Die Kationenaustauschkapazität (KAK)

Kationenaustauschkapazität

Die Bodenbeschaffenheit ist nicht überall gleich. Es gibt karge Böden, auf denen die Vegetation nur sehr spärlich ausgeprägt ist und es gibt Böden, auf denen Pflanzen hervorragend gedeihen. Eine der entscheidenden Rollen spielt hierbei die Bodenfruchtbarkeit. Indikatoren, welche diese widerspiegeln können, sind die Kationenaustauschkapazität (kurz KAK) und die Basensättigung.

Unter der Kationenaustauschkapazität versteht man im Allgemeinen die Fähigkeit des Bodens, Nährstoffe zu speichern und diese wieder (an die Vegetation) abzugeben. Genauer gesagt ist die KAK die Summe der austauschbaren Kationen der organischen und anorganischen Bodenkolloide mit der Bodenlösung. Sie wird in der Maßeinheit mmolc/kg bzw. cmol/kg angegeben; veraltet ist mval/100 g.

Man unterscheidet dabei die austauschbaren Basen (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) sowie die sauren Kationen (H+, Al3+, Fe3+). Die Bindung der Kationen beruht auf dem negativen Ladungsüberschuss der Bodenkolloide, also der Austauscher. Diese austauschbaren Kationen werden auch „Kationenbelag des Bodens“ genannt. Der Austausch ist umkehrbar und bildet die Grundlage für eine gute Nährstoffverfügbarkeit im Boden.

Was bedeutet Kationenaustauschkapazität?

Die Kationenaustauschkapazität ist ein Maß für die Anzahl an negativen Bindungsplätzen der Humus- und Tonpartikel im Boden. Ackerstandorte in Mitteleuropa können hierbei eine Austauschkapazität im Bereich von 2 und 40 cmol/kg im Boden aufzeigen. In einzelnen Fällen werden auch Böden mit noch größerer Austauschkapazität ackerbaulich erschlossen. Dies sind zumeist tonige und humose Böden. Früher waren dies vorwiegend Grünlandstandorte.

Die Ermittlung der Kationenaustauschkapazität kann die Zahl der Kationenbindungsstellen im Boden ermitteln und damit den Anteil der Kationen an den Bindungsstellen erkennen. Eine solche Untersuchung geht weiter als herkömmliche Standardanalysen.

Je höher die Kationenaustauschkapazität, umso mehr Kationen kann der Boden abspeichern. Mit einem steigenden KAK-Wert werden daher auch weniger positiv geladene Nährstoffe in die tieferen Schichten ausgewaschen. Je höher die Kationenaustauschkapazität, umso schwieriger ist es für die Pflanze, die Kationen zu erreichen. Mit steigender Kationenaustauschkapazität muss daher auch eine höhere Kationenkonzentration in dem betroffenen Boden einhergehen.

Die Kationenaustauschkapazität ist eine wichtige Bodenkenngröße und diese steigt zugleich mit einem höheren pH-Wert der Austauschlösung. Die bedeutendsten und natürlichen auswechselbaren Kationen sind Mg2+, Ca2+, Na+, K+ sowie H+ und Al3+. Potentielle Schadstoffe wie beispielsweise Blei, Cadmium oder Quecksilber können, soweit diese als Kationen im Wasser vorliegen, ausgetauscht und adsorbiert werden.

Es wird generell zwischen der effektiven und der potentiellen Kationenaustauschkapazität differenziert. Die effektive Kationenaustauschkapazität ist die Kapazität des Bodens bei dessen zeitweiligem pH-Wert. Diese wird nach der geltenden DIN ISO 11260 bestimmt. Die potentielle Kationen­austauschkapazität ist die Kapazität des Bodens bei pH 8,1. Diese wird nach DIN ISO 13536 ermittelt und erfasst alle möglichen und desorbierbaren Kationen im Boden, da dies der maximale pH-Wert des Bodens in feuchten Klimaten ist. Der prozentuale Anteil jener austauschbaren Kationen an der Kationenaustauschkapazität wird zugleich als Basensättigung bezeichnet.

