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A1.2

2 Hintergrund und Wirkmechanismen

2.1 pH-Wert und Puffersysteme

Von Luftschadstoffen unbeeinflusster Niederschlag hat einen pH-Wert von ca. 5,7. Die Abweichung vom Neutralpunkt (pH 7) hängt mit dem Gleichgewicht des in der Luft enthaltenen CO2 mit den im Niederschlag gelösten Carbonaten zusammen.

Der pH-Wert gibt auf einer Skala von 0 - 14 den sauren oder basischen Charakter einer wässrigen Lösung an, wobei 7 den Punkt der neutralen wässrigen Lösung, also des reinen Wassers angibt. Als Säuren (pH-Wert 0 - < 7) werden solche chemischen Verbindungen bezeichnet, die in der Lage sind, Protonen an einen Reaktionspartner (in wässrigen Lösungen an das Wasser) zu übertragen (sog. Protonendonatoren). Basen (pH-Wert > 7 - 14) hingegen sind chemische Verbindungen, die Protonen aufnehmen können.

Natürliche Systeme können je nach ihrer (chemischen) Zusammensetzung den Zusatz von Säuren und Basen mehr oder weniger gut ausgleichen. Die im Boden vorhandenen Stoffe, die Zugabe von Säuren und Basen ausgleichen, nennen sich Puffer. Allerdings verbrauchen sich diese bei Zusatz von Säuren (oder Basen), weshalb es bei über die Pufferkapazität hinausgehender weiterer Zugabe zu einer deutlichen Änderung des pH-Wertes kommt.

2.2 Versauerung von Böden

Versauerung eines Bodens tritt ein, wenn in den Boden eingetragene Protonen vom Boden nicht mehr neutralisiert werden können, und der pH-Wert des Bodens dadurch absinkt. 

Böden haben die Fähigkeit, Säureeinträge in gewissem Umfang abzufangen. Diese Fähigkeit ist abhängig von der Art und Menge an Mineralien und Humus im Boden. Der Zusatz von Säuren wird durch mehrere Puffersysteme aufgefangen: 

  • Bei der Einwirkung von Säuren auf den Boden reagiert zunächst Carbonat (CO32-), z.B. durch Auflösung von fein verteiltem Kalk (Carbonat-Pufferbereich).
  • Im Austausch-Pufferbereich puffern die im Boden enthaltenen Tonmineralien weitere Protonenzugabe ab. Dabei lösen die Protonen Nährstoffkationen wie K+, Ca2+ oder Mg2+ von den Tonmineralien ab. Letztere gelangen so in das Bodenwasser, was zu Auswaschungen führt.
  • Bei weiterer Zugabe von Protonen reagieren bestimmte Aluminium-Verbindungen (Hydroxokomplexe des Aluminiums). Dabei wird Aluminium als Ionen herausgelöst (Aluminium-Pufferbereich).
  • Bei sehr niedrigen – in der Natur nur selten vorkommenden – pH-Werten können Eisenverbindungen als Puffer fungieren (Eisen-Pufferbereich).
Abbildung 1: pH-Wert-Veränderung in der Bodenlösung bei fortgesetztem Eintrag von Säure (schematische Darstellung)
Quelle: Bliefert (2002) Umweltchemie.

Die Versauerung von Böden ist ein natürlicher Prozess. Hier spielt u.a. die Nährstoffaufnahme der Pflanzenwurzel eine wesentliche Rolle (Kationen werden durch Protonen ersetzt). Landwirtschaftlich genutzte Böden sind daher in besonderem Maße anfällig für Versauerung, da durch das intensive Wachstum und die Ernte der Kulturpflanzen dem Boden puffernd wirkende Kationen besonders schnell entzogen werden. 

Durch Verwitterung von Gestein können Kationen zwar nachgeliefert werden, dies ist jedoch ein zeitintensiver Prozess, der nur selten mit dem Voranschreiten der Versauerung von Böden mithält.

Die andauernde Belastung von Böden durch zusätzliche anthropogene Einträge (s.u.) hat in vielen Regionen die Pufferkapazität der Böden stark vermindert. In Abbildung 2 ist das Fortschreiten der Bodenversauerung in Deutschland abzulesen. Diese hat verschiedene nachteilige Effekte:

  • Auswaschung von Nährstoffen:
    Kationen, die im Austauscher-Pufferbereich von Protonen herausgelöst wurden, werden aus dem Boden ausgewaschen. Dadurch werden sie dem Boden entzogen und können auch den Pflanzen nicht mehr als Nährstoffe dienen. Die veränderte Ionen-Zusammensetzung des Bodens beeinflusst somit die Wachstumsbedingungen für die Vegetation. 
  • Mobilisierung von Schwermetallen:
    Schwermetalle können bei annähernd neutralem pH-Wert immobilisiert sein, d.h. die Schwermetalle befinden sich zwar im Boden oder im Wasser, entfalten dort jedoch kaum schädigende Wirkung, da sie nicht von Organsimen aufgenommen werden. Bei einer zunehmenden Versauerung (der konkrete pH-Wert ist abhängig vom jeweiligen Schwermetall) können sie jedoch wieder in Lösung gehen. Dadurch sind sie verfügbar und können ihre toxische Wirkung entfalten. Eine Remobilisierung von Schwermetallen ist bedenklich, da sie nicht abgebaut werden können. Schwermetalle können (abhängig von der Konzentration) alle Arten von Pflanzen schädigen. Besonders bedenklich ist in diesem Zusammenhang jedoch die Versauerung von ackerbaulich genutzten Landflächen. Durch Versauerung remobilisierte (und dadurch bioverfügbare) Schwermetalle können durch die Pflanze aufgenommen und angereichert werden. Auf diesem Weg gelangen sie besonders einfach in den Nahrungskreislauf. Auf dieselbe Weise können Schwermetalle auch in naturnahen Ökosystemen in die Nahrungskette gelangen und so Pflanzen und Tiere schädigen. Die Landwirtschaft ist sowohl Verursacherin als auch Leidtragende der Versauerung.
  • Freisetzung von Aluminium-Ionen:
    Bei niedrigen pH-Werten werden die im Boden enthaltenen Aluminium-Verbindungen in Lösung gebracht. Dadurch liegen sie in bioverfügbarer Form vor und entfalten ihre giftige Wirkung (z.B. auf Regenwürmer).
  • Belastung von Gewässern:
    Die ausgewaschenen Stoffe beeinflussen nicht nur den Boden selbst, sondern gelangen auch in die Gewässer – entweder durch direkte Auswaschungen in Oberflächengewässer oder über das Grundwasser. Letztlich wirkt sich die Versauerung so auch auf die Wasserqualität aus. 
  • Verlust an Biodiversität:
    Die andauernde Versauerung führte zu einer weiträumigen Nivellierung der Bodenverhältnisse. Einige im sauren Milieu konkurrenzstarke Pflanzen können so auf neutrale Bodenverhältnisse angewiesenen Arten verdrängen. So trägt die Versauerung zu einer Verminderung der pflanzlichen und indirekt auch tierischen Biodiversität bei.
  • Schädigung der Wurzelschicht:
    Saure Einträge im Boden schädigen die Pflanzenwurzeln und die Mykorrhiza (symbiotisches Pilzgeflecht um die feinen Wurzeln von Bäumen), so dass sie Wasser und notwendige (noch vorhandene) Nährstoffe nicht in optimaler Weise aufnehmen können.
Abbildung 2: Belastung von Landökosystemen durch Versauerung in Deutschland
Quelle: www.umweltbundesamt-daten-zur-umwelt.de/umweltdaten/public/theme.do.
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