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

Der Begriff"Humus"kennzeichnet diejenigen organischen Bestandteile von Mineralböden, die sich während der Bodenbildung bzw. bei der Bodengenese anreichern. Sie unterscheiden sich von allen anderen organischen Substanzen durch ihre bodenspezifische Pragung.

Es ist eine große Vielfalt von klassischen Methoden insbesondere zur Analyse der humifizierten Komponenten der OBS bekannt. Sie sind auf eine Identifikation einzelner Komponenten mit physikalischen, chemischen oder biologischen Verfahren ausgerichtet, um Zusammenhänge der OBS zu einzelnen Bodeneigenschaften und insbesondere zur Bodenfruchtbarkeit aufzuklären.

Mit der Berucksichtigung okologischer Aspekte in der bodenkundlichen Forschung erfolgte eine zunehmende Orientierung auf mikrobiell leicht abbaubare Komponenten der OBS mit dem Ziel, ökologische Probleme der industriellen Bodennutzung (z. B. Belastung der Gewässer mit Pflanzennährstoffen) z. B. durch verringerte Anwendung von Mineraldüngern und optimierte technologische Aufwendungen (z. B. Bodenbearbeitung) zu reduzieren, das Verhalten von Bodenschadstoffen zu beschreiben und andere Effekte (z. B. Versauerung von Waldböden) zu analysieren. Den humifizierten Bestandteilen der OBS wurde in diesem Zusammenhang als relativ stabilen Komponenten eine untergeordnete Bedeutung beigemessen.

Die damit verbundenen Entwicklungen von Methoden zur Qualitatsbewertung von Bestandteilen der OBS orientierten 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 heute keine Verfahren bekannt, mit denen die qualitative Zusammensetzung der OBS allgemeingültig bestimmt werden könnte.

In DD 249 972 Al und DD 252 890 Al werden beispielsweise Verfahren zur Bestimmung der Umsetzbarkeit der organischen Bodensubstanz beschrieben, bei denen die schwer mineralisierbaren Humussäuren abgetrennt werden, wodurch die leicht

mineralisierbaren Bestandteile der OBS mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Dies ermöglicht eine bessere Kalkulation der Nahrstofffreisetzung aus dem Boden im Jahresverlauf. Beziehungen zu Klassifikationsmerkmalen von Böden, einzelnen Bodenbildungsprozessen oder Eigenschaften der Böden in einzelnen Klimazonen, Funktionen der Böden in der Biosphäre oder zu Gesetzmä#igkeiten der Sukzession von Ökosystemen lassen sich aus Ergebnissen dieser Methoden nicht ableiten.

DD 259 460 A1 enthalt ein Verfahren, das die unterschiedliche Bedeutung der thermischen Stabilitat humifizierter und nichthumifizierter Komponenten zur Bewertung der biologischen Zugänglichkeit und damit far die biologische Verwertbarkeit umsetzbarer Komponenten nutzt. Es erganzt Verfahren zur quantitativen Bestimmung umsetzbarer Bestandteile durch einen qualitativen Parameter, bleibt aber auf einzelne Komponenten der OBS und davon abhängige Prozesse der Freisetzung von Pflanzennahrstoffen beschrankt.

Ähnliche Schlußfolgerungen ergeben sich auch aus Untersuchungen zur thermischen Stabilitat und biologischen Abbaubarkeit von Pflanzensubstanzen (Siewert, C. in Archiv far Acker-und Pflanzenbau und Bodenkunde, 1994, Bd. 38, S. 179-193). Die Ergebnisse verweisen auf eine Eignung der Thermogravimetrie zur halbquantitativen Erfassung biologisch umsetzbarer Anteile und anderer Merkmale (z. B. Hygroskopizitat) in Ausgangsstoffen der organischen Bodensubstanz. Eine <BR> <BR> <BR> Schlu#folgerungenaufdieorganischeÜbertragungder Bodensubstanz oder eine Charakterisierung der qualitativen Zusammensetzung der organischen Bodensubstanz ist jedoch mit der beschriebenen Verfahrensweise nicht möglich.

