Der Boden von dem wir leben

Einfache Untersuchungen an Böden

GProf. Dr. Kurt Metzger

Hilfen zum Einstieg in das bodenkundliche Arbeiten - mit Hinweisen auf weiterführende Untersuchungen

Didaktische und methodische Vorbemerkungen

Die Böden werden in immer stärkerem Maß durch Bodenverbrauch, Erosion und Einbringen von Schadstoffen denaturiert oder gänzlich zerstört. Diese gefährlichen Eingriffe in unsere Umwelt machen es notwendig, daß sich die Schule in ihrem erziehenden Unterricht mit Nachdruck dem Thema: "Bodenschutz und Bodenerhaltung" widmet. Aus diesem Grund ist die Behandlung bodenkundlicher Themen bereits in der Hauptschule, Realschule, Unterstufe der Gymnasien im Rahmen des Geographieunterrichts sowie punktuell in beruflichen Schulen wünschenswert. In den allgemeinbildenden Schulen könnten die Fächer Biologie und später Geschichte, wenn auch nicht bildungsplanplankonform, ebenfalls den Fragenkomplex im Rahmen von Projekttagen anbieten. Besonders aber in einem naturwissenschaftlich ausgerichteten Unterricht der Hauptschulen oder verstärkt der Realschulen sind Fragen nach den Bestandteilen des Bodens und deren Herkunft zu behandeln. Nicht gelehrt werden kann in dieser Altersstufe der chemische Nachweis oder die Zusammensetzung von Bodeninhaltsstoffen. Die Beschäftigung mit dem Stoff "Boden" und das Kennenlernen fachspezifischer Verfahren sind wichtige Bausteine zum Verständnis der Funktion eines Bodens und damit zur Änderung des Bewußtseins, was letztlich Voraussetzung für eine Verhaltensänderung impliziert. Die Vielfalt der Bodenarten, ihre unterschiedliche Bearbeitung und Nutzung, ihre Zusammensetzung und Eignung für bestimmte Pflanzenstandorte liefern wichtige Ansatzpunkte an der Lebenswirklichkeit der Kinder. Mit der Unterrichtseinheit "Wir beschreiben und vermessen einen Boden" oder "Welches sind die Bestandteile unserer Böden?" ist die Bodenuntersuchung in den Mittelpunkt des Unterrichts gerückt.

Wir beschreiben einen Boden

Es hat sich gezeigt, daß ein Unterrichtsgang zur Einführung in die Problematik der Böden sehr von Vorteil ist. Diese erste Unterrichtseinheit, die mehrere Unterrichtsstunden umfaßt, befaßt sich mit der Frage: "Was ist Boden?". Im Unterrichtsgespräch erfährt man, wie unterschiedlich der Begriff "Boden" gebraucht wird. Landläufig versteht man darunter eine feste Unterlage, beispielsweise einen Regalboden, Fußboden, Faßboden. Man denke auch an den Ausspruch: "Festen Boden unter den Füßen haben!"

Als Eingangsdefinition für den pedologisch gebrauchten Begriff "Boden"  ist es ratsam, besonders auf die Abgrenzung des Bodenkörpers zwischen Gestein und Atmosphäre einzugehen, so daß die Schüler den Boden als die die feste Erdkruste abschließende Schicht verstehen. Praktisch gelingt dies am zwanglosesten an einem (oder besser noch an zwei) gut zugänglichen und ausreichend aufgeschlossenen Erdanschnitt. Gut geeignet sind die meisten Baugruben in Neubaugebieten (-informieren Sie den Bauherrn über Ihren Besuch!). Dem Unterrichtsgang geht eine allgemeine Einführung über die zu verrichtenden Aufgaben voraus. In diesem Zusammenhang ist auf mögliche Gefahren in der Baugrube aufmerksam zu machen. Im Gelände arbeiten die Schüler in Dreiergruppen an einem ihnen zugewiesenen Aufschlußbereich, dort vermessen und beobachten sie den Boden. Der Bodenkörper wird abgegrenzt und auf farbliche und stoffliche Unterschiede hin untersucht. Der Lehrer gibt lediglich unterstützende Hinweise. Die Messungen und Beobachtungen werden skizziert und aufgeschrieben. Dazu hat sich jede Schülergruppe einen Meter und eine Spachtel aus Vaters Werkzeugkasten sowie einen Schreibblock mit festem Deckel mitgebracht. Der Maßstab für die Profilskizze muß vom Lehrer angegeben werden.

Zum Abschluß der Geländearbeit zeigt der Lehrer wie man eine Bodenprobe entnimmt, dabei soll der Unterschied zwischen einer Durchschnittsprobe und einer Horizontprobe dargestellt werden. Die entnommenen Proben verpackt man in zuvor mit einem wasserfesten Filzschreiber beschriftete Plastiktüten, diese werden sorgfältig, möglichst luftdicht verschlossen. Die Schüler sollen in die Lage versetzt werden, zu einem späteren Zeitpunkt Zuhause selbständig  Bodenproben zu gewinnen und in den Unterricht mitzubringen.
Für den beschriebenen Unterrichtsgang muß genügend Zeit eingeräumt werden. Erfahrungsgemäß reichen für die Arbeit am Aufschluß 90 Minuten gut aus, man darf aber die Zeit für den An- und Abmarsch nicht zu knapp bemessen. Der Unterrichtsgang muß vor- und nachbereitet werden, dies nimmt je nach Gründlichkeit nochmals mindestens zwei Unterrichtsstunden in Anspruch.

