DE19638731C1 - Verfahren zur Bestimmung der qualitativen Zusammensetzung der organischen Bodensubstanz von Mineralböden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der qualitativen Zusammensetzung der organischen Bodensub­ stanz (OBS) von Mineralböden mittels Thermogravimetrie, mit dem gewünschtenfalls auch die Bodenkenngrößen Ton­ gehalt, Stickstoffgehalt, Kohlenstoffgehalt, Karbonat­ gehalt, Gesamtmenge umsetzbarer organischer Substanz oder Hygroskopizität bestimmt werden können. Das Ver­ fahren ist einfach und kostengünstig und liefert für alle Mineralböden, unabhängig von Klimazonen, geologi­ schen Ausgangssubstraten, der Bodengenese, der Nut­ zungsrichtung und anderen Einflüssen zuverlässige Wer­ te.

Eines der wichtigsten Merkmale von Mineralböden ist die organische Bodensubstanz. Mit der organischen Bodensub­ stanz werden alle im Boden befindlichen organischen Verbindungen ohne lebende Biomasse bezeichnet. Die OBS setzt sich aus Humus, abgestorbener pflanzlicher und tierischer Biomasse, wasserlöslichen organischen Ver­ bindungen (z. B. Kohlenhydrate, Aminosäuren, mikrobielle Exoenzyme, Lipide, pflanzliche und tierische Hormone u. a.) sowie anderen nichtlebenden organischen Substan­ zen oder organo-mineralischen Komponenten zusammen.

Der Begriff "Humus" kennzeichnet diejenigen organischen Bestandteile von Mineralböden, die sich während der Bo­ denbildung bzw. bei der Bodengenese anreichern. Sie un­ terscheiden sich von allen anderen organischen Substan­ zen durch ihre bodenspezifische Prägung.

Es ist eine große Vielfalt von klassischen Methoden insbesondere zur Analyse der humifizierten Komponenten der OBS bekannt. Sie sind auf eine Identifikation ein­ zelner Komponenten mit physikalischen, chemischen oder biologischen Verfahren ausgerichtet, um Zusammenhänge der OBS zu einzelnen Bodeneigenschaften und insbesonde­ re zur Bodenfruchtbarkeit aufzuklären. Die Entwicklung dieser Methoden orientierte sich fast ausschließlich an regionalen anwendungsorientierten Fragestellungen, ins­ besondere an der Optimierung der Pflanzenernährung.

Mit der Berücksichtigung ökologischer Aspekte in der bodenkundlichen Forschung erfolgte eine zunehmende Ori­ entierung auf mikrobiell leicht abbaubare Komponenten der OBS mit dem Ziel, ökologische Probleme der indu­ striellen Bodennutzung (z. B. Belastung der Gewässer mit Pflanzennährstoffen) z. B. durch verringerte Anwendung von Mineraldüngern und optimierte technologische Auf­ wendungen (z. B. Bodenbearbeitung) zu reduzieren, das Verhalten von Bodenschadstoffen zu beschreiben und an­ dere Effekte (z. B. Versauerung von Waldböden) zu analy­ sieren. Den humifizierten Bestandteilen der OBS wurde in diesem Zusammenhang als relativ stabilen Komponenten eine untergeordnete Bedeutung beigemessen.

Die damit verbundenen Entwicklungen von Methoden zur Qualitätsbewertung von Bestandteilen der OBS orientier­ ten sich ebenfalls an einer Identifikation einzelner Stoffgruppen oder Verbindungen mit direktem Bezug zu aktuellen, regionalen Problemstellungen.

Hinweise auf allgemeingültige Eigenschaften, Funktionen oder Verhaltensweisen der OBS ließen sich aus diesen Methoden nicht ableiten. Aus diesem Grund sind bis heu­ te keine Verfahren bekannt, mit denen die qualitative Zusammensetzung der OBS allgemeingültig bestimmt werden könnte.

In DD 249 972 A1 und DD 252 890 A1 werden beispielswei­ se Verfahren zur Bestimmung der Umsetzbarkeit der orga­ nischen Bodensubstanz beschrieben, bei denen die schwer mineralisierbaren Humussäuren abgetrennt werden, wo­ durch die leicht mineralisierbaren Bestandteile der OBS mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Dies er­ möglicht eine bessere Kalkulation der Nährstofffreiset­ zung aus dem Boden im Jahresverlauf. Beziehungen zu Klassifikationsmerkmalen von Böden, einzelnen Bodenbil­ dungsprozessen oder Eigenschaften der Böden in einzel­ nen Klimazonen, Funktionen der Böden in der Biosphäre oder zu Gesetzmäßigkeiten der Sukzession von Ökosyste­ men lassen sich aus Ergebnissen dieser Methoden nicht ableiten.