Aus dem Fehlen einer allgemeingültigen Qualitatsbewertung der OBS resultieren zahlreiche Probleme der heutigen Bodenforschung. So erschweren

gegenwartig mehrere, miteinander nur begrenzt kompatible Klassifikationssysteme den weltweiten Vergleich und die einheitliche Interpretation von Ergebnissen zu Böden sowie die Beschreibung allgemeiner Funktionen von Böden und insbesondere der OBS in Okosystemen.

Aufgabe der Erfindung war es deshalb, ein einfaches, kostengünstiges und fur Mineralboden aller Regionen, Klimazonen und Nutzungsrichtungen anwendbares Verfahren zur Qualitatsbestimmung der organischen Bodensubstanz zur Verfügung zu stellen, welches die aufwendige stoffliche Identifizierung einzelner Komponenten der OBS nicht erforderlich macht und sich statt dessen an allgemeingültigen, evolutiv geprägten Gesetzmä$igkeiten der heutigen Bodenbildung orientiert.

Es wurde gefunden, da$ die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein einfaches und kostengünstiges thermogravimetrisches Verfahren gemma$ Anspruch 1 gelöst werden kann.

Erfindungsgemäß wird die zu untersuchende lufttrockene Bodenprobe thermogravimetrisch analysiert, nachdem sie in einer dünnen Schicht bei konstanter und hoher rela- tiver Luftfeuchte tuber 50t bis zur Gewichtskonstanz ge- lagert wurde. Insbesondere bevorzugt ist eine Lagerung bei 60-95W relativer Luftfeuchte. Die Lufttrocknung der Probe erfolgte vorzugsweise bei unter 30°C und tuber 50% relativer Luftfeuchte. Bei der thermogravimetrischen Analyse wird die Probe von 20°C auf über 960°C unter aeroben Bedingungen erwarmt, und die Gewichtsverluste aufgezeichnet. Die Erwärmungsgeschwindigkeit wird dabei zwischen 1°C und 50°C pro Minute so gewählt, da$ eine schnelle, jedoch möglichst gleichzeitige Erwärmung des gesamten Probenvolumens erfolgt.

Ausgehend von der neuen Erkenntnis, da$ Humusstoffe tuber eine Pufferung der biologischen Wirksamkeit mikrobieller Exoenzyme die Zusammensetzung der OBS bestimmen und diese Wirkung von klimatischen Faktoren

sowie dem Tongehalt abhangig ist, ldgt sich die Qualität der OBS tuber einen Quotienten aus den summaren thermogravimetrischen Gewichtsverlusten zwischen 200 OC und 450°C (vorrangiger Zerfallsbereich nichthumifizierter, mikrobiell umsetzbarer Komponenten der OBS) zu den summaren thermogravimetrischen Gewichtsverlusten zwischen 95 OC bis 190 OC (Gewichtsverluste durch Wasserabgabe) bestimmen.

Vorzugsweise wird dieser erfindungsgemäBe Gewichtsverlustquotient durch Division der Gewichtsverluste zwischen 295 OC und 305 OC durch die Gewichtsverluste zwischen 125 OC und 135 OC (vor- rangiger Zerfallsbereich fUr gepufferte Exoenzyme) bestimmt. Dieser Gewichtsverlustquotient beschreibt Anteile an Nichthumusstoffen in der OBS bezogen auf die Menge gebundenen Wassers der Humusstoffe. Er ist unabhängig vom Tongehalt und gilt fur alle Mineralböden unabhängig von der Region, der Klimazone oder der Nutzungsrichtung des Bodens.

Werden erfindungsgemä$ Gewichtsverlustquotienten >1 gefunden, so handelt es sich um Böden, in denen durch Pufferwirkungen der Humusstoffe bei konstanter Bodenfeuchte mikrobiell umsetzbare Komponenten der OBS (Nichthumusstoffe) angereichert wurden und nur wenige oder keine gepufferten Exoenzyme vorliegen (z. B.

Braunerden unter natürlicher Waldvegetation).

Werden erfindungsgemä$ Gewichtsverlustquotienten <1 gefunden, so handelt es sich um Böden, deren Anteil an Exoenzymen gruger ist als der Anteil an Nichthumusstoffen. Diese Charakteristika sind für Böden mit stark wechselnder Bodenfeuchte (z. B. Schwarzerden unter natürlicher Steppenvegetation) charakteristisch.