Ergebnis:
Der Boden ist die oberste feste Schicht der Erde. Im oberen Teil dieser Schicht findet man viele Wurzeln, Pflanzenreste und Bodentiere. Sie ist krümelig und dunkler als der untere Teil der Bodenschicht, wir nennen diesen Teil zur Unterscheidung den "Oberboden", den auf dem Gestein aufliegenden den "Unterboden". Fertigen wir eine allgemeine Skizze von dem untersuchten Boden an, dann hat sie meist folgendes Aussehen:

Abbildung 1: Bodenprofil auf Geschiebemergel

 Wir untersuchen den Boden

Vorbemerkungen:
Zur Bodenuntersuchung sind normalerweise Glasgeräte, Meßgeräte und andere technische Hilfsmittel notwendig. In unserem Fall werden die einzusetzenden Gerätschaften von den Schülern hergestellt und geeicht. Aus diesem Grund sind einige Vorbereitungen zu treffen. Dazu gehört beispielsweise das Sammeln von Plastikflaschen. Am besten für unsere Zwecke sind jene der französischen Mineralwassergesellschaften (Volvic etc.) geeignet, man kann aber grundsätzlich alle Plastikbehältnisse oder auch entsprechende Gläser benutzen. Ebenso werden Plastikkorken benötigt, ersatzweise kann man auch mit Naturkorken arbeiten. Lediglich ein 3/4’’-Schlauch aus klarem Polyethylen, einige Holzbrettchen und 10mm Holzdübelleisten  müssen gekauft werden.
Zunächst müssen Holzstative angefertigt werden. Sie bestehen aus einem Holzbrettchen (20 * 15 * 3 cm) als Fuß, in das ein 10 mm Loch gebohrt wird. Das eine Dübelleiste (10mm Durchmesser) aufnimmt (siehe Abbildung unten).

Die jeweils benutzten "Meßgeräte" werden mit einem Gummiring am Stativ befestigt. Diese Stative fertigt man am besten im Werkunterricht an, oder man läßt sie von den Vätern der Schüler anfertigen. Die nötigen Meßröhren werden aus dem transparenten Polyethylenschlauch angefertigt. Man schneidet einfach ca. 50 cm lange Stücke vom Schlauch ab und verschließt diese zunächst einseitig mit den gesammelten Plastikkorken. Vorteil dieser Gerätschaften gegenüber Glasgeräten ist ihre Unzerbrechlichkeit und ihr Preis. Aus den Einwegplastikflaschen werden Geräte zur Ermittlung des Bodenluftvolumens, der maximalen Wasserkapazität und der Filterwirkung von Böden gebastelt. Darüber hinaus liefern die Wegwerfflaschen das Material zur Herstellung von Schälchen zu Keimungsversuchen oder auch einfach Vorratsbehälter zur Probenaufbewahrung. Die Herstellung sowie der Aufbau dieser Geräte wird an entsprechender Stelle weiter unten beschrieben. Zur Bearbeitung des Materials sind eine Eisensäge, eine kräftige Schere und ein Pfriem (zum Einstechen der Löcher) sowie wasserfeste Filzschreiber und ein Meßzylinder (zur Eichung) notwendig.

Bestandteile des Bodens

Die Schüler erhalten die Anweisung, eine Bodenprobe, wie während des Unterrichtsganges vorgeführt, einzuholen  und zum Unterricht mitzubringen. Die Probe kann aus dem eigenen Garten oder auch an jeder anderen Stelle entnommen werden. Die Entnahmestelle  wird in  der Beschriftung des Plastikbeutels festgehalten.

Die Beschriftung sollte folgende Informationen enthalten:

Name des Probennehmers:
Datum:
Entnahmeort:
Probenart:   (z.B. Durchschnittsprobe, Probe aus dem Oberboden, u.s.w.)
Wetterverhältnisse bei Probenahme:

Die eigentliche Bodenuntersuchung im Unterricht beginnt mit der Betrachtung der Bodenprobe. Dazu wird ein ca. hühnereigroßes Stück des Bodens aus der Plastiktüte genommen und auf einem Stück weißen Papier mit einer Handlupe untersucht. Die Beobachtungen der Schüler werden an der Tafel aufgelistet. In der Regel wird von den Kindern festgestellt, daß der Erdbrocken aus Sand, Dreck, Lehm, Krümeln, Wurzeln, Löchern, Ritzen usw. besteht. Aus einigen Bodenproben wird sicherlich ein Wurm oder anderes Getier ans Tageslicht gefördert, ein Hinweis auf das Leben im Boden, den man keinesfalls übersehen sollte. Sicherlich bemerkt der eine oder andere Schüler, daß seine Papierunterlage feucht oder gar naß geworden ist. Also auch Wasser ist im Boden enthalten! Etwas schwieriger, aber genau so bedeutungsvoll, ist die Hinführung der Schüler zum Erkennen des Bodenluftgehaltes. In diesem Zusammenhang ist die Frage nach dem Inhalt der Hohlräume und Ritzen im Boden für die Kinder einsichtig, sie entspricht ihrem Wissensstand. Die Schüler erkennen sehr rasch, daß sich in den Räumen zwischen den festen Bodenbestandteilen einerseits Wasser und andererseits Luft befindet.

