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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gemisch aus vulkanischen und mineralischen Rohstoffen sowie ein aus dem Gemisch bestehendes Pflanzsubstrat und schließlich eine Bodenschicht aus einem entsprechenden Pflanzsubstrat.
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Insbesondere in ariden (trockenen, dürren) Klimazonen besteht das Problem, dass die meist sandigen Böden nur bedingt oder überhaupt nicht zur pflanzlichen Kultivierung geeignet sind. Geringer Niederschlag ist ein großes Problem. Auch bei künstlicher Bewässerung erweist sich die pflanzliche Kultivierung als äußerst schwierig, da nämlich das Wasser – wie auch bei starken Regenfällen – zu schnell durch den wasserdurchlässigen Sandboden hindurch sickert und von den Pflanzen nur in geringem Umfange aufgenommen werden kann. Demnach erweist sich die Bepflanzung in ariden Klimazonen äußerst schwierig und ist vielerorts in Ermangelung hinreichender Wassermengen geradezu unmöglich.
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Aus der Praxis sind bereits Pflanzsubstrate bekannt, die aufgrund ihrer Konsistenz gegenüber dem reinen Sand ein erhöhtes Wasserspeichervermögen aufweisen. Jedoch reicht das damit erzielte Wasserspeichervermögen nicht aus, die Pflanzen über längere Perioden hinweg mit hinreichend Wasser zu versorgen. Außerdem haben die aus der Praxis bekannten Pflanzsubstrate den Nachteile, dass sie meist einen hohen Salzgehalt haben, der einem idealen Pflanzenwachstum entgegenwirkt. Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik Pflanzsubstrate aus Kunststoffen bekannt, die ein gewisses Wasserspeichervolumen haben. Diesbezügliche Materialien sind aufwendig in der Herstellung und ökologisch bedenklich. Außerdem verändern sie ihre Konsistenz und ihre Wasserspeicherfähigkeit im Verlaufe ihres Einsatzes, so dass deren Einsatz zur pflanzlichen Kultivierung unbefriedigend ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gemisch zur Verwendung als Pflanzsubstrat bzw. zur Herstellung einer Bodenschicht sowie ein Pflanzsubstrat und eine Bodenschicht anzugeben, welches/welche sich für aride Klimazonen eignet, um dort nämlich eine Bepflanzung vornehmen zu können. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Gemischs soll die Anlage einer Grundvegetation möglich sein. Die Landwirtschaft soll dadurch gefördert werden.
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Die voranstehende Aufgabe ist in Bezug auf ein geeignetes Gemisch durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Pflanzsubstrat besteht aus einem erfindungsgemäßen Gemisch. Entsprechend ist die erfindungsgemäße Bodenschicht aus dem Pflanzsubstrat hergestellt. Das erfindungsgemäße Gemisch besteht aus vulkanischen und mineralischen Rohstoffen und dient als Pflanzsubstrat bzw. zur Herstellung einer Bodenschicht zur pflanzlichen Kultivierung, insbesondere zur Anwendung in ariden Klimazonen. Es eignet sich besonders gut zur Anwendung in Gebieten mit Wasserknappheit, vor allem dann, wenn auch bei künstlicher Bewässerung das Wasser sehr schnell im Boden versickert.
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In erfindungsgemäßer Weise wurden die vulkanischen und mineralischen Rohstoffe derart kombiniert, dass sie über ein insbesondere für trockene Klimazonen geeignetes Wasserspeichervermögen mit einer Volumenaufnahme von über 50 Vol.% Wasser verfügen. Das Gemisch ist derart generiert bzw. kombiniert, dass es gleichzeitig über eine Depotwirkung zur Abgabe mineralischer Nährstoffe verfügt, so dass ein entsprechend hergestellter Pflanzboden nicht nur die Bewässerung begünstigt, sondern auch gleichzeitig Nährstoffe für die Pflanzen freigibt. Mit dem erfindungsgemäßen Gemisch lässt sich ein idealer Boden zum Anbau von Pflanzen schaffen, einerseits zur Schaffung einer Grundvegetation und andererseits im Rahmen landwirtschaftlicher Aktivitäten.