Sie finden sich weiterhin in allen Bodenhorizonten mit bodengenetisch bedingt geringer Zufuhr an umsetzbaren organischen Rückständen bei sonst günstigen Lebensbedingungen far Bodenmikroorganismen (Horizonte unterhalb der A-Horizonte), d. h. in Schichten mit

bodengenetisch bedingt geringen Anteilen an umsetzbaren Komponenten.

Unter Ausnutzung der engen Beziehungen zwischen den thermogravimetrischen Gewichtsverlusten bei Erwarmung von 20 OC auf aber 960 OC (vorzugsweise von 20 OC 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 tonabhangigen Gewichtsverlusten lä$t sich auch der Gewichtsanteil umsetzbarer Komponenten der OBS quantifizieren. Er errechnet sich aus dem Gesamtgewichtsverlust abzüglich der Gewichtsverluste tonabhängiger Komponenten der OBS unter Verwendung des in Abb. 1 dargestellten Koeffizienten für den Einflu$ des Tongehaltes auf den Gesamtgewichtsverlust sowie abzüglich der Gewichtsverluste durch Karbonate.

Um die Gewichtsverluste umsetzbarer organischer Substanz in die Menge umsetzbaren Kohlenstoffs umzurechnen lä$t sich ein Faktor bestimmen, welcher den <BR> <BR> <BR> mittleren Gewichtsverlust der OBS je W C im Boden ausdrückt. Er errechnet sich aus der Division des Gesamtgewichtsverlustes bis 800 °C abzüglich der Gewichtsverluste durch hygroskopisches Wasser durch den C-Gehalt des Bodens in Prozent. Die Division der Gewichtsverluste der umsetzbaren Substanz durch diesen Faktor liefert Informationen tuber den Gehalt an umsetzbaren Kohlenstoff in Prozent im Boden.

Durch die Bestimmung des erfindungsgemä$en Gewichtsverlustquotienten ist es in Kombination mit der Bestimmung umsetzbarer OBS-Anteile möglich, Spezifika der Nährstofffreisetzung für die produktive Bodennutzung (Forst-und Landwirtschaft) und Aufgaben des Bodenschutzes gezielt zu nutzen. Derartige Möglichkeiten werden im Folgenden an Einzelbeispielen erlautert.

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 Umsatzprozesse freigesetzt werden können. Liefert hingegen die Bestimmung der Menge umsetzbarer Substanzen gleiche Werte und ist der Gewichtsverlustquotient verschieden, mu$ bei dem Boden mit höherem Gewichtsverlustquotient mit einer langsameren Freisetzung von Nahrstoffen in Folge einer im Mittel gleichmä$igeren Bodenfeuchte gerechnet werden.

Veränderungen des Gewichtsverlustquotienten im Jahresverlauf weisen auf witterungsbedingte Veranderungen der OBS-Qualität hin. Sinkt beispielsweise der Gewichtsverlustquotient während der Sommermonate in Folge wechselnder Bodenfeuchte bei gleichbleibendem Gehalt an umsetzbarer Substanz, ist dies ein Anzeichen für die Zunahme 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 genutzt werden können oder aber das Grundwasser durch Auswaschung belasten. Nach gleichmä$ig feuchten Sommern bzw. bei nur geringfügigem Absinken der Gewichtsverlustquotienten ist hingegen mit einer Nahrstofffreisetzung in der kalten Jahreszeit oder bei Zunahme der Bodenfeuchte nicht zu rechnen, so da$ überwinternde Kulturen im Interesse der Ertragsgestaltung mit geringeren Risiken für die Verlagerung von Nahrstoffen gedungt werden können.

Der Gewichtsverlustquotient variiert am starksten in Abhangigkeit 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 bekannten bodenklimatischen Bedingungen (Klima,

Grundwassereinflu$, Vegetation) eine Diagnostik von Bodentypen an Hand des Gewichtsverlustquotienten bzw. der sich darin ausdruckenden OBS-Qualitat. Bei landwirtschaftlichen Böden ist eine Bewertung des Versorgungszustandes mit organischer Substanz möglich.