 Die Unterrichtseinheit sollte mit folgender Feststellung abgeschlossen werden:

 Ein Boden besteht immer aus den vier Hauptbestandteilen:

Feste Bodenstoffe, Pflanzen- und Tierstoffe, Bodenwasser und Bodenluft.

Trennung der festen Bodenstoffe

Durch Betrachtung mit der Lupe und durch Zerreiben des Bodens zwischen den Fingern haben die   Schüler die unterschiedliche Korngröße der einzelnen festen Bodenbestandteile erkannt. Das Problem der Auftrennung nach Korngrößen soll nach Ansicht der Schüler dieser Altersstufe durch Sieben gelöst werden. Das Prinzip der Sedimentationstrennung ist nicht geläufig, es ist so ohne weiteres auch nicht altersgemäß. Man kann demnach, vor allem nicht zu Beginn der Sekundarstufe, auf einen in diese Richtung weisenden Schülerbeitrag hoffen. Vielmehr ist es an dieser Stelle Aufgabe des Lehrers, die Schüler in die Gesetzmäßigkeit der Sedimentation einzuführen. Am anschaulichsten und  einprägsamsten ist auch hier ein Versuch.

Dazu läßt man in zwei gleichlangen (mindestens 50 cm), wassergefüllten, durchsichtigen Polyethylenschläuchen oder in dem Fall auch Glasröhren, gleichzeitig eine Portion Feinkies (Durchmesser > 2 mm) und Feinsand (Durchmesser > 0,2 mm) sedimentieren. Der Versuch macht die Proportionalität zwischen Fallgeschwindigkeit und Teilchengröße sichtbar. Es wird festgehalten:

 Je größer und schwerer die Teilchen, desto schneller setzen sie sich ab.

Nur für den Lehrer:

Grundlage von Korngrößenbestimmungen anhand von Sedimentationszeitunterschieden der Bestandteile ist die Fallformel nach STOCKES; sie bestimmt den Widerstand, der einer fallenden Kugel bestimmten Durchmessers und Dichte entgegenwirkt.

Die Fallgeschwindigkeit errechnet sich aus:

   v = Sinkgeschwindigkeit in Wasser
   r = Radius der Bodenteilchen
   D1= Dichte der Bodenteilchen
   D2= Dichte der Flüssigkeit (Wasser)
   g = Erdbeschleunigung
   H = Viskosität einer Flüssigkeit (Wasser)
   2/9 = empirischer Faktor für die Reibung kleiner Teilchen
   v = 2 r2 * (D1 - D2) * g / 9 H

Genauere oder auch quantitative Untersuchungen der Bodentextur sind ab Klasse 10 durchführbar. Dazu benutzt man eine auf die Verhältnisse zugeschnittene, vereinfachte Pipettmethode. Zu ihrer Durchführung sind 500 ml Mischzylinder, Uhrgläser oder Abdampfschalen, Exsikkatoren, Trockenschrank und eine im 1/10 mg-Bereich arbeitende Analysenwaage notwendig. An dem notwendigen Zubehör ist der Aufwand für exaktere Ergebnisse abzulesen. Die Methode und ihre Auswertung weiter unten im Kapitel "Untersuchung einzelner Bodenelemente" im Abschnitt "Korngrößenuntersuchung" beschrieben.

Der Absetzversuch

Die Schüler füllen ihren einseitig durch einen Korken verschlossenen Polyethylenschlauch bis zu  1/4 mit der von ihnen eingeholten Bodenprobe. Danach wird der Schlauch mit Wasser soweit aufgefüllt, daß er a) mit einem zweiten Korken verschlossen werden kann und b) eine etwa 3 cm lange Luftkammer verbleibt. Der verschlossene Schlauch wird kräftig geschüttelt, so daß sich der darin befindliche Boden im Wasser gleichmäßig verteilt. Nach Herstellung einer homogenen Suspension befestigt man den Schlauch mittels Gummiringen an dem gebastelten Holzstativ und beobachtet die Sedimentation.

Ergebnis:

Die Bodenteilchen setzen sich entsprechend ihrer Korngröße in mehreren Schichten ab. (Siehe Abbildung) Augenblicklich sedimentieren die groben, schweren Grobsande, nach 3 - 8 Sekunden hat sich der Feinsand abgesetzt erst nach mehreren Stunden ist der Schluffanteil ausgefallen. Die dann noch im darüberstehenden Wasser befindliche Trübung bleibt tagelang erhalten, sie stellt den Tonanteil des Bodens. Der Versuch muß, wie man unschwer erkennt, über mehrere Tage beobachtet werden.

