Boden (Bodenkunde)

Begriff, Aufbau und Entstehung

Boden ist der oberste, meist belebte Teil der Erdkruste. Er wird nach unten von festem oder lockerem Gestein und nach oben meist von Vegetation und Atmosphäre begrenzt. Als Pedosphäre ist er die durch Bodenbildung geprägte Überschneidungszone von Lithosphäre, Biosphäre, Atmosphäre und Hydrosphäre. Auch Substrate am Grund stehender Gewässer können als subhydrische oder semisubhydrische Böden gelten; Geologen ordnen sie dagegen den Sedimenten als Mudden zu.

Nach der deutschen Bodenschutzkonzeption ist Boden ein mit Wasser, Luft und Lebewesen durchsetztes, an der Erdoberfläche entstandenes und sich weiterentwickelndes Umwandlungsprodukt mineralischer und organischer Substanzen. Er besitzt eine eigene morphologische Organisation, dient höheren Pflanzen als Standort und bildet damit eine Lebensgrundlage für Tiere und Menschen. Als Raum-Zeit-Struktur ist er ein vierdimensionales System.

Böden entstehen geologisch vergleichsweise schnell, nach menschlichen Maßstäben aber langsam. Die heutigen mitteleuropäischen Böden entstanden überwiegend seit dem Ende der letzten Eiszeit vor 12.000 Jahren, enthalten jedoch oft Relikte älterer Bodenbildungen. Voraussetzung sind Ausgangsmaterial aus Festgestein oder Lockersediment, ein nicht zu steiles Relief, kein starker Sedimenteintrag sowie für eine ausgeprägte Entwicklung ein humides, nicht zu kaltes Klima. Bodenbildung ist nie abgeschlossen und wird auch durch Bodenlebewesen sowie seit etwa 8.000 Jahren durch menschliche Einflüsse verändert.

Bei der primären Bodenbildung zerkleinert physikalische und chemische Verwitterung das Ausgangsgestein. Minerale werden unter anderem zu für Pflanzen leichter aufnehmbaren Salzen des Calciums, Magnesiums, Phosphors oder Eisens umgewandelt. Abgestorbene Pflanzen werden zu organischen Verbindungen und Huminstoffen zersetzt (Humifizierung); bei der Mineralisierung entstehen daraus einfache anorganische Verbindungen. Durchmischungsvorgänge wie Bioturbation, Kryoturbation und Peloturbation, zusammen Pedoturbation, verbinden organische und mineralische Bestandteile und bringen Luft in die Poren. So bildet sich besonders im Ober- oder Mutterboden ein belebtes, durchlüftetes Gemisch. Tonminerale und Huminstoffe können den Ton-Humus-Komplex bilden, der Wasser und Nährstoffe speichert und den Boden krümelig macht.

Weiterentwicklung und Zusammensetzung

Bei der sekundären Bodenbildung verändert sich bereits entstandener Boden weiter. Bestandteile können in tiefere Horizonte oder in das Grundwasser ausgewaschen werden, etwa wasserlösliche Salze, kohlensäurelösliches Calciumcarbonat, säurelösliche Tonminerale bei Tonverlagerung sowie säurelösliche Eisen- und Aluminiumhydroxide und Huminstoffe bei der Podsolierung. Weitere Vorgänge sind Vergleyung und Pseudovergleyung. Gleichzeitig schreitet die Bodenbildung am Übergang zum Ausgangsgestein meist in die Tiefe fort: Aus flachgründigen, steinigen, schwach verwitterten und mineralreichen Böden können tiefgründige, feinkörnigere, stark verwitterte und ausgewaschene Böden werden. Aus Bodenart und äußeren Einflüssen wie Klima, Vegetation und Nutzungsart entsteht ein Bodentyp; Bodenart und Bodentyp zusammen bilden die Bodenform.

Die Pedosphäre besteht im Mittel aus etwa 47 % anorganischer mineralischer Bodensubstanz, 3 % organischer Bodensubstanz, 25 % Bodenwasser und 25 % Bodenluft. Tote organische Bodensubstanz heißt Humus. Kennzeichnend ist das gleichzeitige Vorkommen fester, flüssiger und gasförmiger Phasen. Der Bodenkörper besitzt etwa 45 Vol% Poren, die Wasser, Luft und Lebewesen aufnehmen.

