Die Nährstoffe bewegen sich im Boden durch ihre Ladung. Sie liegen im Bodenwasser meist als negativ (-) geladene Anionen (Nitrat, Sulfat, Phosphat, Borat, Molybdat) oder als positiv (+) geladene Kationen (Kalzium, Magnesium, Kalium, Ammonium, Natrium) vor. Schwermetalle (Eisen, Kupfer, Mangan, Zink) sind Kationen mit wechselnder Wertigkeit. Auch das durch den Einfluss auf den pH-Wert bekannte Wasserstoff-Ion liegt als H+-Kation in der Lösung vor. Anionen werden im Boden wenig gebunden und sind deshalb leicht auswaschbar. Eine Ausnahme bildet das Phosphat, das mit mehrwertigen Kationen eine wenig bis unlösliche Bindung eingeht. Kationen werden hingegen überwiegend an die Austauscher gebunden. Nur ein geringer Anteil befindet sich in der Bodenlösung. Die Austauscher (Tonminerale, Humus) sind wegen des Ladungsüberschusses nach außen negativ geladen und binden somit Kationen. Wie stark der Boden Kationen bindet, hängt von deren Wertigkeit ab: Das zweiwertige Kalzium (Ca2+) wird durch zwei positive Ladungen stärker gebunden als ein einwertiges Kalium (K+). Eine sehr stabile Verbindung geht das dreiwertige Aluminium (Al3+) ein.
Steigt die Ca-Konzentration in der Bodenlösung durch Kalkung, kann ein Ca2+ zwei K+ vom Austauscher verdrängen. Das Kalium wird damit sehr schnell für die Pflanze verfügbar, ist dann jedoch auswaschungsgefährdeter.
Neben der Wertigkeit bestimmt der Umfang der Wasserhülle der Ionen die Bindungsstärke (Übersicht 3). Je größer die Wasserhülle, umso geringer ist die Bindungsstärke. Mit einer größeren Hülle rückt der Ladungsschwerpunkt des Ions weiter weg vom negativ geladenen Mineral. Deshalb hat Natrium mit einer sehr großen Wasserhülle eine geringere Bindungsstärke als Kalium oder Ammonium. Auch Magnesium hat aufgrund der größeren Wasserhülle eine geringere Bindungsstärke als Kalzium.
Die Bodenbestandteile können unterschiedlich gut und viele Kationen binden – abhängig von der spezifischen Oberfläche (vgl. Übersicht 4 auf Seite 84). Je größer, umso stärker ist das Bindungsvermögen, aber auch umso mehr Bindungsstellen hat der Boden, an denen Kationen andocken können.
Tonminerale sind nicht gleich
Die Tonminerale, aus denen sich die Tonteilchen zusammensetzen, haben verschiedene Bindungsstärken und vor allem eine unterschiedliche Anzahl von Bindungsstellen. Im Laufe der Zeit entwickelten sich die Tonminerale ausgehend vom Glimmer hin zum Illit, zum Vermiculit oder zum Kaolinit. Illite, die z.B. im Löß vorkommen, haben eine Oberfläche von 50 bis 200 m²/g, Vermiculite oder Smectite (Dreischichtminerale) dagegen eine Oberfläche von 600 bis 800 m²/g. Eine sehr geringe Oberfläche von nur 1 bis 40 m²/g haben Kaolinite (Zweischichtminerale).
Neben der Größe der Oberfläche bestimmt die Oberflächenstruktur das Austauschverhalten. Glimmer und davon abgeleitet Illite und Kaolinit haben Einkerbungen. In diese passen nur Kalium- oder Ammonium-Ionen. Damit ist deren Ladungsschwerpunkt näher am negativ geladenen Mineral und die Bindungsstärke nimmt zu. An diesen sogenannten selektiven Bindungsstellen werden Kalium und Ammonium stärker gehalten als Magnesium und Kalzium. Unter feuchten Bedingungen kann die Pflanze dieses Kalium (und Ammonium) verwerten, unter trockenen Bedingungen nicht. Man spricht in diesem Fall von Trockenfixierung.