Abbildung 2: Absetzversuch

Durch diese Schlämm- und Sedimentationsanalyse erkennen die Schüler die Gemengenatur der untersuchten Bodenproben und ihre voneinander abweichende Zusammensetzung. Dazu ist es oft notwendig, die im Schlauch abgelagerten Sedimente mit einer Lupe zu betrachten. Dadurch erkennt man die Übergänge und kann so die Sedimenthöhe ausmessen. Aus der Sedimenthöhe (h) und der Röhrenquerschnittsfläche (q)

                                                         q = (d/2)2 * 3,14

                                                         v  = q  * h

errechnet man das Sedimentvolumen (v), wobei d der Innendurchmesser der Sedimentationsröhre ist. Auf diese Weise lassen sich die prozentualen Anteile der unterschiedlichen Korngrößen ermitteln.

Überwiegt der Sandanteil deutlich in der Zusammensetzung, dann spricht man von einem "Sandboden". Findet man dagegen einen deutlich erhöhten Anteil der Schlufffraktion, dann spricht man von einem "Lehmboden ". Fehlt Sand, aber die Trübe ist lange Zeit undurchsichtig oder setzt sich überhaupt nicht ab, dann sprechen wir den Boden als "Tonboden" an.

Die löslichen Bodenbestandteile werden in diesen Versuch nicht erfaßt. Es sollte aber darauf hingewiesen werden, daß sich im Wasser auch Stoffe wie Zucker oder Salz befinden können. In einem späteren Versuch werden wir sehen, ob dies der Fall war. Im Unterrichtsverlauf tritt mit großer Sicherheit die Frage nach der Herkunft der verschieden großen Teilchen auf. Meist wird von den Schülern gefragt, wie der Sand in den Boden kommt. An dieser Stelle sollte der Lehrer den Begriff der "Verwitterung" einführen.

Für den Lehrer:

Die Bodenluft   

Im folgenden geht man der Frage nach, womit die Bodenporen gefüllt sein können. Das Ergebnis des Unterrichtsgesprächs sollte wie nachstehend aussehen:

Alle Räume des Porenvolumens von Böden, die nicht mit Wasser gefüllt sind, enthalten Luft. Füllt man alle Poren des Bodens mit Wasser, dann enthält er keine Luft mehr.

Zur Lösung der Frage nach dem Luftanteil eines Bodens müssen wir uns eine Vorrichtung bauen, die einen Boden mit Wasser sättigt und gleichzeitig anzeigt, wieviel Wasser dazu an den Boden abgegeben wurde. Bei Zufuhr von Wasser wird die Luft aus den Poren des Bodens verdrängt, dieser Vorgang dauert je nach Bodenart verschieden lang. Bei einem hohen Sandanteil an der Bodentextur (Korngrößenzusammensetzung der festen Bodensubstanz) ist der Austauschvorgang rasch beendet. Besteht die feste Bodensubstanz hauptsächlich aus Teilchen der Tonfraktion, dann kann der Austauschvorgang Tage dauern. Für die Genauigkeit unserer Messungen reicht es, wenn man die Ablesung des verbrauchten Wassers nach 30 Minuten vornimmt.
In der Zwischenzeit bespricht man die Aufgabe und Wirkung von Luft und Wasser in Böden. Am besten lassen sich die Fragen an den Extremsituationen - zuviel oder zu wenig Wasser - im Boden besprechen. Es ist jedem Schüler einsichtig, daß bei zu viel Wasser im Boden den Bodentieren die Luft zum Atmen fehlt, bei zu wenig Wasser können die Pflanzenwurzeln keine Nahrung aufnehmen und die Pflanze verhungert. Die Schüler sollen erkennen, daß ein ausgeglichener Wasser - Luft - Haushalt entscheidend für die hohe Leistungsfähigkeit eines Bodens ist. Zwischenzeitlich ist der angesetzte Versuch reif zur Auswertung, man wendet sich ihm zu und ermittelt durch Abmessen den prozentualen Luftgehalt der Bodenprobe.

Versuchsablauf zur Bestimmung des Bodenluftvolumens

Die Abbildung 3: Messung des Bodenluftvolumens

Man stellt sich eine Meßeinrichtung aus zwei Plastikflaschen her, dazu zerteilt man die eine mit einer Eisensäge in ihrer Mitte, bei der anderen wird die Verschlußkappe präpariert. Der untere Teil der zersägten Flasche dient zur Aufnahme der Bodenprobe.

Einfüllhöhe wird immer so gewählt, daß stets gleiche Bodenvolumen mit Wasser gesättigt werden.