Ist hingegen der Bodentyp, die Bodennutzung und Zufuhr an umsetzbaren organischen Rückständen bekannt, erlaubt der Gewichtsverlustquotient Ruckschlusse uber Spezifika der Bodenbildung, insbesondere zur mittleren Variabilität der Feuchtebedingungen.

Desweiteren sind SchluEfolgerungen auf ökologische Eignung eines Bodens finir unterschiedliche Nutzungsrichtungen möglich. So weisen beispielsweise hohe Gewichtsverlustquotienten auf konstante Feuchteverhältnisse und eine langsame Nährstofffreisetzung hin, die in den meisten Fallen der Entzugsdynamik der Waldvegetation besser entspricht.

Sehr kleine Gewichtsverlustquotienten weisen im Gegensatz dazu insbesondere in Kombination mit hohen Absolutwerten far den Gehalt an umsetzbarer Substanz auf eine Eignung des Bodens far landwirtschaftliche Kulturen mit kurzer, steppenähnlicher Vegetationsperiode (z. B. die meisten Getreidearten) hin.

Hinsichtlich der Klassifikation von Böden weisen kleine Gewichtsverlustquotienten auf wechselfeuchte Bedingungen hin, wie sie z. B. far die Ah-Horizonte (Humusanreicherungshorizonte) von Podsolen und Schwarzerden charakteristisch sind. Grole Gewichtsverlustquotienten sind hingegen unter anderem far Braunerden und Böden der gleichmä$ig feuchten Tropen (unter natürlicher Waldvegetation) typisch.

Unterschiede im Gewichtsverlustquotienten werden zugleich von Unterschieden in der Intensität der Farbung (Farbintensitat der OBS je C-Gehalt) begleitet, die sich far eine vergleichende Diagnostik der OBS-Qualität verwenden lassen, wenn gleiche

Gehalte an farbenden Kationen (z. B. Fe, Mn) vorliegen.

Hieraus ergeben sich Möglichkeiten für die Entwicklung von Feldmethoden, welche durch das thermogravimetrische Verfahren regional geeicht und angepa$t werden können.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausfuhrungsbeispielen naher beschrieben werden, ohne sie darauf einzuschränken.

Ausführunqsbeispiele Analysiert wurden folgende Proben : 1. Parabraunerde aus der Hildesheimer Borde auf Lö$ unter altem Buchenmischwald 2. Parabraunerde aus der Hildesheimer Borde auf Lö$ unter landwirtschaftlicher Nutzung unmittelbar neben Probe 1 gelegen (gleiche geologische und klimatische Ausgangsbedingungen) 3. Braunschwarzerde aus Keupermaterial unter landwirtschaftlicher Nutzung aus der Nähe von Weimar Die thermogravimetrischen Analysen dieser Proben wurden mit einem umgebauten"Derivatographen"der ungarischen Firma"MOM"durchgefiihrt und die Ergebnisse durch gleiche Analysen mit einer Thermowaage der Mettler- Toledo GmbH (TGA/SDTA 851') verifiziert. Die Erwarmung erfolgte von Zimmertemperatur (20-25 °C) auf tuber 960 OC mit einer Aufheizrate von 5 OC pro Minute unter aeroben Bedingungen. Wahrend der thermogravimetrischen Analyse wurden die Temperatur und der Gewichtsverlust kontinuierlich aufgezeichnet. Die Einwaage der Bodenproben betrug 1700 mg (bei der TGA/SDTA 851e : 900 mg). Zur Vorbereitung der Analyse wurden die lufttrockenen Bodenproben in einer max. 3 mm dicken Schicht bei 76 % relativer Luftfeuchte liber 10 Tage gelagert, um eine Einstellung gleicher Feuchtever- hältnisse in allen Proben zu garantieren.