DD 259 460 A1 enthält ein Verfahren, daß die unter­ schiedliche Bedeutung der thermischen Stabilität humi­ fizierter und nichthumifizierter Komponenten zur Bewer­ tung der biologischen Zugänglichkeit und damit für die biologische Verwertbarkeit umsetzbarer Komponenten nutzt. Es ergänzt Verfahren zur quantitativen Bestim­ mung umsetzbarer Bestandteile durch einen qualitativen Parameter, bleibt aber auf einzelne Komponenten der OBS und davon abhängige Prozesse der Freisetzung von Pflan­ zennährstoffen beschränkt.

Ähnliche Schlußfolgerungen ergeben sich auch aus Untersu­ chungen zur thermischen Stabilität und biologischen Abbau­ barkeit von Pflanzensubstanzen (Siewert, C. in Archiv für Acker- und Pflanzenbau und Bodenkunde, 1994, Bd. 38, S. 179-193). Die Ergebnisse verweisen auf eine Eignung der Thermogravimetrie zur halbquantitativen Erfassung biolo­ gisch umsetzbarer Anteile und anderer Merkmale (z. B. Hygro­ skopizität) in Ausgangsstoffen der organischen Bodensub­ stanz. Eine Übertragung der Schlußfolgerungen auf die orga­ nische Bodensubstanz oder eine Charakterisierung der quali­ tativen Zusammensetzung der organischen Bodensubstanz ist jedoch mit der beschriebenen Verfahrensweise nicht möglich. Beispielsweise werden weder die Qualität und Menge humifi­ zierter Bestandteile der organischen Bodensubstanz noch Veränderung von Pflanzenrückständen bei bodenspezifischen Transformationsprozessen (voneinander abhängige chemische, biologische und physikalische Veränderungen) erfaßt.

Aus dem Fehlen einer allgemeingültigen Qualitätsbewer­ tung der OBS resultieren zahlreiche Probleme der heuti­ gen Bodenforschung. So erschweren gegenwärtig mehrere, miteinander nur begrenzt kompatible Klassifikationssy­ steme den weltweiten Vergleich und die einheitliche In­ terpretation von Ergebnissen zu Böden sowie die Be­ schreibung allgemeiner Funktionen von Böden und insbe­ sondere der OBS in Ökosystemen. Gleiche Gründe stehen einer klaren Definition von Beziehungen zwischen der Bodenentwicklung und der Sukzession von Ökosystemen entgegen, behindern die Formulierung von Gesetzmäßig­ keiten der evolutiven Entwicklung des Zusammenlebens von heterotrophen und autotrophen Organismen, die Be­ wertung der erdgeschichtlichen Bedeutung von Bodenbil­ dungsprozessen für die Organismenentwicklung, die Quan­ tifizierung von Einflüssen der heutigen Bodenbildung auf Eigenschaften der Biosphäre und Atmosphäre (z. B. Klima, Konzentration von Sauerstoff und Kohlendioxid) sowie die Einschätzung zu erwartender Veränderungen in der Biosphäre durch globale menschliche Eingriffe in die Bodenbildung (z. B. durch Rodung tropischer Urwäl­ der, Ausweitung der landwirtschaftlichen Produktions­ fläche). Für einen vorausschauenden Bodenschutz ist desweiteren die Kalkulierbarkeit von Risiken neuer Technologien (z. B. weltweite Nutzung gentechnisch ver­ änderter Pflanzen) unumgänglich und an neue Erkenntnis­ se zur OBS-Qualität gebunden. Darüber hinaus wäre ei­ ne Nutzung natürlicher bodengebundener Regulationsme­ chanismen der Nährstoffversorgung durch neue Technolo­ gien der Bodennutzung an Stelle der direkten Eingriffe zur Korrektur von Nährstoffgehalten sinnvoll, weil sich dadurch ökonomische Vorteile mit Aspekten des Umwelt­ schutzes verbinden lassen. Auch diese Fragen setzten die Möglichkeit einer allgemeingültigen Bewertung von Qualitätsmerkmalen der OBS voraus.

Aufgabe der Erfindung war es deshalb, ein einfaches, kostengünstiges und für Mineralböden aller Regionen, Klimazonen und Nutzungsrichtungen anwendbares Verfahren zur Qualitätsbestimmung der organischen Bodensubstanz zur Verfügung zu stellen, welches die aufwendige stoff­ liche Identifizierung einzelner Komponenten der OBS nicht erforderlich macht und sich statt dessen an all­ gemeingültigen, evolutiv geprägten Gesetzmäßigkeiten der heutigen Bodenbildung orientiert. Mit dem Verfahren soll zugleich die Bestimmung der wichtigsten Bodenkenn­ größen wie z. B. der Gesamtmenge umsetzbarer organischer Substanz, Tongehalt, Kohlenstoffgehalt oder Stickstoff­ gehalt zuverlässig und auf einfache Art und Weise mög­ lich sein.

Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein thermogravimetrisches Verfahren gemäß An­ spruch 1 gelöst werden kann, mit dem es je nach Aufga­ benstellung möglich ist, mit einer einzigen Probe die gewünschten Kennwerte einschließlich der qualitativen Zusammensetzung der OBS und der Menge umsetzbarer Be­ standteile zu bestimmen.