Der Verschluß der zweiten Flasche wird mit einem Plastikröhrchen (Strohhalm oder Spritzdüse), das in die Flasche reicht, und einem oder zwei Ausflußlöchern versehen. Diese mit dem präparierten Verschluß versehene Flasche wird vollständig mit Wasser gefüllt. Nach der Füllung wird sie umgekehrt auf die mit der Bodenprobe bis zur Hälfte gefüllte abgeschnittene Flasche so gesetzt, daß die Bodenoberfläche berührt wird (Siehe Abbildung des Versuchs). Nun läuft bis zur endgültigen Sättigung der Bodenprobe Wasser aus der oberen Flasche aus. Dieser Versuch kann selbstverständlich auch mit einem 500 ml Becherglas und einem präparierten Kolben durchgeführt werden.
Nach dem Stillstand des Austauschvorgangs, frühestens nach 30 Minuten kann das ausgelaufene Wasservolumen gemessen werden. Es entspricht der verdrängten Luft. Der Luftanteil am Gesamtvolumen des Bodens schwankt zwischen nahezu Null und 40 %. Der Luftgehalt eines Bodens hängt von seiner Art und seinem momentanen Durchfeuchtungsgrad ab. Das mittlere Luftvolumen in Sandböden beträgt 30 - 40 %, das in Lehmböden 10 - 25 % und jenes in Tonböden 5 - 10 % je nach Verdichtungsgrad.

Merke: Mindestens die Hälfte des gesamten Hohlraumvolumens eines fruchtbaren Bodens sollte mit Luft ausgefüllt sein. Der Sauerstoff dieser Bodenluft ist eine der wichtigsten Bedingungen des Pflanzenlebens, denn die Wurzeln und die Mikroorganismen benötigen die Bodenluft zur Atmung. Die Folgen einer schlechten Durchlüftung sind Fäulnisprozesse die Gifte hervorbringen.

Messung der Wasserkapazität eines Bodens

Vorbemerkung:

Im Unterrichtsverlauf greift man auf den Erfahrungsschatz der Schüler zurück. Es ist allgemein bekannt, daß das Regenwasser im Boden versickert. Im Gegensatz dazu läuft es auf einer Straße an der Oberfläche in den Rinnstein, von dort durch den Gulli in die Kanalisation ab. Die Frage nach dem Verbleib des Sickerwassers im Boden ist teilweise durch die Untersuchung des Bodenluftgehaltes den Schülern einsichtig gemacht worden. Im nächsten Versuch soll nun gezeigt werden, wieviel Wasser ein Boden gegen die Schwerkraft festhalten kann, d.h. man übersättigt ein bestimmtes Bodenvolumen mit einem bekannten Wasservolumen und ermittelt durch Differenzbildung das im Bodenkörper zurückgehaltene Wasservolumen. Dabei ist die sichtbare Darstellung der Volumendifferenz für den Lerneffekt besonders wichtig. Denn auf diese Weise kommt der Schüler zu der Schlußfolgerung, daß auch andere Stoffe (zunächst Flüssigkeiten) vom Boden zurückgehalten werden.

Versuch zur Bestimmung der Wasserkapazität eines Bodens

Für den Lehrer:
Unter Wasserkapazität versteht man die maximale Menge an Wasser, die der Boden entgegen der  Schwerkraft zu halten vermag. Sie ist abhängig von Körnungsart und Bodengefüge, von Anteil und Art der Bodenkolloide sowie vom Humusgehalt und wird in Gewichts- oder Volumenprozenten  angegeben. Unter Feldkapazität versteht man diejenige Wassermenge, die in verdunstungsgeschützten, vegetations- und staunässefreien Böden unter natürlichen Verhältnissen  zwei bis drei Tage nach einer ausreichenden Durchnässung vorhanden ist.

Abbildung 4: Ermittlung des maximalen Wasserrückhaltevermögens von Böden

Zur Durchführung des Versuchs stellt man sich den Versuchsaufbau aus drei Plastikwasserflaschen her. Zu diesem Zweck sägt man sich zwei Wasserflaschen so zurecht, daß man eine als Trichter verwenden kann. Die andere dient als Wasserauffangbehälter, der Trichter ist Durchlaufbehälter, der die Bodenprobe enthält. Die dritte Plastikflasche wird so präpariert, daß sie als Wasserbehälter - wie in Versuch: Messung des Bodenluftvolumens - benutzt werden kann (siehe  Abbildung).

