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Das globale Ökosystem

Die Haut der Erde

Die Böden der Erde sind die Grundlage für die Erzeugung der allermeisten Nahrungsmittel; als Voraussetzung für die Entstehung der Landwirtschaft sind sie auch die Basis unserer Zivilisation. Sie sind auch ein Beispiel dafür, dass wir oft die Leistungen von Ökosystemen, von denen wir abhängen, kaum erkennen - und sie nicht immer gut behandeln.

Boden, eine Mischung aus anorganischen Mineralien und totem organischem Matierial

Boden, eine Mischung aus anorganischen Mineralien
 und totem organischem Material.
Foto: U.S. Department of Agriculture.

Die Böden - oder die Pedosphäre, wie die "Bodenhülle", die unsere Erde wie eine Haut umgibt, nach dem >> Sphärenmodell genannt wird - sind eine Mischung aus zerbröseltem Gestein, organischem Material, Luft und Wasser. Wissenschaftlicher hört sich natürlich an, wenn man sie als Kontakt- und Übergangszone zwischen der >> Lithosphäre (der Gesteinshülle der Erde, der >> Atmosphäre, der >> Hydrosphäre und der >> Biosphäre bezeichnet. Wie auch immer: Der Boden ist wohl das verkannteste Ökosystem auf der Erde - es ist ein unglaublich artenreicher, faszinierender Lebensraum, von dem unser aller Überleben abhängt. Böden wandeln tote organische Materie wieder in Mineralien um, die den Pflanzen als Nährstoff dienen und so in den Kreislauf der Natur zurückkehren. Böden sind die Grundlage für das Wachstum von Pflanzen, die uns Nahrung, aber auch Holz, Papier und Arzneimittel liefern und die Grundlage für alles tierische Leben auf der Erde sind. Mit wachsender Weltbevölkerung wird der Erhalt fruchtbarer Böden immer wichtiger, um unsere Ernährung zu sichern und zunehmend auch biologische Rohstoffe für unsere Wirtschaft zu erzeugen - aber in der Öffentlichkeit interessiert sich kaum jemand für die Böden, sie können weitgehend ungestraft immer weiter zerstört werden.

Böden wandeln tote organische Materie in Nährstoffe um
- sie schließen des Kreislauf des Lebens

Der Boden, von dem wir leben

Die Entstehung der ersten Böden

Schon vor Milliarden Jahren, sobald >> die Gesteine fest wurden, begann unter dem Einfluss von Temperaturunterschieden, Wind und bald auch der ersten Niederschläge die >> Verwitterung der Gesteine: Temperaturunterschiede führen dazu, dass das Gestein sich ausdehnt und wieder zusammenzieht; dabei entstehen Risse, in die Wasser eindringen kann, welches dann beim Gefrieren das Gestein auseinandersprengen kann oder durch gelöste Stoffe chemisch angreift - dabei löst es im Gestein enthaltene Stoffe und Mineralsalze heraus, wodurch das Gestein ebenfalls zerfällt. Nachdem sich >> das Leben auf der Erde entwickelt hatte, verstärkten die Ausscheidungen der Organismen den Prozess der chemischen Verwitterung. Da bei der Verwitterung von Silikatgestein das >> Treibhausgas >> Kohlendioxid gebunden wird, kühlte diese zunehmende Verwitterung die junge Erde ab. Als das Leben an >> Land ging, nahm die Verwitterung noch einmal stark zu: die Atmungsaktivität der Pflanzenwurzeln setzt Kohlendioxid frei, das mit dem Bodenwasser Kohlensäure bildet, die die chemische Verwitterung fördert. Auch vermischte sich jetzt organisches Material (Humus) mit den anorganischen Gesteinsstückchen, mit Wasser und Luft: die ersten Böden entstanden.

Eine enorme Vielfalt an Lebewesen

Organisches Material führte zu fruchtbarem Boden, auf dem wiederum mehr Pflanzen wachsen konnten, die wiederum mehr organisches Material produzierten. Dieses gab auch Tieren Nahrung; und so entstand im Boden eine enorme Vielfalt an Lebewesen, die von Biologen “Edaphon” genannt wird - eine Vielfalt, die mindestens so groß ist wie die im Regenwald oder in Korallenriffen. Bakterien, Pilze und Algen dürfen schon zu den ersten Bewohnern gezählt haben; sie haben das organische Material in Kohlendioxid, Wasser, Stickstoffverbindungen und Nährsalze zerlegt und so den >> Stoffkreislauf des Lebens geschlossen. Sie boten aber auch anderen Arten Nahrung, die von ihnen leben, und die Laufe der >> Entwicklung des Lebens - wie auch im Meer und auf der Oberfläche immer größer wurden: im Boden leben heute größere Kleintiere wie Regenwürmer, Borstenwürmer Tausendfüßler, Hundertfüßler, Spinnen, Insekten(larven) und selbst Säugetiere wie  Maulwurf und Erdhörnchen.

