8

Veerhoff, M. (1992): Silicatverwitterung und Veränderungen des Tonmineralbestandes in Waldböden als Folge von Versauerungsvorgängen.

In der vorliegenden Arbeit wurden die charakteristischen Veränderungen des Mineralbestandes als Folge der heute weitflächig auftretenden sehr starken bis extremen Versauerung der Waldböden ermittelt, um Aussagen zum Ausmaß der Mineralzerstörung, Nährstoffverarmung sowie Al-Freisetzung treffen zu können. Zur Erfassung der eingetretenen Veränderungen im Mineralbestand wurden schwerpunktmäßig röntgenographische Analysen durchgeführt und anhand von transmissionselektronen- und rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen ergänzt. Ferner wurden chemische Extraktionsverfahren zur Erfassung der Gehalte und Bindungsformen verschiedener Elemente - insbesondere von Silicium, Aluminium, Eisen und Mangan - angewandt.

Die Untersuchungen erfolgten an sechs Bodenprofilen, von denen sich fünf unter Wald- und eines unter Ackernutzung befinden. Das Ackerbodenprofil liegt in unmittelbarer Nähe zu einem der Waldprofile und wurde als Vergleichsprofil zur Abschätzung der Versauerungseffekte herangezogen. Drei Waldböden befinden sich in der näheren Umgebung von Bonn. Hierbei handelt es sich um eine Parabraunerde, einen Parabraunerde-Gley und einen Parabraunerde-Pseudogley aus Löß. Ferner wurden eine stark bis extrem versauerte Podsol-Parabraunerde aus Geschiebesand/mergel aus der Umgebung von Kiel und ein Parabraunerde-Podsol aus Sandlöß aus dem Reichswald bei Kleve untersucht. Die pH (CaCI2)-Werte der Waldböden, die überwiegend zwischen 2,8 und 4,5 liegen, lassen eine Versauerung bis auf über einen Meter Tiefe erkennen. Damit verbunden weisen die H.AI-lonen Anteile bis 97 % an der Summe der austauschbaren Kationen auf. Die Basensättigung liegt in den humosen A-Horizonten meist zwischen 3 und 20 %. Im Gegensatz dazu weist die Parabraunerde unter Acker im gesamten Profilbereich eine Basensättigung von über 90 % auf.

Die Profilbilanzen der Waldböden aus Löß zeigen im Vergleich zum Ackerboden eine beträchtliche Verarmung an Alkali- und Erdalkalimetallen (Na, K, Ca und Mg), wobei die stärksten Verluste jeweils in den stark bis extrem versauerten Oberbodenhorizonten auftreten. Die höchsten Elementverluste mit bis zu 68% vom Ausgangsgehalt wurden für Calcium und Magnesium ermittelt. Neben den Alkali- und Erdalkalimetallen ist in den oberen Horizonten der Waldböden eine Verarmung an Mangan, Eisen und Aluminium festzustellen. Aus den Elementverlusten kann gefolgert werden, daß in Abhängigkeit von der Bodenreaktion und den jeweils vorliegenden Redoxvarhältnissen Mangan stärker als Eisen und dieses wiederum stärker als Aluminium durch Silicalverwitterung und -zerstörung freigesetzt und in andere Bindungsformen überführt bzw. verlagert wurde. Die geringe Löslichkeit von Si-Oxiden, insbesondere von Quarz. sowie die starke Verlagerung und Auswaschung von Alkali- und Erdalkalimetallen sowie an Mangan, Eisen und Aluminium führten zu einer relativen Anreicherung von Silicium in den sehr stark bis extrem versauerten Oberböden der Waldprofile. In der Parabraunerde unter Acker konnten keine Si-Gewinne festgestellt werden. Wie aus den Tiefenfunktionen der Na-, K-, Ca-, Mg-, Mn-, Fe- und Al-Gehalte sowie aus den Profilbilanzen für die verschiedenen Kornfraktionen der Parabraunerde unter Wald (Profil KO 3) hervorgeht, treten die höchsten relativen Elementverluste in der,Sandfraktion sowie in der Grob- und Mittelschlufffraktion auf. Diese Ergebnisse werden durch die quantitativen röntgenographischen Analysen der Sand- und Schlufffraktionen aller Waldböden bestätigt. Sie zeigen in den sehr stark bis extrem versauerten Horizonten eine Abnahme der Feldspatgehalte sowie eine relative Anreicherung von Ouarz. Die Phyllosilicate sind mit geringen Anteilen am Mineralbestand überwiegend auf die Feinschlufffraktionen der geringer versauerten Unterbodenhorizonte beschränkt. In den Oberböden nahezu aller Waldprofile fehlen Phyllosilicate weitgehend in den Sand- und Schlufffraktionen.