Die Verschlußkappe des Durchlaufbehälters wird mit einem Pfriem mehrfach durchstochen. Es ist ratsam, vor der Befüllung mit der Bodenprobe einen Glaswollebausch auf die Verschlußkappe zu legen. Dadurch wird ein Verstopfen der Löcher während des Versuchs hinausgezögert, oft auch verhindert. Den Versuch selbst führt man wie folgt durch. Zuerst wird ein dem Volumen der Bodenprobe entsprechendes Wasservolumen in den Auffangbehälter gefüllt und der Wasserstand auf der Behälterwand markiert. Danach wird der Wasserbehälter mit dem vorbereiteten Wasser beschickt und auf den Durchlaufbehälter mit der Bodenprobe aufgesetzt. Zum Sammeln des Sickerwassers setzt man beide Gefäße auf den Wasserauffangbehälter. Es muß nun gewartet werden bis das Wasser durch den Boden gesickert ist, d.h. bis kein weiteres Wasser mehr in den unteren Behälter tropft. Während der Zeit befestigt man die Apparatur am besten an dem selbstgefertigten Holzstativ mit einem Gummiband. Die Durchflußzeit richtet sich sehr stark nach dem verwendeten Bodenmaterial, so kann es vorkommen, daß die Methode bei Tonböden wegen der zu langen Sickerzeit versagt. Bei Sandböden oder  sandigen Lehmböden ist der Durchlauf nach spätestens zwanzig Minuten beendet.
Nach Beendigung des Durchlaufs erkennen die Schüler sofort, daß sich weniger Wasser im Auffangbehälter angesammelt hat als zu Beginn des Versuchs vorgelegt worden war. Der Versuch   läßt sich je nach Klassenstufe mit unterschiedlichem Niveau auswerten. So läßt sich das Ergebnis  als  Bruch oder auch in Prozent angeben oder ganz einfach in cm Wasserhöhe.
Durch den Reihenversuch mit einer ganzen Klasse lassen sich die unterschiedlichen  Rückhaltevermögen verschiedener Böden sehr anschaulich darstellen. Die Schüler erkennen dadurch die Abhängigkeit des Speichervermögens von der Bodenart, dem Verdichtungsgrad des Bodens und seinem Humusgehalt.

Merke:

Das Hohlraumsystem eines fruchtbaren Bodens muß neben Luft auch Wasser führen, denn das  Bodenwasser ist nicht nur ein wichtiger Nährstoffträger und Transportmittel der Nährstoffe in  Boden und Pflanze, sondern zugleich ein unentbehrlicher Wachstumsfaktor mit den verschiedensten Aufgaben. Ohne Wasser kein Leben, ohne Wasser ist der Boden tot. Die Böden haben eine verschieden große Fähigkeit, Wasser zu speichern. Als Maß dafür gilt die Wasserkapazität, die in  Prozent des Bodenvolumens ausgedrückt wird. Je schwerer ein Boden ist, d.h. je mehr Tonteile er  enthält, um so höher liegt seine Wasserkapazität.
Wird das Hohlraumsystem eines Bodens verdichtet oder verschlossen, dann kann er kein Wasser mehr aufnehmen. Das Niederschlagswasser fließt auf der Oberfläche ab. Die Folgen sind Erosion,  Überschwemmung und Verlust an Grundwasser.

Schadstoffe im Boden

Durch die Tätigkeiten der Menschen wird die Umwelt stark beeinflußt. Es werden organische und  anorganische Stoffe an die Umwelt abgegeben, ob diese Stoffe akute toxische Wirkungen auslösen oder nicht, hängt allein von der einwirkenden Dosis ab.

Abbildung 5: Verhalten von Schadstoffen im Boden

Filter-, Puffer- und Umwandlerfunktion der Böden

In unserer Umwelt bilden die Böden ein natürliches Reinigungssystem. Sie nehmen Schadstoffe auf  und halten diese mehr oder weniger fest. Mit der Zeit werden Schadstoffe im Boden auch zu unschädlichen Stoffen; diese  Umwandlungsvorgänge erfolgen durch chemische Reaktionen oder durch die Tätigkeit von Bakterien und anderen Mikroorganismen. Die in der Luft enthaltenen flüssigen und  festen Schadstoffteilchen werden durch den Regen ausgewaschen und in die Böden eingespült. Aus dem schmutzigen Sickerwasser entsteht beim Durchgang durch die Böden meist sauberes für die Trinkwassergewinnung geeignetes Grundwasser. Die Reinigungskraft der Böden ist nicht unbeschränkt, sie ist von Bodenart zu Bodenart unterschiedlich groß. Eine Übersicht über das Verhalten von Schadstoffen in Böden ist in der Abbildung 5 wiedergegeben.

Emulgierte und suspendierte (im Regenwasser feinverteilte) Schmutz- und Schadstoffteilchen werden durch Adsorption (eine Art Festkleben) und durch Filtrierung mechanisch im Boden zurückgehalten. Selbst die allerfeinsten, nicht mehr mit dem Auge erkennbaren Teilchen werden in Lehmböden aus dem Sickerwasser herausgefiltert. Die Filterleistung von Böden ist unterschiedlich, sie wird durch die Menge an Wasser, die pro Zeiteinheit den jeweiligen Boden passieren kann,  angegeben. Die Filterleistung nimmt mit Zunahme der Verschmutzung sehr stark ab. Sandböden besitzen eine höhere Filterleistung als Tonböden, das rührt von dem höheren Porenvolumen der  Sandböden her, in die mehr Schmutzteilchen abgelagert werden können.
Die Pufferwirkung der Böden bedingt, daß auch gasförmige und vor allem gelöste Schadstoffe durch Adsorption an die festen Bodenteilchen gebunden werden. Diese Anlagerung gelingt aber niemals vollständig, ein Teil der gelösten Schadstoffe verbleibt im Wasser. Dadurch gelangt dieser Rest ins  Grundwasser oder er wird von den Pflanzen durch ihre Wurzeln aufgenommen.
Die Transformatorfunktion (Umwandlungsfähigkeit) der Böden ist vor allem von der Aktivität der Bodentiere (Mikroorganismen, Würmer usw.) abhängig. Durch sie werden organische Abfälle (Jauche, Mist, abgestorbenes Pflanzenmaterial und auch Pestizide) um- oder abgebaut. Es entstehen  wasserlösliche Feststoffe oder Gase, diese werden von den Pflanzenwurzeln  aufgenommen, ins Grundwasser geleitet oder an die Luft abgegeben. Die Umwandlung organischer Stoffe durch  Bodentiere führt damit zu Stoffen anderer Aggregatzustände und anderer chemischer Zusammensetzung, die meist keine Schadstoffwirkung besitzen. In wenigen Fällen können jedoch  Abbauprodukte (Metaboliten) gebildet werden, die giftig sind.