Erfindungsgemäß wird die zu analysierende lufttrockene Bodenprobe thermogravimetrisch analysiert, nachdem sie in einer dünnen Schicht bei konstanter und hoher, vor­ zugsweise zwischen 60% und 95% eingestellter relati­ ver Luftfeuchte bis zur Gewichtskonstanz gelagert wur­ de. Insbesondere bevorzugt ist eine Lagerung bei 76% relativer Luftfeuchte. Die Lufttrocknung der Probe er­ folgte vorzugsweise bei unter 30°C und über 50% relati­ ver Luftfeuchte. Bei der thermogravimetrischen Analyse wird die Probe von 20°C auf über 960°C unter aeroben Bedingungen erwärmt, und die Gewichtsverluste definier­ ter Temperaturbereiche werden aufgezeichnet. Die Erwär­ mungsgeschwindigkeit wird dabei zwischen 1 und 50°C pro Minute so gewählt, daß eine schnelle, jedoch mög­ lichst gleichzeitige Erwärmung des gesamten Probenvolu­ mens erfolgt.

Ausgehend von der neuen Erkenntnis, daß Humusstoffe über eine Pufferung der biologischen Wirksamkeit mikro­ bieller Exoenzyme die Zusammensetzung der OBS bestimmen und diese Wirkung von klimatischen Faktoren sowie dem Tongehalt abhängig ist, läßt sich die Qualität der OBS über einen Quotienten aus den summaren thermogravime­ trischen Gewichtsverlusten zwischen 200°C und 450°C (vorrangiger Zerfallsbereich nichthumifizierter, mikro­ biell umsetzbarer Komponenten der OBS) zu den summaren thermogravimetrischen Gewichtsverlusten zwischen 95°C bis 190°C (Gewichtsverluste durch Wasserabgabe) be­ stimmen. Vorzugsweise wird dieser erfindungsgemäße Ge­ wichtsverlustquotient durch Division der Gewichtsverlu­ ste zwischen 295°C und 305°C durch die Gewichtsverlu­ ste zwischen 125°C und 135°C (vorrangiger Zerfallsbe­ reich für gepufferte Exoenzyme) bestimmt. Dieser Ge­ wichtsverlustquotient beschreibt Anteile an Nichthumus­ stoffen in der OBS bezogen auf die Menge gepufferter Exoenzyme. Er ist unabhängig von Tongehalt und gilt für alle Mineralböden unabhängig von der Region, der Klima­ zone oder der Nutzungsrichtung des Bodens.

Werden erfindungsgemäß Gewichtsverlustquotienten <1 ge­ funden, so handelt es sich um Böden, in denen durch Pufferwirkungen der Humusstoffe bei konstanter Boden­ feuchte mikrobiell umsetzbare Komponenten der OBS (Nichthumusstoffe) angereichert wurden und nur wenige oder keine gepufferten Exoenzyme vorliegen (z. B. Braunerden unter natürlicher Waldvegetation).

Werden erfindungsgemäß Gewichtsverlustquotienten <1 ge­ funden, so handelt es sich um Böden, deren Anteil an Exoenzymen größer ist als der Anteil an Nichthumusstof­ fen. Diese Charakteristika sind für Böden mit stark wechselnder Bodenfeuchte (z. B. Schwarzerden unter na­ türlicher Steppenvegetation) charakteristisch. Sie fin­ den sich weiterhin in allen Bodenhorizonten mit boden­ genetisch bedingt geringer Zufuhr an umsetzbaren orga­ nischen Rückständen bei sonst günstigen Lebensbedingun­ gen für Bodenmikroorganismen (Horizonte unterhalb der A-Horizonte), d. h. in Schichten mit bodengenetisch be­ dingt geringen Anteilen an umsetzbaren Komponenten.

Unter Ausnutzung der engen Beziehungen zwischen den thermogravimetrischen Gewichtsverluste bei Erwärmung von 20°C auf über 960°C (vorzugsweise von 20°C auf 800°C) vom Tongehalt und vom Gehalt an organischem Kohlenstoff (s. Abb. 1) sowie der Erfassung von Gewichtsanteilen humifizierter organischer Bestandteile der OBS mit den tonabhängigen Gewichtsverlusten läßt sich erfindungsgemäß nach Anspruch 5 der Gewichtsanteil umsetzbarer Komponenten der OBS quantifizieren. Er er­ rechnet sich aus dem Gesamtgewichtsverlust abzüglich der Gewichtsverluste tonabhängiger Komponenten der OBS unter Verwendung des in Abb. 1 und Tabelle 1 dargestellten Koeffizienten für den Einfluß des Tongehaltes auf den Gesamtgewichtsverlust sowie abzüg­ lich der Gewichtsverluste durch Karbonate.

