Schnelle bodenchemische Prozesse der Auflösung, Ausfällung und des Ionenaustausches versucht man in jüngerer Zeit mit Modellen zu beschreiben, um sie besser zu verstehen und ihre Wirkungen vorhersagen zu können. Sie wurden bisher vorwiegend in Böden der gemäßigten Breiten eingesetzt. Im Gegensatz zu ihnen enthalten die stark verwitterten Böden der feuchten Tropen Kaolinit als Tonmineral ohne permanente Ladung sowie größere Mengen an Al- und Fe-Oxiden und Hydroxiden, welche in sauren Milieu eine höhere positive Ladung entwickeln. In der vorliegenden Arbeit wird die Frage gestellt, in wie weit sich diese Böden in ihren Reaktionen von denen der gemäßigten Breiten unterscheiden, und ob die für letztere entwickelten Modell in den Tropen Anwendung finden können. Das Untersuchungsmaterial stammt aus dem humidtropischen Gebieten Südamerikas, hauptsächlich aus einem Untersuchungsgebiet des Instituts für Bodenkunde und Waldernährung in Ostamazonien, Brasilien. Von dort wurden Bodenproben aus dem humosen Ober- als auch aus dem Unterboden eines ferrallitischen Bodens in einem Kleinbetrieb mit Feldumlagewirtschaft (Anbau, Buschbrache, Kahlschlag, Brand) verwendet. Folgende Aspekte wurden untersucht: 1) Es wurden konsekutive Batchversuche mit Boden-Lösungs-Suspensionen bei Verwendung unterschiedlicher Elektrolytlösungen durchgeführt. Für den Unterboden wurden verschieden stark konzentrierte (1, 10, 100 und 1000 mM) NaOH-, HCl-, und NH4Cl-Lösungen verwendet. Für die Untersuchungen des Oberbodens wurden verschieden konzentrierte Lösungen von NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2, AlCl3, NaCl, FeCl3, HCl und H20 eingesetzt. Die Simulation der Batch- Versuche erfolgte mit einem Modell gekoppelter chemischer Gleichgewichte. Dieses Modell beinhaltet Kationenaustausch, anorganische Komplexbildungs- und Salzbildungsreaktionen und ist in den gemäßigten Breiten mit Erfolg zur Beschreibung dieser Reaktionen eingesetzt worden. Die Auswertung dieser Versuche ließ den Schluß zu, dass das Modell grundsätzlich diese Funktion auch im ferrallitischen Boden erfüllt. Die pIAP-Werte (negativer dekadischer Logarithmus der Ionenaktivitätsprodukte) von Al(OH)3 variierten im Unterboden zwischen 31.3 und 41.6. Es liegt also für einige Versuchsreihen Übersättigung bezüglich amorphen Al(OH)3 (Laugenzugabe) und für andere Untersättigung (erschöpfende Al(OH)3-Auflösung durch Säurezugaben) bezüglich Gibbsit vor. Das Modell beschreibt die experimentellen Ergebnisse (pH und Sorptionsverläufe) bei sequentieller Equilibrierung mit 1, 10 und 100 mM HCl bzw. 1 mM NaOH zufriedenstellend. Dies deutet darauf hin, dass pH-Pufferreaktionen nach Kalkung oder Waldbrand zum grossen Teil durch Al-Desorption vom Austauscher und Fällung als Al(OH)3 ablaufen. Weitere Pufferreaktionen finden über die Pufferung des Kohlensäuresystems und durch die Dissoziation von Protonen der variablen Ladung statt. Die sequentiellen Sorptionsversuche mit 1000 mM NH4Cl desorbierten in 8 Extraktionschritten annähernd die gleichen Mengen K, Mg und Al wie das Ake-Routineverfahren. Die desorbierten Mengen an Ca und Na betrugen jedoch nur 60 % bzw. 10 %. Die Modellierung der Experimente mit 1, 10, 100 und 1000 mM NH4Cl ergab gute Übereinstimmungen für die Kationensorption und den pH-Werten mit den experimentellen Werten. Dies zeigt, dass die unterschiedlich desorbierten Kationenmengen bei 1, 10, 100 und 1000 mM NH4Cl mit Hilfe von