Untersuchung der Adsorptionseigenschaft von Böden

Bei derartigen Untersuchungen muß man zwei Adsorptionsfälle unterscheiden. Zum ersten interessiert vordergründig die Entfernung von Schadstoffen aus Sickerwasser. Die Adsorptionseigenschaft von Böden läßt sich mit Hilfe von wässrigen Farbstofflösungen zeigen. Sie werden beim Durchsickern entfärbt oder in ihrer Farbintensität abgeschwächt. Eine genaue Beobachtung sollte ergeben, daß es sich bei dieser Art von Reinigung um eine Verteilung der Farbstoffe zwischen Bodensubstanz und Lösungsmittel handelt. Die Adsorption steht stets mit der Desorption im Gleichgewicht, so daß im Endeffekt bei der Versickerung einer Farbstofflösung nur die Verlangsamung des Farbstofftransportes erfolgt. Davon völlig verschieden sind die Mechanismen bei der Absorption und dem diagenetischen Abbau von in den Boden eingespülten Substanzen.

Für die vorgesehenen Schülerversuche eignen sich beispielsweise wässrige Tintenlösungen unterschiedlichen Verdünnungsgrades recht gut. Viele Böden entfärben wirkungsvoll blaue Eisengallustinten, dagegen wird rote Tinte nur schlecht an Bodenkolloiden adsorbiert, so daß die    Entfärbung der Lösung nicht gelingt. In jedem Fall erhält man auch bei der Filtration von roter Tinte durch alle Bodenmaterialien einen deutlichen Farbrückgang. Den qualitativen Vergleich der Adsorptionskraft unterschiedlicher Bodenarten erhält man durch gleichzeitig angesetzte Versuchsreihen mit Farbstofflösungen gleicher Konzentration bei Auftrag gleicher Volumen. Die Sickerwässer werden mit einem

Abbildung 6: Adsorptionseigenschaft von Böden

Filter- oder Spektralphotometer bei der entsprechenden Lichtwellenlänge verglichen. Die so erhaltenen Extinktionswerte sind umgekehrt proportional zu den Adsorptionskräften (Erweiterung des Versuchs -Mittelstufe-).
Als Versuchsaufbau eignet sich eine aus den bekannten Plastikflaschen zusammengestellte Anordnung. An einer der Polyethylenflaschen wird der Boden abgesägt und der Verschluß perforiert, sie dient als Lysimeter. An einer zweiten Flasche wird das Oberteil entfernt, sie dient als Auffanggefäß (siehe Abb. 6).

Die Flaschen sollten so abgeschnitten werden, daß man mit einem Lösungsvolumen von mindestens 500 ml arbeiten kann. Eine geringere Lösungsmenge wird unter Umständen durch einen trockenen Boden mit großem Rückhaltevermögen geschluckt, so daß im Auffanggefäß kein Lösungsmittel oder nur geringe Mengen ankommen. Das Verstopfen der Perforation in der Verschlußkappe wird durch eine Zwischenlage von Glaswolle gemindert. Bei tonreichen Böden ist eine bis zu mehreren Tagen dauernde Perkolation oft nicht zu vermeiden. Will man die Adsorptionskraft der Bodensäule sichtbar machen, dann bietet sich die Erhöhung der Farbstoffkonzentration in der Lösung an. Ein weiterer Weg ist die Auswaschung des an den Boden adsorbierten Farbstoffes mit einem konstanten Wasservolumen. Dabei geben stark adsorbierende Böden weniger Farbe an das Wasser ab, so daß im Auffanggefäß Lösungen unterschiedlicher Farbintensität ankommen. Durch photometrische Untersuchungen läßt sich die Affinität unterschiedlicher Bodenarten zu Farbstoffen quantifizieren. Der gleiche Mechanismus, der die Anlagerung von Farbstoffe an Bodenpartikel bedingt, liegt der Adsorption von Schadstoffen in Böden zugrunde. Die Ermittlung von Schadstoffgehalten in Böden ist Thema der Sekundarstufe II. Im aufbauenden Arbeitskonzept "Untersuchungen an Böden" wird auf die Bestimmung spezieller anorganischer und organischer Schadstoffe näher eingegangen.