Die unsichtbare Welt der Mikroorganismen spielt jedoch weiterhin die wichtigste Rolle, und Bakterien, Pilze und Algen kommen in riesiger Zahl im Boden vor. Die größeren Tiere und die Mikroorganismen recyceln nicht nur die Nährstoffe, sondern bauen auch Schadstoffe ab; ihre Stoffwechselprodukte verkleben Gesteinspartikel und Humusteilchen zu "Bodenkrümeln"; sie lockern den Boden und sorgen für seine Durchlüftung und damit für die Zufuhr von Sauerstoff, der für viele Abbauvorgänge gebraucht wird. Im Idealfall besteht ein Boden zur Hälfte aus Mineralstoffen und Humus, zu 30 Prozent aus Wasser und zu 20 Prozent auf Luft.

Charles Darwin und die Regenwürmer

Zu den ersten, die die segensreiche Rolle der Bodentiere, insbesondere der Regenwürmer, erforscht haben, gehörte >> Charles Darwin. Er hat rund zehn Jahre seines Lebens den Regenwürmern gewidmet und 1881 sein Buch "Die Bildung der Ackererde durch die Tätigkeit der Würmer" veröffentlicht. Regenwürmer galten damals eher als Schädlinge. Darwin hatte bereits im Jahr nach seiner Rückkehr von der Fahrt mit der H.M.S. Beagle bei einem Besuch auf dem Anwesen seines Onkels Josiah Wedgwood II von diesem gehört, dass ausgebrachter Kalk auf dessen Wiesen im Laufe der Zeit von einer Schicht Erde überdeckt wurde, die offenbar aus den Ausscheidungen von Regenwürmern stammte. Er schrieb eine kleine Abhandlung über diese Entdeckung, aber erst 30 Jahre später begann er, sich intensiv mit dem Thema zu beschäftigen.

Darwin begann um 1870 herum, die Ausscheidungen der Regenwürmer genau zu untersuchen. Er ließ sich Regenwürmer aus der ganzen Welt schicken, wenn diese nicht verfügbar waren, erbat er genaue Beschreibungen ihres Kots. Es sammelt Wurmkot und wog ihn, um die Menge abschätzen zu können. Er hielt sogar Regenwürmer in seinem Arbeitszimmer und untersuchte ihr Hörvermögen, ihre Lichtempfindlichkeit und ihr Kälte- und Wärmeempfinden - fast 70 Seiten in dem Buch waren der Lebensweise der Regenwürmer gewidmet. Vor allem aber schlussfolgerte er, dass "die gesamte Ackererde ... schon viele Male durch die Verdauungskanäle der Würmer gegangen ist", dass Absonderungen aus Kalkdrüsen die Säuen im Humus neutralisieren, ihre Kaumägen größere Partikel zerkleinern und ihre Gänge Wasser und Luft in den Boden gelangen lassen. Sein Fazit: "Man kann wohl bezweifeln, ob es noch viele andere Tiere gibt, welche eine so bedeutende Rolle in der Geschichte der Erde gespielt haben, wie diese niedrig organisierten Geschöpfe."

Mancher Zeitgenosse hielt Darwins Buch "für das seltsame Werk eines alternden Mannes" (David Montgomery), aber in Deutschland hatte der Kieler Biologe Victor Hensen (dessen Arbeiten Darwin kannte und zitierte) bereits ähnliche Entdeckungen gemacht. Der führende deutsche Bodenkundler Ewald Wollny hielt Regenwürmer aber weiter für Schädlinge, die Thesen von Hensen und Darwin für Unsinn, und wollte sie experimentell wiederlegen. Er erhielt "ein überraschendes Resultat zugunsten der Würmer" (aus der Einleitung seiner Veröffentlichung von 1890) - Wollny fand zum Teil erhebliche Ertragssteigerungen durch Regenwürmer. Darwin gilt heute als einer der Gründerväter der Bodenbiologie.