Kationenaustausch (Selektivitätskoeffizienten) und Al(OH)3-Lösung/Fällung (Ionenaktivitätsprodukt)beschrieben werden können. Für den ferrallitischen Oberboden fand man, dass bei sequentieller Zugabe einer 2/3 mM FeCl3-Lösung an Al(OH)3 untersättigte Lösungen entstanden (Al(OH)3-Auflösung bei erheblicher Säurezugabe). Bei Versuchen mit den anderen Elektrolytlösungen variieren die pIAP-Werte (Al(OH)3) zwischen 32 und 34. Sie liegen also zwischen den pIAP-Werten von amorphen Al(OH)3 (pIAP = 32.33) und Gibbsit (pIAP = 33.96). Die pH-Pufferung erfolgte größtenteils durch Desorption von Ca und Mg. Das Modell gekoppelter Gleichgewichte beschreibt die Ca-, Mg- und K-Desorptionen sehr gut, während für den pH-Wert und die Sorptionsverläufe von Na und Al geringfügige Abweichungen bestehen. Beim sequentiellen Sorptionsversuch mit 2/3 mM AlCl3 wird fast sämtliches zugesetztes Al von der Festphase adsorbiert. Das Modell beschreibt dieses Sorptionsexperiment sehr befriedigend. Das Sorptionsexperiment mit 1 mM MgCl2 zeigt prinzipiell ähnliche Ergebnisse wie das AlCl3-Experiment. Sequentielle Extraktion mit 1 mM CaCl2 führte im Gegensatz zur Extraktion mit 1 mM MgCl2 nur zu einer geringen Adsorption des zugefügten Kations. Das verwendete Modell beschreibt den pH-Verlauf und die Sorptionen von K, Mg und Ca recht gut, überschätzt aber die Desorption von Al und Na geringfügig. Sequentielle Sorption mit 1 mM NaCl ergab aufgrund der geringeren Affinität der Bodenaustauscher im Vergleich zu den zweiwertigen Kationen eine nur geringe kumulative Sorption. Das Modell beschreibt die Sorptionsverläufe sämtlicher Kationen sehr gut mit Korrelationskoeffizienten (r¬) der linearen Regressionen von 0.98 bis 1.0. Lediglich bei der Beschreibung des pH-Wertes gibt es geringfügige Abweichungen. Bei sequentieller Equilibrierung mit 2 mM HCl beschreibt das Modell den pH-Verlauf und die Sorption Na, K und Al befriedigend. Starke Abweichungen gibt es allerdings für Mg und Ca. Sequentielle Equilibrierung mit 2 mM NaOH führt erwartungsgemäß zu einer stark erhöhten Na-Adsorption im Vergleich zum NaCl-Experiment. Das Modell beschreibt den pH-Verlauf und die Sorption Na, K und Al befriedigend. Starke Abweichungen gibt es allerdings wieder für Mg und Ca. 2) Anionen - und Kationenaustauschexperimente mit verschiedenen tropischen Böden ergaben, dass die Anionenaustauschkapazität (AAK) auch in den untersuchten Böden beim pH des Bodens im allgemeinen kleiner ist als die Kationenaustauschkapazität (KAK). Hier besteht allerdings eine große Streuung zwischen den untersuchten Böden, offensichtlich wegen der unterschiedlichen Mengen an Al- und Fe-Oxiden und Hydroxiden. Die Gesamtladung der Tonpartikel ändert sich mit dem pH-Wert, bei dem die Messung durchgeführt wurde. Die positive Ladung steigt mit sinkendem pH, die negative Überschußladung steigt umgekehrt mit höherem pH-Wert. Der Punkt der Netto-Null-Ladung (PZNC) wandert bei zunehmender potentieller positiver Ladung von niedrigem zu höherem pH, in der konkreten Untersuchung von pH 3 bis pH 5.6. In der praktischen Pflanzenernährung wurde die AAK eher vernachlässigt, wohl weil sie in den Böden der gemäßigten Breiten mit hoher permanenter Ladung eine geringe Rolle spielt. In den untersuchten tropischen Böden kann sie im pH-Bereich zwischen 4 und 5 dagegen mengenmäßig wichtig sein, insbesondere im Hinblick auf NO3, das für die Pflanzen essentiell und im Zuge von Störungen durch Mineralisierungsschübe in großen Mengen in die Bodenlösung freigesetzt wird. Wieviel N03 die Böden in Konkurrenz zu anderen, auch organischen, Anionen allerdings wirklich sobieren, ist noch offen. 