Tabelle 1

Ausgewählet Me#werte der thermogravimetrischen Analyse summare Gewichtsverluste in mg/g Einwaage fUr die Temperaturbereiche von (°C) 259 135 30 105 355 415 660 30 bisbis(°C) 305 115365425970190800 SpalteSpalte1 2 3 4 5 6 7 8 ProbeProbe1 0.205 0.088 6.90 0.195 0.175 0.107 0.16 2.05 ProbeProbe2 0.143 0.098 6.77 0.256 0.092 0.085 0.97 2.27 0.1650.3079.380.6530.1160.1130.404.54Probe3 Aufbauend auf Tab. 1 wurde die Qualität der OBS durch Bildung des Quotienten der Gewichtsverluste zwischen 295 OC und 305 OC (Spalte 2) zu den Gewichtsverlusten zwischen 135 OC und 145 OC (Spalte 3) far jede Probe ermittelt. Dabei ergab sich far Probe 1 folgende Berechnung : 0.205/0. 088 = 2. 33. Analog wurde far die Proben 2 und 3 verfahren, womit sich far Probe 2 ein OBS-Qualitätsindex von 1,46 und far Probe 3 von 0,54 ergibt.

Die Werte zur OBS-Qualitat von Probe 1 dienen hier als Vergleichsgrundlage. Sie sind far Ah-Horizonte (Humusanreicherungshorizonte) von Böden des gemä$igten humiden Klimas unter Wald bzw. von Braunerden unter natürlicher Vegetation typisch. Die landwirtschaftliche Nutzung des gleichen Bodens (Probe 2) führt zu einer deutlichen Reduktion des umsetzbaren Kohlenstoffs, während der Gehalt des inerten bzw. humifizierten

Kohlenstoffs sich nicht verändert (Differenz aus C- Gehalt und C der umsetzbaren Substanz). Hieraus erklärt sich ein deutlich geringerer Gewichtsverlustquotient far die OBS-Qualitat. Letzterer ist bei Probe 3 nochmals deutlich kleiner und erreicht Grö$enordnungen von Schwarzerden, d. h. von Böden mit ausgeprägter Wechselfeuchte und Steppenvegetation. Ursache dieses far humide Klimaregionen kleinen Gewichtsverlustquotienten bei Probe 3 ist neben der landwirtschaftlichen Nutzung eine deutlich erhöhte Variabilität der Bodenfeuchte, die aus niedrigeren Niederschlagen in der betreffenden Region und aus einer geringeren Wasserhaltefähigkeit des tonreichen Bodens im Vergleich zu den Proben 1 und 2 auf Lö$ resultiert.

Far die Bodennutzung last sich aus diesen Ergebnissen zum Beispiel eine bessere Eignung der Braunschwarzerde far die landwirtschaftliche Produktion bzw. insbesondere far Kulturen mit kurzer Vegetationsperiode (ursprüngliche Steppenpflanzen) ableiten, weil-im Unterschied zur Probe 2-bei Zufuhr von organischer Substanz mit einer schnelleren Freisetzung von Nahrstoffen zu rechnen ist. Allerdings liegt der Anteil an umsetzbarer 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 bisher praktiziert, d. h. im Vergleich zur Probe 2 ist das Defizit an organischen Düngestoffen nutzungsbedingt betrachtlich hoher (hier eine Konsequenz der tuber Jahrzehnte intensiveren Ackernutzung).

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

Desweiteren last sich der Gewichtsverlustquotient als Klassifikationsmerkmal verwerten, weil Werte tuber 1 im Ap-Horizont (Pflughorizont, Proben 1 und 2) aus- schlie$1ich bei Braunerden und nur in seltenen Fallen bei lessivierten (tondurchschlammten) und podsolierten Böden (Böden mit Tonzerstörung) auftreten. Die Ergeb- nisse der Qualitatsbewertung bestatigen insofern die Richtigkeit der Zuordnungen der Proben zu einzelnen Bodentypen und zu Klimazonen (letzteres nur bei bekannter Vegetation), auch ohne Kenntnisse zum Profilaufbau. Der niedrige Gewichtsverlustquotient bei Probe 3 verweist hingegen auf eine Zuordnung zu Schwarzerden. Ohne die Einbeziehung weiterer Proben last sich jedoch nicht sagen, welcher Qualitätsquotient fur diesen Boden unter natürlicher Vegetation charakteristisch ist. Es lassen sich jedoch wegen der festgestellten Unterversorgung mit organischer Substanz Werte deutlich näher 1 erwarten, so da$ es sich nur um einen Ubergangsboden 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 Qualitatsbewertung bei Kenntnis der ackerbaulichen Nutzung und der wichtigsten klimatischen Bodenbildungsbedingungen eine Einschatzung des Bodentyps möglich.