Mehr im Internet:
>> Digitalisierte Fassung der deutschen Ausgabe (1882) von "Die Bildung der Ackererde ..." (darwin-online.org.uk).

Anderes Ausgangsgestein, anderer Boden

Es gibt - schon die leicht erkennbare unterschiedliche Farbe zeigt dies - viele verschiedene Böden. Welche Böden sich bilden, hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Der wichtigste Faktor ist dabei das Ausgangsgestein, welches die Geschwindigkeit der Verwitterung und die chemische Charakteristik des Boden bestimmt. Aus Granit entstehen beispielsweise sandige Böden, aus Basalt tonreiche Böden. Daneben spielen aber auch Klima (heißes Klima und hohe Niederschläge fördern die chemische Verwitterung; kalte Klima mit Wechsel von Gefrieren und Tauen die physikalische Verwitterung), Relief (Höhenlage, Neigung und Ausrichtung: flache Hänge, die zur Sonne geneigt sind, fördern beispielsweise die Bodenbildung, während an steilen Hängen keine tiefgründigen Böden entstehen werden), die Zeit, die für die Bodenbildung zur Verfügung stand, sowie die Vegetation - die wiederum vom Klima und der Bodencharakteristik beeinflusst wird - eine Rolle.

Wenn der Boden dicker wird, ist irgendwann der Zeitpunkt erreicht, an dem der Boden selbst das Gestein vor weiterer Verwitterung schützt. Da aber auch der Boden der Erosion ausgesetzt ist, entsteht ein Gleichgewicht zwischen der Abtragung, die den Boden dünner macht, wodurch wieder Ausgangsgestein verwittert, und der dadurch bedingten Zunahme der Bodendecke: es stellt sich ein Fließgleichgewicht zwischen Erosion und Neubildung ein. Die Bodenmächtigkeit und - wie schon erwähnt - der Bodentyp ist von den oben dargestellten Faktoren abhängig. So entsteht auf kalkarmem Silikatgestein bei ausreichender Feuchtigkeit zum Beispiel die Braunerde, deren braune Farbe durch aus dem Gestein gelöste Eisensalze entsteht. Auf Kalkgestein entstehen dagegen oft ein Rendzina-Boden, der meist reich an Steinen ist (Rendzina stammt von polnisch rzedzic = rascheln, weil der Pflug an den Steinen kratzt und daher raschelt). Ein besonders fruchtbarer Boden entstand auf vom Wind verfrachteten Mineralien, dem Löss: die Schwarzerde. Da die Bildung von Böden an der Oberfläche von Gesteinen beginnt, ihre Entwicklung im Laufe der Zeit aber in der Tiefe anders als an der Oberfläche verläuft, bilden sich Schichten (Bodenhorizonte genannt) heraus, die zur Beschreibung von Böden gut geeignet sind.

Das ABC der Böden

Der oberste Horizont (O-Horizont, auch Auflagehorizont) liegt auf der Bodenoberfläche, er besteht aus zum Teil zersetzter organischer Substanz wie Blättern. (In Trockengebieten fehlt dieser Horizont oft, in tropischen Regenwäldern finden sich in ihm die meisten Nährstoffe.) Der darunter liegende A-Horizont ist normalerweise die dunkelste Schicht, da sich hier organisches Material mit Mineralboden mischt. Böden mit einem gut entwickelten A-Horizont sind besonders fruchtbar. Darunter liegt der B-Horizont, in dem nur wenig organisches Material vorkommt, in den jedoch Stoffe, die aus dem A-Horizont ausgewaschen worden sind, und ihre Umwandlungsprodukte angereichert sein können. Starke Tonanreicherungen oder harte Schichten, in denen Eisen, Aluminium oder Calcium konzentriert sind, können die Durchwurzelung solcher Böden erschweren. Ganz unten findet sich schließlich der C-Horizont, er besteht aus dem verwitterten Ausgangsgestein. Anhand der Horizontkombinationen, ihrer Ausprägung und Zusammensetzung sind die Grundlage für die Bodenklassifikation. International werden Böden nach einem Bodenklassifikationssystem der Internationalen Bodenkundlichen Union (>> IUSS) benannt.

