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Nicht alle Böden sind gleich. Sicherlich ist dir schon aufgefallen, dass es karge, vegetationsarme Böden gibt und solche, auf denen die Vegtation wunderbar gedeiht. Eine entscheidende Rolle spielt dabei die Bodenfruchtbarkeit. Zwei wichtige Indikatoren, die diese ausdrücken können, ist die Kationenaustauschkapazität und die Basensättigung. Dieser Artikel behandelt die Kationenaustauschkapazität, kurz: KAK in Böden.

Unter der Kationenaustauschkapazität (KAK) versteht man die Fähigkeit des Bodens, Nährstoffe zu speichern und wieder abzugeben, genauer gesagt ist die KAK die Summe der austauschbaren Kationen der organischen und anorganischen Bodenkolloide mit der Bodenlösung. Die KAK wird in mmolc/kg gemessen.

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. Man nennt die austauschbaren Kationen auch den Kationenbelag des Bodens. Der Austausch ist reversibel und bildet die Grundlage für eine gute Nährstoffverfügbarkeit im Boden.

Bodenkolloide sind die grob verteilten Bodenteilchen, welche die Kationen an sich binden können. Dabei kann es sich um Tonminerale handeln, die häufig durch den isomorphen Ersatz bei deren Entstehung negativ geladen sind und eine Bindung der Kationen begünstigen, aber auch um Ton-Humus-Komplexe. Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium etc. sind für Pflanzen wichtige Nährstoffe. Je mehr von diesen Kationen im Boden enthalten, also an den Bodenkolloiden gebunden sind, desto höher ist die Bodenfruchtbarkeit. Daher hängt die Kationenaustauschkapazität auch von der Struktur der Bodenkörner ab. Sand besteht überwiegend aus Quarz (SiO2), hat eine geringe spezifische Oberfläche (ca. 0,1m2/g Boden) und daher kein gutes Speichervermögen, weshalb man auf sandigen Böden auch eher Spezialisten findet, die mit dieser Nährstoffarmut und Trockenheit umgehen können, z.B. Kiefern (Pinus) und Birken (Betula). Tone, vor allem Dreischichttonminerale wie Illit, Smectit, Montmorillonit und Vermiculit haben hingegen eine hohe spezifische Oberfläche (bis 800m2 pro Gramm Boden!) und können aufgrund ihrer Struktur viele Kationen binden.
Bei der KAK nicht zu vernachlässigen ist die organische Substanz: Huminstoffe, insbesondere Huminsäuren und Humine haben ebenfalls eine hohe spezifische Oberfläche (800 - 1000m2/g Boden) und sind ebenfalls in der Lage, Kationen reversibel anzulagern.

Einfluss des pH-Wertes auf die Kationenaustauschkapazität

Als weiterer, wichtiger Einflussfaktor gilt der pH-Wert. Je höher der pH-Wert ist, desto höher ist auch die Kationenaustauschkapazität. Doch warum? Der pH-Wert ist definiert als der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration. Das heißt, je mehr H-Ionen vorhanden sind, desto saurer ist der Boden, also desto niedriger ist der pH-Wert. Die Wasserstoffionen gehen im Gegensatz zu den basischen Kationen eine viel festere Bindung ein. Lagern sie sich einmal an, blockieren sie die Plätze für die Nährstoff-Kationen. Dies gilt auch für die sauren Kationen Al3+ (Aluminium) und Fe3+(Eisen), wobei höherwertige Kationen bevorzugt adsorbiert werden. Da durch Niederschläge, biotische Aktivität und Pflanzenwuchs beständig H-Ionen zugeführt werden, sinkt der pH-Wert in Böden langsam aber unaufhaltsam, sofern man nichts dagegen unternimmt. Die Kationen-Austausch-Kapazität hängt also vom Substrat und vom pH ab. Da dieser wie auch die Verfügbarkeit an Kationen schwanken kann, unterscheidet man zu guter Letzt noch zwischen der potenziellen und der effektiven KAK.

Effektive und potenzielle Kationenaustauschkapazität

Die KAKpot ist die unter günstigsten Bedingungen maximal erreichbare austauschbare Menge an Kationen in Böden humider Klimate bei einem pH von 7 – 7,5. Die KAKeff und die KAKpot sind also nur unter optimalen Voraussetzungen gleich, z.B. in carbonathaltigen Böden. In sauren Böden ist die KAKeff stets geringer, da H-Ionen Austauscherplätze zu Lasten der Kationen belegen. Ab einer Basensättigung (das ist das Verhältnis der basischen Kationen zum Gesamtanteil aller Kationen) von 35% spricht man von einer "guten Basensättigung". Eine Basensättigung von 100% besagt, dass an der KAK nur K+-, Na+-, Ca2+- und Mg2+-Ionen beteiligt sind. Die Summe aller Kationen, also auch Al3+ etc., bezeichnet man als Ionensättigung.
Die KAK liegt zwischen 2 mmolc/kg bei Sand und 60 mmolc/kg bei Ton, kann aber bei Dreischicht-Tonmineralen noch weitaus höher liegen (> 200 mmolc/kg). Nun ist auch klar, wieso die KAK und die Basensättigung ein wichtiger Indikator für die Bodengüte und -fruchtbarkeit ist. Anhand dieser lassen sich Mangelerscheinungen erkennen und durch geeignete Düngemaßnahmen beheben.

Maßeinheit der KAK

Verschiedene Quellen offenbaren verschiedene Maßeinheiten der KAK, was für Verwirrung stiften kann. Milliäquivalent pro Kilogramm (mval/kg) ist veraltet und somit nicht mehr gebräuchlich. Diese Einheit sollte in wissenschaftlichen Arbeiten nicht mehr verwendet werden. Geläufiger sind mmolc/kg oder cmolc/kg. Werte, die in mval angegeben werden, können nahezu 1:1 in mmolc/kg übernommen werden. Das ist zwar aus chemischer Sicht nicht ganz 100%-ig korrekt, sollte aber als grobe Orientierung und aus bodenkundlicher Sicht reichen.

Somit ergeben sich beispielsweise folgende KAKeff's (mmolc/kg):
Schwarzerde auf Löss: 180
Pelosol auf Liaston: 170
Parabraunerde auf Löss: 140

Die KAK steigt in folgender Reihenfolge an:
Sand - Schluff - Ton - Huminstoffe
Kaolinit - Chlorit - Illit - Smectit - Vermiculit

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