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Das erfindungsgemäße Gemisch aus vulkanischen und mineralischen Rohstoffen ergibt einen geringeren Wasserverbrauch pro Zeiteinheit gegenüber den vorhandenen Böden in ariden Klimazonen. Diese Eigenschaft reduziert die benötigte Wassermenge, die in diesen Regionen primär über Meerwasserentsalzungsanlagen gewonnen wird. In solchen Regionen leben ca. 5% der Weltbevölkerung, aber befinden sich nur 3% der natürlichen Wasserressourcen. Dieses Verhältnis wird sich in den nächsten Jahren weiter verschlechtern. Die Herstellung von Trink- und Nutzwasser ist mit enormem Aufwand und somit mit enormen Kosten verbunden. Das erfindungsgemäße Gemisch soll dazu beitragen, die zuvor angesprochenen Kosten ganz erheblich, und zwar langfristig, zu senken.
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Im Konkreten sind als vulkanische Rohstoffe Lava, Bims, Tuff und Selbergit vorgesehen. Dazu im Einzelnen folgendes:
Die erfindungsgemäß verwendbare Lava ist ein abgekühltes Magma, das bei einer Vulkaneruption aus dem Schlot ausgeschleudert wurde und in unterschiedlichen Klastengrößen als Fallout auf dem Boden zur Ablagerung gelangte.
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Lavaklasten, die bei einer magmatischen Eruption ausgeschleudert wurden, sind durch eine erhebliche Porosität gekennzeichnet. Diese ist durch freigesetztes und expandierendes magmatisches Gas während der Eruption entstanden. Blasenhohlräume sind gebildet.
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Die Blasenhohlräume sind an der Oberfläche der Lavaklasten offenporig. Im Inneren der Lavaklasten sind unterschiedlich große Blasenhohlräume mit der Klastenoberfläche verbunden oder als geschlossene Blasenhohlräume in den Lavaklasten inhomogen verteilt/eingeschlossen.
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Lavaklasten, die bei einer hyaloklastischen bzw. phreatomagmatischen Eruption ausgeschleudert wurden, sind von kleinsten Fragmenten des Grundgebirges, älterer Tephra und Xenolithen, ummantelt.
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Die erfindungsgemäß verwendbaren Lavaklasten sind Lapilli und Aschen (Klastengröße < 64 mm im Durchmesser) mit einer basaltischen und/oder basanitischen chemischen Zusammensetzung. Die kantengerundeten Lapilli weisen auf der Oberfläche feinste Aschenanlagerungen auf. Viele Blasenhohlräume in den Lapilli und in den Zwischenhohlräumen zwischen den Lapilli sind marginal zementiert mit Palagonit.
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Durch die Offenporigkeit der Lavaklasten ist eine erhebliche Wasserspeicherfähigkeit gegeben. Die chemische Zusammensetzung und die Zeolithe stellen der Pflanzenwelt natürliche Nährstoffe zur Verfügung. Die kantengerundete Oberfläche der offenporigen Lapilli ermöglichen der Vegetation einen geeigneten Durchwurzelungsraum.
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Selbergit, allgemein als Phonolith bezeichnet, ist ein vulkanisches Gestein. Magma ist in zur Erdoberfläche nahe Bereiche aufgestiegen, jedoch nicht zur Eruption gelangt und erkaltet. Es bildeten sich magmengefüllte Körper, die heute als Phonolithkegel das Landschaftsbild prägen. Der Phonolith weist einen hohen Gehalt an Alkalien (Kalium- und Natriumoxyd) auf.
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Als Kalidünger ist der Phonolith bei der Düngerherstellung einsetzbar. Die Pflanzenverfügbarkeit des Kali im Boden ist jedoch erst nach ca. 3–5 Jahren gegeben. Jedoch steht das Kali den Pflanzen als Nährstoff über Jahre zur Verfügung.
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Der erfindungsgemäß verwendbare Bims hat eine phonolitische chemische Zusammensetzung. Der Bims entstammt einem siliziumreichen Magma (+/–55 Gew.%), das in plinianischen Eruptionen eruptierte. Der Bims wurde wie die Lava als Fallout abgelagert. Auf Grund eines im Magma gebundenen hohen Gasanteils, der bei der Eruption freigesetzt wurde, ist das Magma in verschieden große Bimsklasten fragmentiert worden. Die Bimsklasten weisen offenporige und geschlossene Blasenhohlräume auf. Die Porosität kann in den Bimsklasten über 80 Vol.% betragen.
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Der Bims erreicht durch seine Porosität ein hohes Luftporenvolumen und somit eine hohe Wasserspeicherkapazität. Der erfindungsgemäß bevorzugte Bims weist einen hohen Gehalt an pflanzenverfügbarem Kalium auf.