Definition

Die Kationenaustauschkapazität ist ein Maß für die austauschbaren Kationen und somit die Anzahl der negativen Plätze zur Bindung von Kationenaustauschern des Bodens. Diese hängt von der chemischen Zusammensetzung des Erdbodens ab, da die absolute Wirkoberfläche mit dem Umfang der Kolloide zusammenhängt. Diese stellt einen bedeutenden Kennwert des Bodens dar. Somit wird die Summe der austauschbaren Kationen, die an die negativen Plätze der Austauscher gebunden sind, experimentell durch den Tausch mit einer neutralen Salzlösung ermittelt. Dies kann Ammonium-, Barium- und Calciumchlorid sein.

Die austauschbaren Kationen können innerhalb des Erdbodens auch in benachbarte Ökosysteme wie den Gewässern verlagert und von Wurzeln der Pflanzen aufgenommen werden. Diese greifen somit unmittelbar in die Versorgung der Pflanzen mit Nährstoffen und den Stoffhaushalt ein. Außerdem beeinflussen die austauschbaren Kationen bedeutende Eigenschaften des Bodens wie das Gefüge, den Luft- und Wasserhaushalt, die biologische Aktivität und die Bodenreaktion. Die Kationenaustauschkapazität des Erdbodens kann deshalb als ein Bewertungsmaß für den Boden angesehen werden. Dies ist vor allem für landwirtschaftliche Bodenschätzkarten von Bedeutung.

Die Kationenaustauschkapazität des Bodens kennzeichnet die austauschbare Menge an Kationen (cmol+) bezogen auf eine definierte Bodenmasse. Diese wird als potentielle Kationenaustauschkapazität mit einem einem pH-Wert von pH 8,2 durch einen Tausch der Kationen gegen eine Salzlösung wie 0,1-molare bestimmt. Als effektive Kationenaustauschkapazität wird diese beim derzeitigen pH-Wert des Bodens durch den Austausch der Kationen gegen eine Salzlösung ermittelt. Die potentielle Austauschkapazität schwankt in Abhängigkeit von der Menge an Ton der Böden erheblich. In den Tonböden kann diese über 20 cmol+/kg Erdboden liegen, in einem humusarmen Sandboden oftmals auch unter 0,5 cmol+/kg Boden. Für die Böden in Mitteleuropa mit vorwiegend illitischen Tonarten kann diese nach DIN 4220 aus den Schluff- und Tongehalten einer Körnungsanalyse durch eine empirische Gleichung bestimmt werden:

Kationenaustauschkapazität (cmol+/kg) = 0,5 * Gehalt an Tons + 0,05 * Gehalt an Schluff

Die Angaben zu der potentiellen Kationenaustauschkapazität werden aus dem Ton-, dem Schluffgehalt sowie dem Gehalt an organischen Substanzen der Schichteinschreibungen berechnet und in cmol+/kg angegeben. In den Bodenkarten wird der Gehalt an Humus lediglich dann ausgewiesen, wenn dieser von 1,5 Prozent für Acker und von 2,5 Prozent für Grünflächen deutlich abweicht. Die spezifischen Werte für die einzelnen Bodenschichten werden bei einer einheitlichen Dichte von 1,55 kg/dm3 über eine Bezugstiefe summiert. Hieraus ergibt sich die Einheit mol+/m2, die auf die gewählte Tiefe bezogen wird.

Ton-Humus-Komplexe als weiteres Beispiel sind fest miteinander verbundene Humusstoffe und Minerale aus Ton. Diese sind das Ergebnis der abbauenden und mischenden Tätigkeit von Organismen im. Ton-Humus-Komplexe haben einen erheblichen Einfluss auf das Austausch- und Speicherungsvermögen der Nährstoffe, den Wasser- und Lufthaushalt sowie die mikrobielle Aktivität des Erdbodens. Sie sind eine wichtige Voraussetzung zur Gare im Boden und verhindern ein Wegschwemmen bzw. die Abtragung der Humusschicht durch Wind.

Böden mit einem hohem Ton- und Humusgehalt haben eine hohe Kationenaustauschkapazität und können damit viele Nährstoffe an sich binden und die nötigen Nährstoffe nachliefern. In aller Regel haben die zersetzten organischen Stoffe eine deutlich bessere Kationenaustauschkapazität als die Tonminerale.

Neben dem Humus- bzw. Tongehalt des Bodens hat der pH-Wert ebenfalls einen wichtigen Einfluss auf die Kationen­austauschkapazität. Je höher der pH-Wert ist, umso besser ist die Kationenaustauschkapazität des Bodens und desto leichter werden H+-Ionen aus dem Gitter bzw. oberflächennahen OH2 und OH-Gruppen gelöst und neu mit Kationen besetzt. Bei einem geringen pH-Wert erfolgt anstelle des Kationenaustausches ein Austausch der Anionen, sodass daher eine Düngung ohne Erfolg bleibt.