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Die Nährstoffe bewegen sich im Boden durch ihre Ladung. Sie liegen im Bodenwasser meist als negativ (-) geladene Anionen (Nitrat, Sulfat, Phosphat, Borat, Molybdat) oder als positiv (+) geladene Kationen (Kalzium, Magnesium, Kalium, Ammonium, Natrium) vor. Schwermetalle (Eisen, Kupfer, Mangan, Zink) sind Kationen mit wechselnder Wertigkeit. Auch das durch den Einfluss auf den pH-Wert bekannte Wasserstoff-Ion liegt als H+-Kation in der Lösung vor. Anionen werden im Boden wenig gebunden und sind deshalb leicht auswaschbar. Eine Ausnahme bildet das Phosphat, das mit mehrwertigen Kationen eine wenig bis unlösliche Bindung eingeht. Kationen werden hingegen überwiegend an die Austauscher gebunden. Nur ein geringer Anteil befindet sich in der Bodenlösung. Die Austauscher (Tonminerale, Humus) sind wegen des Ladungsüberschusses nach außen negativ geladen und binden somit Kationen. Wie stark der Boden Kationen bindet, hängt von deren Wertigkeit ab: Das zweiwertige Kalzium (Ca2+) wird durch zwei positive Ladungen stärker gebunden als ein einwertiges Kalium (K+). Eine sehr stabile Verbindung geht das dreiwertige Aluminium (Al3+) ein.
Steigt die Ca-Konzentration in der Bodenlösung durch Kalkung, kann ein Ca2+ zwei K+ vom Austauscher verdrängen. Das Kalium wird damit sehr schnell für die Pflanze verfügbar, ist dann jedoch auswaschungsgefährdeter.
Neben der Wertigkeit bestimmt der Umfang der Wasserhülle der Ionen die Bindungsstärke (Übersicht 3). Je größer die Wasserhülle, umso geringer ist die Bindungsstärke. Mit einer größeren Hülle rückt der Ladungsschwerpunkt des Ions weiter weg vom negativ geladenen Mineral. Deshalb hat Natrium mit einer sehr großen Wasserhülle eine geringere Bindungsstärke als Kalium oder Ammonium. Auch Magnesium hat aufgrund der größeren Wasserhülle eine geringere Bindungsstärke als Kalzium.
Die Bodenbestandteile können unterschiedlich gut und viele Kationen binden – abhängig von der spezifischen Oberfläche (vgl. Übersicht 4 auf Seite 84). Je größer, umso stärker ist das Bindungsvermögen, aber auch umso mehr Bindungsstellen hat der Boden, an denen Kationen andocken können.
Tonminerale sind nicht gleich
Die Tonminerale, aus denen sich die Tonteilchen zusammensetzen, haben verschiedene Bindungsstärken und vor allem eine unterschiedliche Anzahl von Bindungsstellen. Im Laufe der Zeit entwickelten sich die Tonminerale ausgehend vom Glimmer hin zum Illit, zum Vermiculit oder zum Kaolinit. Illite, die z.B. im Löß vorkommen, haben eine Oberfläche von 50 bis 200 m²/g, Vermiculite oder Smectite (Dreischichtminerale) dagegen eine Oberfläche von 600 bis 800 m²/g. Eine sehr geringe Oberfläche von nur 1 bis 40 m²/g haben Kaolinite (Zweischichtminerale).
Neben der Größe der Oberfläche bestimmt die Oberflächenstruktur das Austauschverhalten. Glimmer und davon abgeleitet Illite und Kaolinit haben Einkerbungen. In diese passen nur Kalium- oder Ammonium-Ionen. Damit ist deren Ladungsschwerpunkt näher am negativ geladenen Mineral und die Bindungsstärke nimmt zu. An diesen sogenannten selektiven Bindungsstellen werden Kalium und Ammonium stärker gehalten als Magnesium und Kalzium. Unter feuchten Bedingungen kann die Pflanze dieses Kalium (und Ammonium) verwerten, unter trockenen Bedingungen nicht. Man spricht in diesem Fall von Trockenfixierung.