Die Ergebnisse aus den Röntgenanalysen der Tonfraktionen zeigen in allen Waldböden eine Zunahme der 1,8 nm-Minerale vom Ober- zum Unterboden, während die Al-Chlorite meist in einer Tiefe von 20-60 cm ihre höchsten Gehalte aufweisen. Zum Unterboden hin nehmen die Al-Chlorit-Anteile erneut stark ab. Die nahezu gleichbleibenden lllit-Anteile in den nicht podsolierten Waldböden aus Löß lassen auf eine Umwandlung quellfähiger Dreischichttonminerale zu Al-Chloriten schließen. Bildung von Al-Chloriten durch die Einlagerung von Al-Hydroxo-Kationen in die Zwischenschichten aufweitbarer Tonminerale stellt eine charakteristische und bedeutende Veränderung des Tonmineralbestandes als Folge der Bodenversauerung dar. Mit der Blockierung der Zwischenschichträume aufweitbarer Tonminerale und deren äußeren Oberflächen durch Al-Hydroxo-Kationen nimmt die Kationenaustauschkapazität der Tonminerale ab. Mit fortschreitender Versauerung findet im stark bis sehr stark sauren pH-Bereich (pH < 3,5) eine Protonierung und Chelatisierung der Al-Hydroxo-Kationen statt, und Aluminium wird wieder aus den Zwischenschichträumen der Al-Chlorite gelöst. Es entstehen erneut aufweitbare Tonminerale, die aufgrund ihrer niedrigen Schichtladung auf über 2,0 nm aufweitbar sind. Untersuchungen an Fein-, Mittel-und Grobtonfraktionen von Oberböden mit unterschiedlichen pH-Werten machen wahrscheinlich, dafl die Dechloritisierung in den feinsten Fraktionen einsetzt und auf immer gröbere Tonfraktionen übergreift. Wie die Röntgenanalysen der Tonfraktionen stark bis extrem versauerter Horizonte zeigen, wird die Rückbildung von Al-Chloriten zu aufweitbaren Tonmineralen von einer Tonmineralzerstörung begleitet, die zu einer irreversiblen Degradierung der ßöden führt. In den podsolierten Waldböden ist die Tonmineralzerstörung bereits soweit fortgeschritten, daß lllit, der im Unterboden noch als Hauptbestandteil mit bis zu 55 % am Tonmineralbestand beteiligt ist, auf Anteile unter 20 % abnimmt. Gleichzeitig ist eine starke Anreicherung amorpher Abbauprodukte in der Tonfraktion festzustellen.

Die Ergebnisse aus den röntgenographischen und chemischen Analysen konnten durch REM-Aufnahmen bestätigt werden. Diese zeigen, daß die Mineralverwitterung in den sehr stark bis extrem versauerten Oberböden bereits sehr weit fortgeschritten ist. Die stärksten Auflösungserscheinungen konnten an Feldspäten festgestellt werden. Intensität und Strukturen der Korrosion weisen eine enge Abhängigkeit zum pH-Wert der jeweiligen Horizonte auf. Die bei der Silicatverwitterung und -zerstörung entstandenen Abbauprodukte liegen, wie EDAX-Analysen zeigen, zumeist als amorphe, kieselsäurereiche Verkittungen oder Aufwachsungen auf Silicat- und Ouarzoberflächen vor. Anhand von Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahmen der Feinsttonfraktionen stark bis extrem versauerter Horizonte konnten rundliche, kettenförmig miteinander verbundene, vermutlich Si-reiche Abscheidungen sowie amorphe Ausfällungen auf Tonmineraloberflächen festgestellt werden. Mit der Zerstörung der Silicate. insbesondere in der Tonfraktion, und einem teilweise stattfindenden sekundären Ouarzwachstum findet ein Prozeß der Versandung in den sehr stark bis extrem sauren Oberbodenhorizonten der Waldböden statt.