Die Basis der Ökosysteme und der Landwirtschaft

Die Bildung von Böden ist ein langwieriger Prozess - das US-Landwirtschaftsministerium schätzt, dass heute in günstigen Regionen die Bildung von zweieinhalb Zentimetern Boden 500 Jahre dauert. Nach menschlichen Maßstäben gelten Böden daher als nicht erneuerbare Ressource. Außerhalb der Gewässer hängt fast alles pflanzliche - und damit indirekt auch das tierische - Leben von den Nährstoffen in den Böden ab. Die >> Lebensräume des Festlands - ohne Böden gäbe es sie nicht. Auch, wenn der größte Teil der Pflanzenmasse gar nicht aus den Böden, sondern aus der Luft stammt (nämlich in der Form von Kohlenstoff aus Kohlendioxid), Nährelemente wie Stickstoff, Kalium, Phosphor und andere sind für Pflanzen unverzichtbar - und sie kommen in den Böden vor.

Böden waren auch die Grundlage für die >> Entstehung der Landwirtschaft, und damit der menschlichen Zivilisationen. Sie sind, und bleiben wohl noch auf lange Zeit, die Grundlage für unsere Ernährung: über 90% aller Nahrungsmittel werden – direkt oder über den Umweg als Tierfutter – auf Böden erzeugt. Böden sind unterschiedlich gut für die Landwirtschaft geeignet. Unter trockeneren Grasländern hat intensive Aktivität von Mikroorganismen mächtige A-Horizonte entstehen lassen - hier liegen heute die großen Getreideanbauregionen der Erde. Die scheinbar so üppigen tropischen Regenwälder stehen dagegen auf armen Böden, da die hohen Niederschläge Nährstoffe schnell herauswaschen - die Nährstoffvorräte sind hier in den Pflanzen selbst gespeichert. Wenn die Vegetation beseitigt wird, um Ackerflächen zu schaffen, verlieren diese oft schnell ihre Fruchtbarkeit. Auch sind tropische Böden, wenn die schützende Pflanzendecke entfernt wird, in den starken tropischen Regen schneller Erosion ausgesetzt - anders als die meisten natürlichen Pflanzengesellschaften schützen Feldfrüchte die Böden oft nur eine Teil des Jahres; Ackerboden ist daher stärkerer Erosion ausgesetzt als Boden unter natürlichem Bewuchs, was sich insbesondere an Hängen auswirkt.

Etwa 12 Prozent der Erdoberfläche werden heute für den Ackerbau genutzt, weitere 24 Prozent als Weideland. Diese Fläche ist nur in den Tropen (auf Kosten der tropischen Regenwälder und schnellem Verlust der Fruchtbarkeit) noch wesentlich auszudehnen. Die Methoden der >> industriellen Landwirtschaft gehen oft auf >> Kosten der Böden, insbesondere übertrifft die Erosion die Rate der Bodenneubildung. Jedes Jahr gehen rund 23 Milliarden Tonnen Boden verloren. Dazu kommt die Bodenzerstörung durch Schadstoffe, durch Bebauung und anderes (>> mehr). Die Böden müssen jedoch in Zukunft eine >> wachsende Weltbevölkerung ernähren; auch die Rohstoffe für unsere wirtschaftlichen Aktivitäten sollen zunehmend aus >> Biomasse erzeugt werden. Es wird kein Weg darum herumführen, die Böden produktiv zu erhalten.

Die Pedosphäre in uns

Zeichnung des Magendarmkanal des MenschenOhne ausreichend Energie, Amino- und Fettsäuren, Mineralien und andere Spurenelemente sowie Vitamine können wir nicht überleben. Die Energie und viele Stoffe - die sogenannten “essentiellen” Nährstoffe - nehmen wir mit der Nahrung auf; Energie gewinnen wir aus Kohlehydraten, Fetten und Proteinen. Auch wenn unsere Nahrung heute meist aus dem Supermarkt stammt: Alle Nahrungsmittel gehen letztendlich auf Pflanzen zurück, und sei es indirekt auf Futterpflanzen. Selbst die Nährstoffe in den Meeren sind zum größten Teil vom Land dorthin gelangt.

Zur Nahrungsaufnahme dient unser Verdauungssystem: Im Mund wird die Nahrung mechanisch zerkleinert, gleichzeitig beginnt durch die Enzyme im Speichel die chemische Verdauung. Über die Speiseröhre gelangt sie in den Magen, wo die chemische Verdauung hauptsächlich stattfindet. Die mit Verdauungssäften versetzte Nahrung gelangt dann in den Dünndarm. Hier gelangen die gelösten Nährstoffe - Aminosäuren, Zucker, Fettsäuren - durch eine mit Zotten und "Mikrovilli" (fadenförmigen Ausbuchtungen) auf über 100 Quadratmeter vergrößerte Oberfläche in das Blut. Im Dickdarm wird den unverdaulichen Resten das Wasser entzogen, bevor diese als Kot ausgeschieden werden.