Böden sind belebte Biotope. Der Anteil und Einfluss des Bodenlebens reichen von fast nicht nachweisbar, etwa in extrem ariden Wüstenböden oder bei hohen Schwermetallgehalten, bis zu fast 100 % der Feststoffkomponente in Mooren. „Edaphisch“ bedeutet „den Boden betreffend“ oder „die ökologische Wirkung des Bodens betreffend“ und wird nur für terrestrische Böden verwendet.

Bodeneigenschaften und Untersuchung

Die Bodenkunde untersucht physikalische, chemische und biologische Eigenschaften. Für landwirtschaftliche Bodenproben sind besonders Bodenart, Humusgehalt, pH-Wert sowie Stickstoff-, Kalium- und Phosphorgehalte wichtig. Viele Merkmale lassen sich im Gelände anhand von Ausgangsmaterial, Bodenfarbe oder Zeigerarten einschätzen; genaue chemische Werte erfordern meist wissenschaftliche Messungen.

Die Bodenart, auch Körnung oder Textur, beschreibt die Fein- oder Grobkörnigkeit und wird durch Korngrößenanalyse bestimmt. Sie ist nicht mit dem Bodentyp gleichzusetzen. Das Gefüge ist die räumliche Anordnung fester Bestandteile und beeinflusst Wasser- und Lufthaushalt, Durchwurzelbarkeit und Nährstoffverfügbarkeit. Die effektive Lagerungsdichte ist wichtig für Durchwurzelbarkeit und Sickerwasserrate. Relief, Bodenart und Bewuchs bestimmen wesentlich die Erosionsanfälligkeit; die Aggregatsstabilität zeigt die Neigung zur Verschlämmung.

Wasserhaltevermögen oder Wasserkapazität wird mit einer pF-Kurve dargestellt. Das Porenvolumen gibt die maximal mögliche Wassermenge an. Es gliedert sich in versickerndes, nicht speicherbares Wasser und die Feldkapazität. Diese enthält die pflanzenverfügbare nutzbare Feldkapazität (NFK) sowie nicht verfügbares Totwasser. Die Luftkapazität ist der Luftanteil nach dem Versickern des nicht speicherbaren Wassers. Bodenfeuchte und Bodenluft schwanken häufig; dauerhafte Wassersättigung führt zu reduktiven, anaeroben Bedingungen.

Chemisch bedeutsam sind Karbonat- beziehungsweise Kalkgehalt, pH-Wert, Pufferbereich, Ionenaustauschkapazität, Nährstoff- und Schwermetallgehalte sowie Redoxpotential. Der pH-Wert beeinflusst unter anderem Nährstoffverfügbarkeit, Gefüge und Auswaschung. Tonminerale, Humus und einige Oxide können Ionen speichern. Die Kationenaustauschkapazität (KAK) ist weltweit ein Maß für Bodenfruchtbarkeit: Eine hohe KAK verbessert Nährstoffspeicherung, eine niedrige erhöht das Auswaschungsrisiko. Biologisch werden Durchwurzelung, Bodenleben und Humusgehalt betrachtet. Die Durchwurzelungsintensität ist die mittlere Zahl von Feinwurzeln mit weniger als 2 mm Durchmesser pro dm². Bodenfarbe wird mit Munsell-Farbtafeln bestimmt; wichtige Farbgeber sind Humus und Eisenionen.

Funktionen, Nutzung und Schutz

Nach dem Bundes-Bodenschutzgesetz (BBodSchG § 2 Abschnitt 2) erfüllt Boden natürliche Funktionen als Lebensgrundlage und Lebensraum, als Bestandteil des Naturhaushalts mit Wasser- und Nährstoffkreisläufen sowie als Filter-, Puffer- und Stoffumwandlungsmedium zum Schutz des Grundwassers. Er ist außerdem ein natürliches Archiv der Kultur- und Naturgeschichte. Zu den Nutzungsfunktionen zählen Rohstofflagerstätte, Fläche für Siedlung und Erholung, Standort für Land- und Forstwirtschaft sowie für Verkehr, Ver- und Entsorgung und weitere wirtschaftliche oder öffentliche Nutzungen.