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Tuff entsteht aus den posteruptiven Ablagerungen von pyroklastischen Strömen. Diese bilden sich z. B. bei dem Zusammenbruch einer plinianischen Eruptionssäule. Die in dem hochenergetischen und bis zu 600° Celsius heißen pyroklastischen Strömen enthaltenen Bimsklasten werden zerstört und lagern sich als kleinste Bimsfragmente (Staub) ab. Posteruptiv haben sich über tausende von Jahren Sekundärminerale auf der offenporigen Oberfläche und zwischen den Aschepartikeln bei einer fortschreitenden Niedrigtemperatur Diagenese im Kontakt mit Wasser gebildet. Die neugebildeten Minerale werden Zeolithe genannt und zementieren die Bimsfragmente und die in den pyroklastischen Strömen transportierten Gesteine zu einem Tuffstein.
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Der erfindungsgemäß verwendbare kaliumhaltige Tuff hat eine phonolitische chemische Zusammensetzung und weist ca. 15 Massenprozent Zeolithe auf. Der Tuff weist eine hohe maximale Wasserkapazität auf bei einem gleichzeitig sehr günstigen Luftporenvolumen und einer als hinreichend gut einzustufenden Wasserdurchlässigkeit. Die Karbonat- und Salzkonzentration ist im Tuff sehr niedrig.
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Als mineralische Rohstoffe dienen Naturzeolithe und Ton. Dazu folgendes:
Als Zeolithe werden im Allgemeinen zeolithhaltige Gesteine bezeichnet. Der Begriff „Zeolith” kennzeichnet eine weitverbreitete Gruppe von kristallinen Silikaten, insbesondere wasserhaltige Alkali- bzw. Erdalkalialumosilikate. Die hier nutzbaren Zeolithe sind überwiegend Analcim, Phillipsit und Chabasit.
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Die Zeolithe weisen im Allgemeinen ein lockeres und dreidimensionales Netzwerk aus SiO4- und/oder AlO4-Tetraedern auf, das ein System von Kanälen und Hohlräumen von charakteristischer Dimension hat. Die spezielle Gitterstruktur erreicht eine Oberfläche bis zu ca. 400 m2/g. Dadurch hat der Zeolith das Potential für eine hohe Wasser-Speicherkapazität. Zeolithe können des Weiteren beachtliche Mengen an kondensierten Wasserdampf (Tau) aufnehmen.
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Negative Überschussladungen des Zeolith-Netzwerkes werden durch Kationen wie Natrium, Kalium und Calcium ausgeglichen. Die Ionen können im Kontakt mit Lösungen (z. B. NaCl) gegen andere Ionen ausgetauscht werden. Des Weiteren sind die Hohlräume der Kristallstruktur unter natürlichen Bedingungen mit Wasser gefüllt.
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Vorzugsweise wird Tuff mit kaliumhaltigen Zeolith Tuff eingesetzt. In der Matrix des Tuffs bilden sich Phillipsit und Chabasit als Übergangsphase in Bezug auf Analcim und Kalifeldspat. Neben Kalifeldspat enthält Philipsit vorzugsweise Kaliumionen, d. h. Phillipsit ist kaliumnormativ mit hohen Gehalten an K2O. Dies hat den Vorteil, dass ein solcher Zeolith Kalium gegen entsprechende Gegenionen pflanzenverfügbar austauscht. Die Adsorptionskapazität wird auch als Kationenaustauschkapazität bezeichnet. Diese beschreibt die Fähigkeit eines Materials, positiv geladene Ionen reversibel an seinen Oberflächen anzulagern. Der Zeolith bietet somit eine wichtige Speicherfunktion für Nährstoffe. Der zeolithhaltige Tuff weist mit 440 (mmol/Z/l) im Vergleich zu Lava, Bims und Ton mit << 100 (mmol/Z/l) eine hohe Kationenaustauschkapazität auf.
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Dieser in den Tuffen enthaltende Zeolith ist in seinen bodenchemischen und physikalischen Eigenschaften wertbestimmend für die vegetationstechnischen Merkmale des Mineralgemisches. Der zeolithhaltige Tuff ersetzt in Naturböden die sonst an Tonminerale oder organische Substanz gebundene Nährstoff- und Pufferkapazität, die eine zusätzliche Aufbereitung mit Dünger benötigen.
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Die in vorteilhafter Weise eingesetzten Zeolithe weisen im Mineralgemisch folgenden Nutzen auf. Die Zeolithe ermöglichen eine hohe Wasser-Speicherkapazität. Zeolithe optimieren somit die Wasserversorgung der Böden und verringern den Wasserverbrauch. Zeolithe nehmen kondensierten Wasserdampf (Tau) auf und geben diesen an die Pflanzen ab. Zeolithe verringern den Einsatz von Dünger, da sich der Stickstoffbedarf reduziert.