 
Abbildung: Magendarmkanal des Menschen. Abbildung verändert nach Mariana Ruiz Villarreal, >> Wikipedia Commons: Digestive System, abgerufen 19.4.2013, public domain.

Die Pedosphäre im "Konzert der Sphären"

Wie oben bereits gesagt, sind die Böden das Ergebnis einer ständigen Wechselwirkung mit den anderen “Sphären” des Ökosystems Erde. Entstanden sind sie aus der Verwitterung der Gesteine aus der >> Lithosphäre und deren Vermischung mit organischen Stoffen aus der >> Biosphäre sowie >> Wasser und >> Luft; wirken aber auch auf die anderen Bestandteile des Ökosystems Erde zurück:

  •  Hydrosphäre: Böden speichern Niederschlagswasser in ihren Poren, womit sie den Abfluss an der Oberfläche (und damit die Überschwemmungsgefahr) verringern. In den Poren steht das Wasser Pflanzen zur Verfügung oder kann ins Grundwasser versickern (wobei auf dem Weg dorthin Schad- und Nährstoffe umgewandelt und abgebaut werden, aber auch gespeichert werden). Sandstürme in den Wüsten, bei denen feiner Mineralstaub in die Atmosphäre gelangt, liefern Kristallisationskeime und beeinflussen damit die Wolkenbildung, die Eigenschaften von Wolken und vermutlich auch die Niederschlagsverteilung - die Zusammenhänge zwischen Staub und Wolken sind jedoch noch unzureichend verstanden.

  • Atmosphäre: Der Mineralstaub aus den Böden ist die wichtigste natürliche Quelle von Aerosolen in der Atmosphäre. Durch ihren Anteil an organischem Material sind die Böden zudem ein Kohlenstoffspeicher und beeinflussen mit ihrer Fähigkeit, Kohlenstoff aufzunehmen oder abzugeben, auch das >> Erdklima. Das Auftauen von Permafrostböden durch den >> Klimawandel ist eine der gefürchteten positiven Rückkoppelungen, die den Klimawandel weiter verstärken: dadurch werden nämlich die im Permafrostboden gespeicherten Kohlenstoffmengen freigesetzt. Umgekehrt können >> landwirtschaftliche Praktiken, die Kohlenstoff im Boden speichern helfen, den Klimawandel bekämpfen helfen.

  • Biosphäre: Der Boden stellt - wie oben beschrieben - einen Lebensraum für zahlreiche Bodenorganismen dar und stellt den Lebewesen Mineralstoffe zur Verfügung - über  Staubstürme und die Erosion selbst den Lebewesen im Süßwasser und im Meer.

Webseiten zum Thema:
>> bodenwelten.de: Ein Internet-Portal rund um den Boden und den Bodenschutz.

Das globale Ökosystem - weiter mit:
>> Quell des Lebens - die Hydrosphäre (Wasser)

Zur Gefährdung der Böden durch den Menschen:
Mit der >> Erfindung der Landwirtschaft und ihrem >> Siegeszug wurde Boden für die Felder benötigt: Als die Wälder abgeholzt wurden, war der Boden Wind und Wetter schutzlos ausgesetzt, wurden ihm mit der Ernte Nährstoffe entzogen und wurden durch Bewässerung in trockenen Regionen Böden versalzen: Mehr hierüber lesen Sie auf der Seite >> Umweltveränderungen im Zeitalter der Landwirtschaft.

Mit der >> Industrialisierung der Landwirtschaft nahmen sowohl Umfang als auch Intensität der Bodenveränderungen zu; dazu kam die Vergiftung von Böden durch >> Chemikalien, die durch Industrieproduktion und -produkte freigesetzt wurden, sowie die zunehmende Versiegelung von Böden durch Asphalt, Beton, Häuser und Industrieanlagen. Mehr hierüber lesen Sie auf der Seite >> Die Zerstörung der Böden im Industriezeitalter.

© Jürgen Paeger 2006 - 2013

Die bei der Verwitterung entstehenden Gesteinspartikel werden je nach Größe in den feinen Ton, den mittelfeinen Schluff und den weniger feinen Sand unterteilt. Bei den gröberen Partikeln werden Kies und die größeren Steine unterscheiden.