3) In der Kahlschlag-Brand-Wirtschaft (cut and burn agriculture) fällt regelmäßig in größeren Mengen Asche an. Wie reagiert die Pflanzen-Asche (und die enthaltenen Elemente) in Kontakt mit Wasser und in Verbindung mit Boden? Experimente zur Löslichkeit der Asche der Versuchsflächen ergab, dass basierend auf ihrem Lösungsverhalten die Elemente in folgende zwei Gruppen eingeteilt werden können: a. Bestandteile mit sehr hohen (> 50 % von der Gesamtmenge) und schnellen Löslichkeit, bei denen eine weitere Verdünnung nur einen geringen Effekt aufweist. Zu diesen Elementen gehören K und S04. b) Bestandteile deren Löslichkeit mit steigender Verdünnung zunimmt. Dazu gehören Ca, Mg, PO4, DOC und DIC. Auch mit zunehmender Kontaktzeit zwischen Wasser und Asche steigen die Mengen an gelöstem Ca, Mg und DIC bei allen drei Verdünnungsstufen zum Teil stark an. Bei DOC ist nur bei der geringsten Verdünnung ein Anstieg der Konzentration zu erkennen. Die PO4- und K-Konzentration steigt mit der Zeit nur sehr wenig an. Für SO4 und Na konnte keine zeitliche Änderung der Löslichkeit festgestellt werden. Der pH-Wert der Lösung sinkt mit zunehmender Equilibrierungszeit um ca. eine halbe pH-Einheit von pH 10 auf 9.5. Konsekutive Batchexperimente mit Asche-Wasser-Suspensionen zeigten für Ca eine lineare kumulative Desorption mit zunehmender Extraktionsschritten. Für Magnesium ergibt sich bei hohen Asche-Wasser-Verhältnissen (5 bis 20 g (Asche)/l) ebenfalls eine lineare Beziehung. Sowohl K als auch Na zeigen keine signifikante Zunahme der kumulativen Desorption mit steigenden Extraktionsschritten. für die extrahierbare Phosphatmenge findet man erwartungsgemäß eine Zunahme der kumulativen P04-Desorption bei den sequentiellen Extraktionen, die das Vorliegen schwerlöslicher Phosphatverbindungen anzeigt. Interessant ist die erhebliche Zunahme der kumulativ desorbierten Menge an organischen Kohlenstoff. Sowohl für Cl und SO4 (bei einigen Varianten) findet man eine Zunahme der kumulativen Desorption bei den sequentiellen Extraktionen. die hier gefundenen Ergebnisse zeigen die Möglichkeiten und Grenzen, wie das Lösungsverhalten von Asche in bodenchemische Modelle integriert werden kann. Einerseits lassen die linearen Beziehungen der Sorption von Ca, Mg und P04 das Vorhandensein schwerlöslicher Magnesiumcalcite und Calciumphosphate vermuten (was in Modelle leicht integriert werden kann), andererseits ist das gefundene Sorptionsverhalten von Kohlenstoff, Cl und SO4 nicht auf bekannte schwerlösliche Salze zurückzuführen und somit nicht durch bodenchemische Modelle zu beschreiben. Die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Asche und Boden in sequentiellen Batchexperimenten mit unterschiedlichen Elektrolytlösungen ließ sich bezüglich der Ca- und Mg-Desorptionen (bei Säure-, Laugen- und Neutralsalzexperimenten) mit dem Konzept schwerlöslicher Magnesiumcalcite erklären. Überraschend war aber eine beträchtliche K-Desorption bei allen drei Versuchen (Wasser
114.442.7 (Analoge subtropische und tropische Böden. Tropische Tschernoseme bis zu roten Wüstenböden) 114.2 (Chemie des Bodens. Analyse (Gleichlaufend mit UDK 631.41 geordnet)) [81] (Brasilien) [861] (Columbia (Neu Granada)) [87] (Venezuela)