Um die Gewichtsverluste umsetzbarer Substanz in die Menge umsetzbaren Kohlenstoffs umzurechnen läßt sich ein Faktor bestimmen, welcher den mittleren Gewichts­ verlust der OBS je % C im Boden ausdrückt. Er errechnet sich aus der Division des Gesamtgewichtsverlustes bis 800°C abzüglich der Gewichtsverluste durch hygroskopi­ sches Wasser durch den C-Gehalt des Bodens in Prozent. Die Division der Gewichtsverluste der umsetzbaren Sub­ stanz durch diesen Faktor liefert Informationen über den Gehalt an umsetzbaren Kohlenstoff in Prozent im Bo­ den.

Durch die Bestimmung des erfindungsgemäßen Gewichtsver­ lustquotienten ist es in Kombination mit der Bestimmung umsetzbarer OBS-Anteile möglich, Spezifika der Nähr­ stofffreisetzung für die produktive Bodennutzung (Forst- und Landwirtschaft) und Aufgaben des Boden­ schutzes gezielt zu nutzen. Derartige Möglichkeiten werden im Folgenden an Einzelbeispielen erläutert.

Lassen sich beispielsweise in zwei benachbarten Böden unter gleichen bodenklimatischen Bedingungen gleiche Gewichtsverlustquotienten nachweisen, verhält sich die Menge umsetzbarer Substanzen proportional zur Menge von Pflanzennährstoffen, die durch biologische Umsatzpro­ zesse freigesetzt werden können. Liefert hingegen die Bestimmung der Menge umsetzbarer Substanzen gleiche Werte und ist der Gewichtsverlustquotient verschieden, muß bei dem Boden mit höherem Gewichtsverlustquotient mit einer langsameren Freisetzung von Nährstoffen in Folge einer im Mittel gleichmäßigeren Bodenfeuchte ge­ rechnet werden.

Veränderungen des Gewichtsverlustquotienten im Jahres­ verlauf weisen auf witterungsbedingte Veränderungen der OBS-Qualität hin. Sinkt beispielsweise der Gewichts­ verlustquotient während der Sommermonate in Folge wech­ selnder Bodenfeuchte bei gleichbleibendem Gehalt an um­ setzbarer Substanz, ist dies ein Anzeichen für die Zu­ nahme des Anteils gepufferter Exoenzyme in der OBS. Letztere führen bei Zunahme der Bodenfeuchte im Herbst oder in den Wintermonaten zu einer hohen Freisetzung von Nährstoffen, die von überwinternden Kulturen ge­ nutzt werden können oder aber das Grundwasser durch Auswaschung belasten. Nach gleichmäßig feuchten Sommern bzw. bei nur geringfügigem Absinken der Gewichtsver­ lustquotienten ist hingegen mit einer Nährstofffreiset­ zung in der kalten Jahreszeit oder bei Zunahme der Bo­ denfeuchte nicht zu rechnen, so daß überwinternde Kul­ turen im Interesse der Ertragsgestaltung mit geringeren Risiken für die Verlagerung von Nährstoffen gedüngt werden können.

Der Gewichtsverlustquotient variiert am stärksten in Abhängigkeit vom Klima und dem Einfluß von Grundwasser auf die Bodenfeuchte, weniger in Abhängigkeit von der Vegetation, dem Tongehalt und anderen Faktoren sowie am geringsten im Jahresverlauf. Dies ermöglicht bei be­ kannten bodenklimatischen Bedingungen (Klima, Grundwas­ sereinfluß, Vegetation) eine Diagnostik von Bodentypen an Hand des Gewichtsverlustquotienten bzw. der sich darin ausdrückenden OBS-Qualität. Bei landwirtschaft­ lichen Böden ist eine Bewertung des Versorgungszustan­ des mit organischer Substanz möglich. Ist hingegen der Bodentyp, die Bodennutzung und Zufuhr an umsetzbaren organischen Rückständen bekannt, erlaubt der Gewichts­ verlustquotient Rückschlüsse über Spezifika der Boden­ bildung, insbesondere zur mittleren Variabilität der Feuchtebedingungen.

Desweiteren sind Schlußfolgerungen auf ökologische Eig­ nung eines Bodens für unterschiedliche Nutzungsrichtun­ gen möglich. So weisen beispielsweise hohe Gewichtsver­ lustquotienten auf konstante Feuchteverhältnisse und eine langsame Nährstofffreisetzung hin, die in den mei­ sten Fällen der Entzugsdynamik der Waldvegetation bes­ ser entspricht. Sehr kleine Gewichtsverlustquotienten weisen im Gegensatz dazu insbesondere in Kombination mit hohen Absolutwerten für den Gehalt an umsetzbarer Substanz auf eine Eignung des Bodens für landwirt­ schaftliche Kulturen mit kurzer, steppenähnlicher Vege­ tationsperiode (z. B. die meisten Getreidearten) hin.