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Naturzeolith (mit dem mineralogischen Bezeichnung Klinoptilolith) wird im Mineralgemisch in vorteilhafter Weise eingesetzt, um den Zeolithanteil auf > 20 Vol.% zu steigern.
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Langzeitversuche haben gezeigt, dass die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Naturzeolithen sogar den Anforderungen entsprechen, die an ein Filtermaterial für Wasser zur Trinkwassergewinnung gestellt werden. Die Einsatzdauer bei der Wasseraufbereitung beträgt mehrere Jahre (bis zu 10 Jahre). Zur Regenerierung des Naturzeolithes kann unter anderem Natriumchlorid (NaCl Konz. < 5%) verwendet werden. Beim Einsatz von Natriumchlorid kann eine immer fortschreitende, d. h. unbegrenzte Regenerierung des Naturzeolithes erfolgen. Besonders in ariden Klimazonen weisen sowohl das Grundwasser als auch der Oberboden eine erhöhte Salzkonzentration auf, die dem Naturzeolith zur Verfügung steht.
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Ton definiert zum einen feinkörnige Minerale und zum anderen Schichtsilikate. Diese weisen eine Kristallstruktur aus Silizium und Sauerstoff, sowie Wasserstoff, Magnesium und Aluminium auf. Tonminerale bestehen aus zwei charakteristischen Elementstrukturen, der Tetraederschicht und der Oktaederschicht. Nach Anordnung dieser Schichten werden die Tonminerale in Zweischicht-, Dreischicht- und Vierschicht-Tonminerale unterschieden. Tonminerale sind überwiegend feinkörnig (< 2 μm im Durchmesser). Ein Schichtsilikat, das größer ist als 2 μm (im Durchmesser), ist z. B. Kaolinit.
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Die mehrschichtigen Tonminerale besitzen die Eigenschaft zur Quellung. Sie können temporär und reversibel Wasser in ihren Zwischenschichten aufnehmen. Tonminerale besitzen eine große Mineraloberfläche, an die Stoffe adsorbiert und desorbiert werden können (siehe Zeolithe). Mit der Oberfläche ist eine moderate Kationenaustauschkapazität verbunden. Die Wasserdurchlässigkeit ist in den Tonmineralen gering.
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Der in vorteilhafter Weise verwendete Ton weist einen Mineralbestand von Illit, Smektit, Kaolinit und Quarz auf. Dieser Tonmineralbestand fördert in dem Mineralgemisch die Fähigkeit der Wasser- und Nährstoffadsorption.
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Das Gemisch aus dem zuvor genannten und in Bezug auf deren Eigenschaften erläuterten Rohstoffe kann unter Berücksichtigung des projektorientierten Einsatzes bezogen auf das Gesamtvolumen wie folgt variieren:
5 bis 40 Vol.% Lava,
5 bis 40 Vol.% Bims,
25 bis 85 Vol.% Tuff,
2 bis 20 Vol.% Selbergit,
10 bis 30 Vol.% Naturzeolithe und
2 bis 20 Vol.% Ton,
insbesondere kann das Gemisch wie folgt variieren:
10 bis 25 Vol.% Lava,
15 bis 25 Vol.% Bims,
50 bis 70 Vol.% Tuff,
6 bis 15 Vol.% Selbergit,
15 bis 25 Vol.% Naturzeolithe und
5 bis 10 Vol.% Ton.
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Das Korngrößenspektrum der erfindungsgemäß kombinierten Rohstoffe ist projektorientiert und derart ausgelegt, dass die einzelnen Bestandteile mischungssicher in der Gesamtmischung zusammengestellt bzw. enthalten sind. Somit ist gewährleistet, dass das Gemisch einen fortwährenden Kreislauf von Wasseraufnahme und Austrocknung bei gleichbleibenden physikalischen und chemischen Eigenschaften „durchlebt”. Die Bestandteile des Gemischs liegen in Granulatform vor und können von einer feinsten Pulverstruktur bis zu einer Korngröße von etwa 10 mm Verwendung finden. Es hat sich beispielsweise eine Korngröße von bis zu 6 mm bei Selbergit besonders bewährt. Wie bereits zuvor ausgeführt, hängen die tatsächlich ausgewählten und kombinierten Korngrößen vom projektorientierten Einsatz des Gemischs ab.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn weitere – sekundäre – Bestandteile dem Gemisch beigemengt werden, nämlich sogenannte sekundäre Rohstoffe. Dabei kann es sich um siliziumhaltige Sande oder Silite handeln. Die Zugabe von megamorphem Gestein und Kalk- und Dolormitgestein kann von Vorteil sein. Auch ist es denkbar, in gewissen Mengen organisches Material hinzuzufügen. Grundsätzlich können die sekundären Rohstoffe in einem abgestimmten Volumenanteil beigemengt werden, ohne dass sich die physikalischen Eigenschaften des zuvor erörterten Mineralgemischs in den erfindungsgemäßen Nutzungseigenschaften verändern. Vor allem ist es denkbar, dass bei hinreichend guter Eigenschaft des Gemischs Bestandteile beigemengt werden, die entweder im Sinne eines Bindemittels oder als Füllmaterial zwischen einem mehr oder weniger grobkörnigen Granulat dienen. Beliebige Modifikationen sind denkbar.