Ein Boden erfüllt meist mehrere Funktionen gleichzeitig. Unversiegelte Flächen besitzen in der Regel alle natürlichen Funktionen und können zugleich Archiv- und Nutzungsfunktionen haben. Menschliche Nutzung kann Eigenschaften gering verändern, etwa durch Komposteintrag, sie beeinträchtigen, etwa durch Verdichtung, oder Funktionen vollständig zerstören: Versiegelung schließt alle natürlichen Funktionen aus. Die Beeinträchtigung mindestens einer Bodenfunktion heißt Bodenschädigung. Die Bodenwertzahl (BWZ) oder Bodenzahl misst Bodenfruchtbarkeit. Sie setzt den Reinertrag eines Bodens zum fruchtbarsten Schwarzerdeboden der Magdeburger Börde mit dem Wert 100 ins Verhältnis; die Ackerzahl berücksichtigt zusätzlich Klima und Topographie.

Seit 1999 schützt in Deutschland das Bundesbodenschutzgesetz den Boden wie Luft und Wasser. Gefährdungen sind unter anderem Auslaugung, Bodendegradation, Erosion, Verdichtung, Versalzung, Versauerung, Kontaminierung, Desertifikation, Flächenversiegelung und saurer Regen. Jährlich gehen durch Bodenerosion etwa 25 Millionen Tonnen Oberboden verloren; der Gesamtverlust fruchtbaren Bodens betrug bis 2010 jährlich 24 Milliarden Tonnen. Laut „Global Land Outlook 2“ waren bis 2022 40 Prozent der Landflächen der Erde geschädigt. Durch Bodendegradation und Bevölkerungsanstieg wird sich die nutzbare Fläche pro Mensch von 2012 bis 2050 halbieren.

Kartierung, Klassifikation und internationale Arbeit

Zur Bestimmung eines Bodens wird er einem Bodentyp zugeordnet. Dafür sind Bodenart, Farbe, Ausgangsmaterial und besonders Bodenhorizonte entscheidend. Horizonte sind Bereiche im Boden mit gemeinsamen prägenden Bodenbildungsprozessen und charakteristischen Merkmalen, zum Beispiel Gefüge, Bodenart oder Farbe; sie sind nicht mit Schichten gleichzusetzen. Ein Bodenprofil macht Horizonte erkennbar. In Deutschland gilt die Deutsche Bodensystematik. International werden vor allem die World Reference Base for Soil Resources (WRB) und die USDA Soil Taxonomy verwendet; die frühere FAO-Bodenklassifikation wurde durch die WRB abgelöst.

Die FAO veröffentlichte mit der UNESCO von 1971 bis 1981 eine Weltbodenkarte im Maßstab 1 : 5 Millionen auf 10 Blättern. Ihre Kartiereinheiten zeigen einen dominanten und zwei untergeordnete Bodentypen. Die EU-Kommission gab 2005 erstmals einen Bodenatlas für Europa heraus. Der Soil Atlas of Europe beruht auf MEUSIS und nutzt Bodentypen nach der ersten WRB-Auflage von 1998. Seine Kartiereinheiten zeigen nur den dominanten Bodentyp, weshalb sich daraus keine Homogenität oder Heterogenität einer Fläche ableiten lässt. Weitere Atlanten erschienen für die nördliche zirkumpolare Region (2010), Afrika (2013), Lateinamerika und die Karibik (2014) sowie Asien (2023).

Die 2008 angestoßene Global Soil Map ist keine Bodentypenkarte, sondern eine Karte von Eigenschaften wie pH-Wert, Bodenart und Humusgehalt. Nach Auflösung des Konsortiums gründete die IUSS 2016 die Arbeitsgruppe „Global Soil Map“. Die FAO erklärte 2015 zum Internationalen Jahr der Böden. Der Weltbodentag ist jährlich am 5. Dezember; in Deutschland gibt es zudem den Boden des Jahres.