Hinsichtlich der Klassifikation von Böden verweisen kleine Gewichtsverlustquotienten auf wechselfeuchte Be­ dingungen hin, wie sie z. B. für die A_h-Horizonte von Podsolen und Schwarzerden charakteristisch sind. Große Gewichtsverlustquotienten sind hingegen unter anderem für Braunerden und Böden der gleichmäßig feuchten Tro­ pen (unter natürlicher Waldvegetation) typisch. Unter­ schiede im Gewichtsverlustquotienten werden zugleich von Unterschieden in der Intensität der Färbung (Farbintensität der OBS je C-Gehalt) begleitet, die sich für eine vergleichende Diagnostik der OBS-Quali­ tät verwenden lassen, wenn gleiche Gehalte an färbenden Kationen (z. B. Fe, Mn) vorliegen. Hieraus ergeben sich Möglichkeiten für die Entwicklung von Feldmethoden, welche durch das thermogravimetrische Verfahren regio­ nal geeicht und angepaßt werden können.

Das erfindungsgemäße thermogravimetrische Verfahren be­ sitzt neben den Möglichkeiten zur Qualitätsbewertung der OBS und zur Bestimmung der Gesamtmenge umsetzbarer Substanzen den Vorteil, wichtige Bodenkenngrößen, wie den Kohlenstoffgehalt, Stickstoffgehalt, Tongehalt, Karbonatgehalt und Hygroskopizität gleichzeitig erfas­ sen zu können.

Es zeigte sich, daß sich der C-Gehalt aus den summaren Gewichtsverlusten der Probe von 320 bis 380°C, vorzugs­ weise bei 355°C-365°C, bestimmen läßt. In Abb. 2 ist die Korrelation der Gewichtsverluste bei 360°C zum C-Gehalt dargestellt, wobei letzterer gemäß Stand der Technik nach Mahlen der Proben auf 0.2 mm und Trocknung bei 105°C durch trockene Verbrennung bei 1066°C im C-N-Analyzer von "Carlos Erba" nach gaschromatrogra­ phischer Trennung der Reaktionsprodukte bestimmt wurde.

Ebenso wie der C-Gehalt läßt sich der Stickstoffgehalt von Bodenproben aus den Gewichtsverlusten zwischen 250°C und 450°C, vorzugsweise von 415-425°C ablei­ ten. Die Korrelation zwischen Gewichtsverlusten bei 420°C und dem N-Gehalt ist Abb. 3 zu entnehmen. Die gemessenen N-Gehalte gemäß Stand der Technik gehen auf die Analysen im C-N-Analyzer von "Carlos Erba" (siehe C-Bestimmung) zurück und erfordern eine analo­ ge Probenaufbereitung.

Für die Bestimmung der Tongehalte werden die Gewichts­ verluste von 30°C bis 190°C, vorzugsweise zwischen 105°C und 115°C entsprechend der Beziehung in Abb. 4 verwendet. Die verwendete Vergleichsmethode basiert auf DIN 19683, Blatt 2. Sie setzt eine arbeitsaufwendige Analyse und Probenvorbehandlung voraus, wobei letztere u. a. eine Zerstörung von Karbonaten (z. B. mit Säuren) und der organischen Substanz (z. B. mit Wasserstoffper­ oxid) sowie eine Dispergierung der mineralischen Be­ standteile (z. B. Natriumpyrophosphat) beinhaltet.

Die Karbonatgehalte von Bodenproben lassen sich aus den Gewichtsverlusten oberhalb von 600°C, vorzugsweise zwi­ schen 660°C und 970°C ermitteln. Die dazu verwendete Korrelation enthält Abb. 5. Die Bestimmung der Karbo­ natgehalte nach bisher üblichen Verfahren erfolgte ent­ sprechend DIN 19682, Teil 13.

Auch die Hygroskopizität von Bodenproben kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt werden. Die Be­ stimmung der Hygroskopizität von Bodenproben basiert bisher auf der Gewichtsbestimmung von Bodenproben vor und nach ihrer Trocknung bei 105°C im Trockenschrank bis zur Gewichtskonstanz (DIN 19683, Blatt 5). Die Ge­ nauigkeit der Analyse wird dabei von der Luftfeuchte vor der Trocknung, von der Genauigkeit der Temperatur­ regelung, schwer kalkulierbaren Oxidationsprozessen der OBS und anderen Faktoren bestimmt. Bei dem erfindungs­ gemäßen thermogravimetrischen Verfahren läßt sich durch die Probenvorbehandlung (Lagerung bei hoher definierter Luftfeuchte), der Aufnahme der Gewichtsverlustkurve bei Erwärmung sowie durch eine definierte Zeitspanne für die Analyse eine eindeutige Bestimmung vornehmen. So läßt sich die Hygroskopizität als summarer Gewichtsver­ lust durch Wasserabgabe oder bei Erwärmung von 30°C auf 190°C definieren, wobei wesentlich einheitlichere Ergebnisse gefunden werden. Sie stimmen im Mittel aller untersuchten Proben mit den Bestimmungen im Trocken­ schrank bei 105°C über mehrere Stunden überein, zeigen jedoch wegen der ungenauen Definition der Versuchsbe­ dingungen (Probenvorbereitung) bei der Bestimmung im Trockenschrank nur schwache Korrelationen (B < 0.5).