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In Bezug auf das Pflanzsubstrat und die daraus erzeugte Bodenschicht sei angemerkt, dass das Gemisch als Beimengung zu schlechten Böden dienen kann, nämlich als anteilige Beimengung zur Aufwertung der Böden. Ebenso kann es sich bei dem Gemisch um ein Pflanzsubstrat handeln, aus dem die zur Bepflanzung herzustellende Bodenschicht komplett aufgebaut wird. Je nach der angestrebten Bepflanzung lassen sich unterschiedliche Bodendicken bzw. -tiefen erzeugen, beispielsweise im Bereich zwischen 20 und 50 cm, vorzugsweise im Bereich von etwa 30 cm, insbesondere dann, wenn ein landwirtschaftlicher Anbau angestrebt wird. Ebenso lässt sich damit eine Grundkultivierung des Bodens vornehmen.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
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1 einen herkömmlichen Boden, wie er typischerweise in trockenen Klimazonen vorkommt; und
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2 einen Boden, der eine Bodenschicht mit einem erfindungsgemäßen Pflanzsubstrat bzw. ein erfindungsgemäßes Gemisch aufweist.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Bodenschicht in trockenen Klimazonen, durch die Regenwasser oder Wasser aus einer künstlichen Bewässerung unmittelbar abläuft, jedenfalls nicht in der die Pflanzen enthaltenden Bodenschicht gespeichert wird. Ein solcher Boden eignet sich wenig zur Bepflanzung, wodurch es äußerst schwierig ist, – in trockenen Klimazonen – dort vorkommende Böden zu kultivieren.
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2 zeigt die Wirkung einer erfindungsgemäßen Bodenschicht, die mit einem erfindungsgemäßen Substrat, nämlich aus einem erfindungsgemäßen mineralischen Gemisch, hergestellt ist. Schematisch ist aufgezeigt, wie die Bodenschicht bzw. das die Bodenschicht bildende Granulat weit über 50% des Gesamtvolumens des Gemischs an Wasser speichert, so dass in Bezug auf das Wasser ein Depot entsteht. Die Bepflanzung wird obendrein dadurch begünstigt, dass die so erzeugte Bodenschicht über eine Depotwirkung zur Abgabe mineralischer Nährstoffe verfügt, so dass mit dem erfindungsgemäßen Gemisch sowohl ein Wasserspeicher als auch ein Nährstoffdepot geschaffen ist.
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Eine weitere wichtige Eigenschaft des erfindungsgemäßen Gemischs ist darin zu sehen, dass im Gegensatz zu den meisten Böden in den zuvor angesprochenen Einsatzgebieten das Gemisch bzw. eine daraus aufgebaute Bodenschicht über einen kapillaren Wasseraufstieg (Permeabilität) verfügt. Dies bedeutet, dass dann, wenn das oberflächennahe Wasser durch die Pflanzen und/oder durch die Sonneneinstrahlung „verbraucht” ist, gespeichertes Wasser aus den unteren Schichten des Gemischs in die oberflächennahen Schichten aufsteigen kann und dabei den Pflanzen zur Verfügung steht. Der kapillaren Wirkung kommt somit eine ganz besondere Bedeutung zu, nämlich in Ergänzung zu der grundsätzlichen Wasserspeichereigenschaft und der mineralische Nährstoffe betreffenden Depotwirkung.
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Das erfindungsgemäße Gemisch aus vulkanischen und mineralischen Rohstoffen lässt sich somit in idealer Weise als Pflanzsubstrat und somit zur Herstellung einer Bodenschicht verwenden, insbesondere auch in ariden Klimazonen.
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Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gemischs wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
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Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.