Der Kationenaustauschkapazität-Besatz gibt den Teil der mit Mg, K, Na und Ca belegten Gitterplätzen am Ton-Humus-Komplex an. Hierbei bedeutet ein geringer Besatz, dass die möglichen Bindungsstellen unzureichend mit den Elementen besetzt sind. Daher ist viel Eisen und Aluminium an den Komplexen festgebunden.

Die bedeutendsten Kationen alkalischer und neutraler Böden sind Calcium, Kalium, Magnesium und Natrium. Diese werden an Mineralien, Ton-Humus-Komplexen oder organischen Substanzen adsorbiert und auf diese Weise vor Auswaschungen geschützt.

Kationenaustauschkapazität und deren Berechnung/Anwendung

Die effektive Kationenaustauschkapazität gibt die Summe der an Kolloide gebundenen Kationen an. In schwach sauren bis neutralen Böden überwiegen Kalzium, Magnesium, Natrium und Kalium. In sauren Erdböden besetzen mit abnehmendem pH-Wert meist Wasserstoff, Aluminium und Eisen die Stellen der Bindungen.

Die potentielle Kationenaustauschkapazität ist die maximale Zahl an freien Kationenbindungsplätzen und diese bezieht sich stets auf die Kationenaustauschkapazität bei neutralem pH-Wert (pH=8,2) im Boden.

Die effektive Kationenaustauschkapazität beschreibt die Anzahl der tatsächlich vorhandenen freien Bindungsplätze für die Kationen je nach vorliegendem pH-Wert im Boden. Die effektive Kationenaustauschkapazität ist auf den gegenwärtigen pH-Wert des Erdbodens bezogen; die potentielle KAK gibt hingegen die ablösbaren Kationen bei einem pH-Wert im Bereich von 7 und 7,5 an.

Die effektive Kationenaustauschkapazität ist somit die Anzahl der Kationenbindungsplätze, welche tatsächlich bei dem vorliegenden pH-Wert des Bodens zur Verfügung stehen. Bei steigendem pH-Wert steigt auch die Kationenaustauschkapazität. In besonders sauren Böden mit einem geringem Tongehalt gilt: KAKeff kleiner als 10 % der KAKpot.

Tipps zum Lernen

Für das Verständnis der Kationenaustauschkapazität ist in erster Linie die Bestimmung des Wertes von großer Bedeutung. In der Schule spielt dies oft eine entscheidende Rolle. Die Höhe der Kationenaustauschkapazität ist von der Zusammensetzung der zu der Bestimmung verwendeten Austauschlösung abhängig. Die Kationenaustauschkapazität steigt hierbei meist mit dem pH- Wert an, da vor allem die Metalloxide als variable Austauscher der Ionen im alkalischen bis neutralen Bereich als Kationenaustauscher auftreten. Daher erfolgt die Bestimmung der neutralen bis bei bekanntem pH- Wert (meist 7 – 7,5). Zudem wird die Konzentration der Lösung so ausgewählt, dass davon ausgegangen werden kann, dass trotz des vorherrschenden Verteilungsgleichgewichts zwischen den Partikeln im Boden und der Bodenlösung fast alle möglichen Kationenaustauschplätze mit den Kationen der Austauschlösung belegt werden. Deshalb wird unter diesen Bedingungen auch von einer potentiellen Austauschkapazität gesprochen.

In der Schule wird oft in verschiedenen Versuchen die Kationenaustauschkapazität bestimmt. Dies kann mit Schwarzerde erfolgen. Bei der Schwarzerde handelt es sich um eine besonders fruchtbare Bodenart, welche in Deutschland in den Bördegebieten zu finden ist. Da die Fruchtbarkeit des Erdbodens in erster Linie von der Kationenaustauschkapazität abhängt, ist daher mit einer hohen Kapazität zu rechnen. Die Schwarzerde ist ein Ah- C- Boden. Dieser Typ besitzt neben dem C- Horizont lediglich noch einen homogenen und hohen Ah- Horizont, der humos ist. Der Ah- Horizont ist meistens über einen Meter hoch.11 Die Probenentnahme zur Ausführung des Versuchs erfolgt am besten im Ah- Horizont.


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