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen näher beschrieben werden, ohne sie darauf einzuschränken. Dazu werden die Korrelationsbeziehungen und Funktionsgleichungen der Tabelle 1 benutzt, die sich auf eine Lagerung der Bodenproben bei 76% relati­ ver Luftfeuchte (über gesättigter NaCl-Lösung mit viel Bodensatz) vor der thermogravimetrischen Analyse beziehen.

Korrelationsbeziehungen zwischen thermogravimetrischen Gewichtsverlusten und Bodenkenngrößen für Proben, die bei 76% relativer Luftfeuchte gelagert wurden

Korrelationsbeziehungen zwischen thermogravimetrischen Gewichtsverlusten und Bodenkenngrößen für Proben, die bei 76% relativer Luftfeuchte gelagert wurden

Analysiert wurden folgende Proben:

• 1. Parabraunerde aus der Hildesheimer Börde auf Löß un­ ter altem Buchenmischwald.
• 2. Parabraunerde aus der Hildesheimer Börde auf Löß un­ ter landwirtschaftlicher Nutzung unmittelbar neben Probe 1 gelegen (gleiche geologische und klimatische Ausgangsbedingungen).
• 3. Braunschwarzerde aus Keupermaterial unter landwirt­ schaftlicher Nutzung aus der Nähe von Weimar.

Die thermogravimetrischen Analysen dieser Proben wurden mit einem umgebauten "Derivatographen" der ungarischen Firma "MOM" durchgeführt. Die Erwärmung erfolgte von Zimmertemperatur (20-25°C) auf über 960°C mit einer Aufheizrate von 5°C pro Minute unter aeroben Bedin­ gungen. Während der thermogravimetrischen Analyse wur­ den die Temperatur und der Gewichtsverlust kontinuier­ lich aufgezeichnet. Die Einwaage der Bodenproben betrug 1700 mg. Zur Vorbereitung der Analyse wurden die luft­ trockenen Bodenproben in einer max. 3 mm dicken Schicht bei 76% relativer Luftfeuchte über 10 Tage gelagert, um eine Einstellung gleicher Feuchteverhältnisse in al­ len Proben zu garantieren.

Ausgewählte Meßwerte der thermogravimetrischen Analyse

Ausgewählte Meßwerte der thermogravimetrischen Analyse

Eine Übersicht über die Analysenergebnisse enthält Abb. 6. Aus diesen Ergebnissen ergaben sich die in Tab. 2 dargestellten summaren Gewichtsverluste für die Qualitätsbewertung der OBS, die Bestimmung der Menge umsetzbarer OBS und die Bestimmung von Bodenkenngrößen.

Aufbauend auf Tab. 2 wurde die Qualität der OBS durch Bildung des Quotienten der Gewichtsverluste zwischen 295°C und 305°C (Spalte 2) zu den Gewichtsverlusten zwischen 135°C und 145°C (Spalte 3) für jede Probe ermittelt. Dabei ergab sich für Probe 1 folgende Be­ rechnung: 0.205/0.088 = 2.33. Analog wurde für die übrigen 2 Proben verfahren.

Nachfolgend erfolgte die Berechnung des C-Gehaltes unter Verwendung der Gewichtsverluste zwischen 355°C und 365°C (Spalte 5) sowie der Korrelationsparameter in Abb. 2 oder Tab. 1. Für Probe 1 führte dies zur folgenden Gleichung mit analoger Verfahrensweise für alle übrigen Proben:

22.161 . 0.175² + 11.562 . 0.175 + 0.55 = 2.75% C.

Die Stickstoffgehalte wurden unter Verwendung der Ge­ wichtsverluste zwischen 415°C und 425°C (Spalte 6) und der Korrelationsparameter aus Abb. 3 oder aus Tab. 1 analog zum C-Gehalt berechnet: Für Probe 1 ergab sich somit ein N-Gehalt in % von:

0.107 . 1.324 = 0.142% N.

Auf gleiche Weise wurde der Tongehalt und der Karbonat­ gehalt der Proben aus den Gewichtsverlusten zwischen 105°C und 115°C (Spalte 4 für den Tongehalt) bzw. aus den Gewichtsverlusten zwischen 660°C und 970°C (Spalte 7 für den Karbonatgehalt) unter Verwendung der Korrelationsparameter in Tab. 1 oder Abb. 4 für den Tongehalt) und der Abb. 5 für den Karbonat­ gehalt) berechnet.

Beispielrechnung für Probe 1:

Tongehalt:0.195 . 39.026 + 6.47 = 14.1% Ton.Karbonatgehalt:

0.16 . 0.3 - 0.1 = 0% Karbonat.

Zur Bestimmung der Hygroskopizität der Proben werden die Gewichtsverluste zwischen 30 und 190°C bzw. die Ergebnisse der Spalte 8 ohne weitere Berechnungen ver­ wendet.