Die Versuche und die daraus erhaltenen Ergebnisse sollen dem Schüler zeigen, daß die meisten der von Menschen produzierten Schadstoffe früher oder später zur Belastung der Böden führen und dort festgehalten werden. Während aus der Luft und dem Wasser mit entsprechendem technischem Aufwand Verunreinigungen entfernt werden können, ist dies aus belasteten Böden mit den derzeit verfügbaren Mitteln nicht immer möglich. Eine hohe Schadstoffbelastung der Böden führt deshalb zu irreparablen Schäden im Stoffhaushalt der Ökosphäre.

Das Bodenwasser

Der Wasserhaushalt des Bodens ist eine entscheidende Größe für die Bodenfruchtbarkeit, denn das pflanzenverfügbare Wasser begrenzt die Stärke des Pflanzenwachstums. Man unterscheidet verschiedene Bodenwasserarten. Unter Grundwasser versteht man das auf einer dichten Schicht (= Grundwassersohlschicht) im tieferen Untergrund gestaute, alle Poren füllende Wasser, das unter keiner Saugspannung steht.
Das über dem Grundwasserspiegel kapillar aufsteigende Wasser bezeichnet man als kapillares Grundwasser. Es kann teilweise noch von den Pflanzenwurzeln aufgenommen werden. Das Haftwasser, das vom Boden gegen die Schwerkraft festgehalten wird, ist für Pflanzen nicht mehr verfügbar. Es ist zum Teil in sehr feinen Kapillaren gebunden oder an Bodenteilchen adsorbiert. Letzteres bezeichnet man auch noch als Hygroskopisches Wasser.

Für den Lehrer:
Da die verschiedenen Wasserarten des Bodens fließende Übergänge bilden, entziehen sie sich einzeln einer exakten Erfassung. Will man dies, dann muß man den Wasserhaushalt des Bodens von der energetischen Seite her betrachten, d.h. es muß die Bindungsintensität des Bodenwassers  (= Wasserspannung) gemessen werden. Das Rückhaltevermögen wird durch den Saugdruck ausgedrückt, der notwendig wird, um das gebundene Wasser aus dem Boden zu entfernen. Zur Veranschaulichung kann der Druck durch eine Wassersäule dargestellt werden, exakt wird er in Pascal (Pa) angegeben.

   Es gilt: 10m WS = 1 at = 0,981 bar = 98100 Pa = 981 hPa

   WS = Wassersäule
Es hat sich eingebürgert, die Wasserspannung als pF-Wert anzugeben. Der pF-Wert ist der dekadische Logarithmus der in cm angegebenen Wassersäule.
Zwischen Wasserspannung, Wassergehalt, Bodenart, Bodenmineralbestand, Porendurchmesser und Art des Bodenwassers bestehen enge Beziehungen.

Merke:
Jeder Eingriff, ob chemischer oder mechanischer Natur, in das Bodengefüge verändert das Bodenwasserverhältnis.

Versuch zur Bestimmung der kapillaren Steighöhe in Bodensubstraten

Bei der Berührung von Wasser mit festem Bodenmaterial läßt sich beobachten, wie das Wasser vom Boden aufgesaugt wird. Diese Erscheinung beruht z. T. auf der Kapillarwirkung, die von den kleinen Hohlräumen zwischen den Bodenpartikeln ausgeht. Die Bodenporen haben unterschiedliche Durchmesser. Die Steighöhe des im Boden kapillar aufsteigenden Wassers wird durch den größten Porendurchmesser begrenzt. Das Emporsteigen von Wasser in einer Bodensäule nennt man aktive Kapillarität. Sie wird im einfachsten Fall so gemessen, daß eine trockene Bodensäule an der Unterfläche mit Wasser in Berührung gebracht und der Wasseranstieg beobachtet wird (Abb. 7).

Abbildung 7: Versuchsanordnung zur Bestimmung der aktiven kapillaren Steighöhe (hka)

Die Versuchsanordnung besteht aus einer liegenden Plastikflasche, die an ihrer Oberseite zur Aufnahme des Wasserbehälters und von mehreren transparenten Laborschläuchen, die mit Bodenmaterial gefüllt sind, versehen ist. Die Öffnungen werden mit einem Lötkolben in die Plastikflaschen eingeschmolzen. Das verwendete Bodenmaterial wird luftgetrocknet und vor der Befüllung in einem Mörser schonend zerrieben. Der Polyethylenschlauch wird einseitig mit einem Glaswollebausch verschlossen, seine Befüllung erfolgt über einen aufgesetzten Labortrichter. Die kapillare Steighöhe wird mit einem Meter gemessen. Sie gibt an, wie weit oberhalb des Grundwasserspiegels noch mit wassergesättigtem Boden zu rechnen ist. Mit dem Versuch läßt sich sehr schön zeigen, daß das Grundwasser nicht in unerheblichem Maß zur Wasserversorgung der Vegetationsdecke beiträgt. Die Absenkung des Grundwasserspiegels durch die menschliche Nutzung hat Folgen für die Pflanzen.