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Forstwissenschaftliches Centralblatt

, Volume 105, Issue 1, pp 60–76 | Cite as

Zustand und Entwicklung der Austauschereigenschaften von Mineralböden aus Standorten mit erkrankten Waldbeständen

  • E. E. Hildebrand
Article

Zusammenfassung

Durch Bestimmung der effektiv ausauschbaren Kationen an archivierten Bodenproben von Düngungsversuchen und durch Vergleich mit der aktuellen Austauscherbelegung wurde die bodenschemische Entwicklung von zwei Standorten des Buntsandsteins mit und ohne Düngeeinfluβ dargestellt. Es zeigten sich im Beobachtungszeitraum vom 15 Jahren starke Versauerungstendenzen im oberen Mineralbodenbereich. Je nach Ausgangslage und Säuerebelastung äuβerte sich diese Versauerung in einer Abnahme der Basensättigung zugunsten von Kationsäuren, oder in einer zunehmenden Protonisierung des Austauschers bei gleichbleibendem, offensichtlich substratspezifischen „eisernen Bestand” an Basen. Die Aufrechterhaltung eines Basenanteils trotz zunehmenden Lösungsdruckes an dreiwertigen Kationsäuren wird der Basenfreisetzung aus noch vorhandener Silikatpufferung zugeschrieben oder athmogenem Eintrag zugeschrieben.

Das austauschbare Mangen wurde im Beobachtungszeitraum vollständig mobilisiert und konnte im durchwurzelten Mineralboden nicht wiedergefunden werden. Aufgrund von Menge und Art der Manganoxide in nicht hydromorphen Bodenhorizonten aus Buntsandstein kann auf eine kurzfristig wirksame Protolyse der Manganoxide im Grenzbereich zwischen Austauscher-und Al-Pufferbereich und auf eine anschlieβende Verdrängungsphase durch Al3+ und Fe3+ geschlossen werden. Der Tiefenfunktion des austauschbaren Mangans kommt daher diagnostische Bedeutung und eine Datierungsfunktion für die Versauerungsgeschichte von Bodenprofilen zu.

Die Ionengleichgewichte in den Mineralböden von Standorten mit stark geschädigten Beständen zeigen generell eine zunehmende Diskriminierung von Basen mit fortschreitender Belegung der Austauscherobeflächen durch dreiwertige Kationsäuren. Bei beginnender Protonisierung der Austauscher, d.h. wenn die Protonenkonsumption durch Pufferreaktionen dem Protoneneintrag hinterherhinkt, nimmt die Selektivität der Austauscher für Ca und Mg wieder zu, da gegenüber Protonen der Wertigkeitseffekt von Ca und Mg zum Tragen kommt. Nur bei diesem bodenchemischen Zustand, d.h. bei niedriger Ca-Sättigung (< 3%) und hohem Protonenanteil am Austauscher (% H+ > 10) wurde an drei Standorten nadelanalytisch neben Mg-Mangel auch eine Ca-Unterversorgung der Fichtenbestände festgestellt.

Eine sehr weitgehende und wahrscheinlich irreversible, säuerebedingte Veränderung der Austauscheroberflächen äuβert sich in der straffen, positiven Beziehung zwischen K-Sättigung und -Selektivität gegenüber Al. Bei der K-Sorption durch permanente Ladungen an silikatischen Gittern müβte diese Beziehung negativ sein, da mit abnehmender K-Sättigung relativ immer mehr Positionen mit sterisch begünstigter K-Fixierung übrig bleiben. Unser Befund deutet also darauf hin, daβ permanente Gitterladungen für die K-Gleichgewichte der untersuchten Standorte keine analytisch erkennbare Rolle mehr spielen. Die K-Sorption wird also wie die der anderen Basen durch variable Ladungen gesteuert.

Diese festgestellten chemischen Gleichgewichte in den Mineralböden der untersuchten Standorte verdeutlichen die Schwierigkeiten bei der praktischen Forstdüngung, durch Einbringung von Puffersubstanzen den Basenanteil an den Austauschern stark versauerter Mineralböden nachhaltig und umweltneutral zu erhöhen.

Condition and development of exchange characteristics of mineral soils from forest sites with declining stands

Summary

An approach was made to analyze the chemical development of soils of to forest sites on “Buntsandstein” with and without the influence of fertilization. For that purpose the exchange characteristics of stored soil sample were compared with those of recently collected samples.

During the observation period of 15 years a clear tendency towards acidification was found. According to soil conditions (influenced/not influenced by fertilization, input of acid depositions) the acidification was either expressed by a decrease of base saturation in favour of cation acids, or by an increasing proton saturation, then accompanied by a constant “iron reserve” of base saturation (± 5%). The maintaining of a stable base saturation in spite of the dominance of trivalent cation acids in the soil solution is probably due to buffering processes by silicates. As long as silicates are present and the rate of silicate-buffering is constant, the liberation of bases will lead to substrate-specific base saturation.

During the obserervation period, a complete mobilization of the exchangeable manganese took place in the mineral soil penetrated by roots. Regarding the amount and the kind of Mn-oxides in nonhydromorphic soil horizons from “Buntsandstein”, it can be concluded that a short phase of protolytic decomposition of Mn-oxides occured in the course of acidification, followed by a Mn-displacement from exchange surfaces when trivalent cation acids began to dominate the soil solution. The depth function of exchangeable manganese, therefore, may contain information about the “acidification history” of soil profiles.

The calculation of cation exchange equilibria in the mineral soils of sites with heavily declining spruce stands revealed an increasing discrimination of bases when exchange surfaces show increasing saturation with trivalent cation acids. If the rate of proton input exceeds the rate of proton consumption by buffering processes, protons begin to dominate the soil solution and consequently are bound by exchange surfaces. At that time, the relative selectivity of mineral soils for Ca and Mg increases as a function of proton saturation. When soils were in such chemical state, that means at low Ca-saturation (% Ca < 3) and a high level of adsorbed protons (% H > 10), the spruce stands showed in addition to Mg-deficiency also a clear lack of Ca, as could be seen from needle analysis.

The positive correlation between K-saturation and K-selectivity relative to Al revealed that exchange surfaces suffered a drastic and probably irreversible change in the course of acidification. If permanent charges in the lattices of layer silicates are responsible for K-adsorption, a negative correlation between K-saturation and K-selectivity should be expected, as with decreasing K-saturation an increasing percentage of positions with steric sorption preference for K remains. This finding, therefore, indicates that permanent charges of silicate lattices did not play any discernible role in exchange equilibria on the sites investigated. Variable charges are rather considered to be the main factor K-adsorption and the factor of base retention in general.

The cation exchange equilibria in acid mineral soils point out the difficulties of conventional forest fertilization to attain a lasting base enrichment on exchange surfaces.

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Copyright information

© Verlag Parey 1986

Authors and Affiliations

  • E. E. Hildebrand
    • 1
  1. 1.Abt. Botanik und StandortskundeForstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-WürttembergStuttgart 31/Weilimdorf

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