Für die Ermittlung der Gewichtsverluste der umsetzbaren OBS-Bestandteile wurden zunächst die tonabhängigen Ge­ wichtsverluste durch Multiplikation des Tongehaltes (Probe 1: 14.1%) mit dem Einflußfaktor des Tongehaltes auf den Gewichtsverlust zwischen 30°C und 800°C unter Verwendung der Gleichung in Tab. 1 bestimmt (14.1 _* 0.219 = 3.09% Gewichtsverlust). Dieser Wert wurde von den Gewichtsverlusten zwischen 30°C und 800°C abgezo­ gen, woraus sich der Gewichtsverlust umsetzbarer Kompo­ nenten ergab. Für Probe 1 ergab sich somit folgende Be­ rechnung:

6.9 - 3.09 = 3.81 Gewichtsprozent umsetzbare orga­ nische Substanz.

Zur Umrechnung dieses Ergebnisses auf den umsetzbaren Kohlenstoff in % im Boden wurde zunächst die Höhe der Gewichtsverluste der organischen Substanz (Gesamtge­ wichtsverlust zwischen 30°C und 800°C minus Gewichts­ verluste durch hygroskopisches Wasser (Spalte 9 in Tab. 1) berechnet und durch den C-Gehalt geteilt:

(6.9 - 2.05)/2.75 = 1.764% Gewichtsverlust je % C-Gehalt.

Unter der Voraussetzung, daß der thermische Abbau bio­ logisch umsetzbarer Substanz gleich große Gewichtsver­ luste erzeugt, wurde der C-Gehalt der umsetzbaren Sub­ stanz mittels Division der Menge umsetzbarer organi­ scher Substanz in Gewichtsprozent durch diesen Faktor (1.764) berechnet.

Für Probe 1 gilt dementsprechend:

3.8/1.75 = 2.2% umsetzbarer C.

Aus diesen Berechnungen ergeben sich zusammenfassend die Ergebnisse der Tabelle 3. Diese Tabelle enthält zu­ gleich Meßwerte der verwendeten Standardmethoden zum Vergleich.

Zusammenfassung der Bestimmungsergebnisse

Zusammenfassung der Bestimmungsergebnisse

Die Werte zur OBS-Qualität und zum Anteil umsetzbaren Kohlenstoffs von Probe 1 dienen hier als Vergleichs­ grundlage. Sie sind für A_h-Horizonte von Böden des gemäßigten humiden Klimas unter Wald bzw. von Brauner­ den unter natürlicher Vegetation typisch. Die landwirt­ schaftliche Nutzung des gleichen Bodens (Probe 2) führt zu einer deutlichen Reduktion des umsetzbaren Kohlen­ stoffs, während der Gehalt des inerten bzw. humifizier­ ten Kohlenstoffs sich nicht verändert (Differenz aus C-Gehalt und C der umsetzbaren Substanz). Hieraus erklärt sich ein deutlich geringerer Gewichtsverlustquotient für die OBS-Qualität. Letzterer ist bei Probe 3 noch­ mals deutlich kleiner und erreicht Größenordnungen von Schwarzerden, d. h. von Böden mit ausgeprägter Wechsel­ feuchte und Steppenvegetation. Ursache dieses für humi­ de Klimaregionen kleinen Gewichtsverlustquotienten bei Probe 3 ist neben der landwirtschaftlichen Nutzung eine deutlich erhöhte Variabilität der Bodenfeuchte, die aus niedrigeren Niederschlägen in der betreffenden Region und aus einer geringeren Wasserhaltefähigkeit des ton­ reichen Bodens im Vergleich zu den Proben 1 und 2 auf Löß resultiert. Der bei Probe 3 im Vergleich zu Probe 1 und 2 höhere Tongehalt korreliert zugleich mit höheren Gehalten an humifizierter OBS.

Für die Bodennutzung läßt sich aus diesen Ergebnissen rum Beispiel eine bessere Eignung der Braunschwarzerde für die landwirtschaftliche Produktion bzw. insbesonde­ re für Kulturen mit kurzer Vegetationsperiode ursprüngliche Steppenpflanzen) ableiten, weil - im Un­ terschied zur Probe 2 - bei Zufuhr von organischer Sub­ stanz mit einer schnelleren Freisetzung von Nährstoffen zu rechnen ist. Allerdings liegt der Anteil an umsetz­ barer Substanz deutlich unter dem normalen Niveau von Schwarzerden (nicht dargestellt). Die Ausnutzung des Ertragspotentials der Probe 3 erfordert demnach eine deutlich höhere Zufuhr an organischer Substanz als bis­ her praktiziert, d. h. im Vergleich zur Probe 2 ist das Defizit an organischen Düngestoffen nutzungsbedingt be­ trächtlich höher (hier eine Konsequenz der über Jahr­ zehnte intensiveren Ackernutzung).

Probe 1 bietet demgegenüber durch die ausgeprägte Puf­ ferung von Nährstoffressourcen die besten Voraussetzun­ gen für eine langsame und andauernde Nährstoffnachlie­ ferung, wie sie für forstwirtschaftliche Belange und die Reinhaltung des Grundwassers (Reduktion der Verla­ gerung von Nährstoffen) günstig ist.

Desweiteren läßt sich der Gewichtsverlustquotient als Klassifikationsmerkmal verwerten, weil Werte über 1 im Ap-Horizont (Probe 1 und 2) ausschließlich bei Braunerden und nur in seltenen Fällen bei lessivierten und podsolierten Böden auftreten. Die Ergebnisse der Qualitätsbewertung bestätigen insofern die Richtigkeit der Zuordnungen der Proben zu einzelnen Bodentypen und zu Klimazonen (letzteres nur bei bekannter Vegetation) auch ohne Kenntnisse zum Profilaufbau. Der niedrige Ge­ wichtsverlustquotient bei Probe 3 verweist hingegen auf eine Zuordnung zu Schwarzerden. Ohne die Einbeziehung weiterer Proben läßt sich jedoch nicht sagen, welcher Qualitätsquotient für diesen Boden unter natürliche Ve­ getation charakteristisch ist. Es lassen sich jedoch wegen der festgestellten Unterversorgung mit organi­ scher Substanz Werte deutlich näher 1 erwarten, so daß es sich nur um einen Übergangsboden von Schwarzerden zu Braunerden handeln kann. Diese Schlußfolgerung stimmt mit der an Hand des Profilaufbaus getroffen Zuordnung des Bodens zu Braunschwarzerden überein. Auch bei Probe 3 ist somit an Hand der Qualitätsbewertung bei Kenntnis der ackerbaulichen Nutzung und der wichtigsten klimati­ schen Bodenbildungsbedingungen eine Einschätzung des Bodentyps möglich.

Bezüglich der thermogravimetrisch bestimmten Bodenei­ genschaften läßt sich feststellen, daß die nachweisba­ ren Abweichungen von den Ergebnissen der Standardmetho­ den im Vergleich zur Heterogenität des Probenmaterials äußerst gering sind und die erreichte Genauigkeit der erfindungsgemäßen thermogravimetrischen Bestimmungen den Zielstellungen der Bodenanalyse genügt. Im Ver­ gleich zu den Aufwendungen und Kosten bei Anwendung von Standardverfahren für die Bestimmung des C-, N-, Ton- und Karbonatgehaltes stellt das erfindungsgemäße Ver­ fahren eine wesentlich kostengünstigere Bestimmungsme­ thode dar, die dazu im Handling sehr effektiv ist, da mit einer einzigen Probe alle oben genannten Parameter bestimmt werden können.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung der qualitativen Zusammen­ setzung der organischen Bodensubstanz (OBS) von Mi­ neralböden und/oder der Bodenkenngrößen: Gesamtmen­ ge umsetzbarer organischer Substanz, Kohlenstoffge­ halt, Stickstoffgehalt, Karbonatgehalt und Tonge­ halt, dadurch gekennzeichnet, daß man die zu analysierende, lufttrockene Boden­ probe bei einer hohen relativen Luftfeuchte bis zur Gewichtskonstanz lagert, anschließend thermogravi­ metrisch analysiert und die gewünschten Parameter bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die lufttrockene Bodenprobe bei einer rela­ tiven Luftfeuchte von 60-95%, vorzugsweise 76%, lagert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der qualitativen Zusammensetzung der OBS der Quotient aus den summaren Gewichtsver­ lusten der Probe bei Erwärmung von 200 bis 450°C, vorzugsweise von 295 bis 305°C, zu den summaren Ge­ wichtsverlusten der Probe bei Erwärmung von 95 bis 190°C,vorzugsweise von 135 bis 145°C, berechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der thermogravimetrische Gesamtgewichtsverlust als summarer Gewichtsverlust bei Erwärmung von 20°C auf über 960°C, vorzugsweise bei Erwärmung von 20°C auf 800°C, ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtsverlust umsetzbarer organischer Substanz aus der Differenz des Gesamtgewichtsverlu­ stes gemäß Anspruch 4 und der Gewichtsverluste ton­ abhängiger Komponenten bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der tonabhängige Gewichtsverlust aus der Abhän­ gigkeit der Gesamtgewichtsverluste vom Tongehalt und vom C-Gehalt im Boden bestimmt wird, wenn der Tongehalt der Probe bekannt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes die Ge­ wichtsverluste von 320 bis 380°C, vorzugsweise zwi­ schen 355°C bis 365°C, bestimmt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Stickstoffgehaltes die Ge­ wichtsverluste zwischen 250°C und 450°C, vorzugs­ weise zwischen 415°C bis 425°C, bestimmt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Tongehaltes die Gewichtsver­ luste zwischen 30°C und 190°C, vorzugsweise zwi­ schen 105°C und 115°C, bestimmt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Karbonatgehaltes die Ge­ wichtsverluste oberhalb von 600°C, vorzugsweise zwischen 660°C und 970°C, bestimmt werden.