Wir erforschen den Boden/Messung der Kohlenstoffdioxidabgabe einer Bodenprobe

Kiefernwald

Kohlenstoffdioxid entsteht im Boden hauptsächlich durch die Mikroorganismenatmung (zu zwei Dritteln) und durch die Wurzelatmung (zu einem Drittel). Abiotische Kohlenstoffdioxidbildungen können in der Regel vernachlässigt werden. Das Kohlenstoffdioxid tritt an die Erdoberfläche und reichert die umgebende Luft an. In einem Kulturpflanzenbestand liegt die Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Luft bei etwa 0,038 Volumenprozent, wobei erhebliche Schwankungen festgestellt wurden (0,025 bis 0,05 Volumenprozent), die als standortspezifisch anzusehen sind.

Bodenatmungswerte verschiedener Pflanzengesellschaften

Standort	CO2 /m²/h
Pflanzengesellschaft	(mg)
unbewachsener Sandboden	89
Kiefernwald	157
Fichtenwald	360
Buchenwald	407
Rübenacker	419
Goldhafenwiese	866

  Mit der Bodenatmung wird dem Pflanzenbestand eine gewisse Menge Kohlenstoffdioxid zugeführt. Diese dürfte aber 10 bis 20% der insgesamt von den Pflanzen verbrauchten Menge nicht überschreiten. Geht man von einem Kulturpflanzenbestand mit einer mittleren Assimilationsintensität von 0,2 mg CO₂/cm²/h aus, steht dem eine Bodenatmung gegenüber, die etwa 0,03 mg CO₂/cm²/h erreichen kann.

Themenbereich Bodenatmung

• Bodenatmung
• in einem Fichtenbestand

Methode der Kohlenstoffdioxidmessung im Freiland

Bodenbürtiges Kohlenstoffdioxid lässt sich nach Haber mit einer Atmungsglocke direkt an der Erdoberfläche messen . Das Verfahren hat den Nachteil, dass eine differenzierte Messung hinsichtlich der Kohlenstoffdioxidproduktion aus der Wurzelatmung und der Kohlenstoffdioxidabgabe aus der bakteriellen Atmung nicht möglich ist. Das Verfahren kennzeichnet nur annähernd die natürliche Kohlenstoffdioxidabgabe, weil die Temperatur, die Bodenfeuchtigkeit und die Diffusionsverhältnisse unter der Atmungsglocke gegenüber der freien Bodenoberfläche erheblich verändert werden.  

Technik des Verfahrens im Freiland

Atmungsglocke

Mit einer Atmungslocke wird eine Bodenfläche (z.B. 1 Quadratmeter Bodenfläche) abgedeckt und das Kohlenstoffdioxid in einem Absorptionsgefäß mit Bariumhydroxid aufgefangen.

Kohlenstoffdioxidmessung im Labor

Das Verfahren hat den Vorteil, dass die Faktoren Temperatur, Feuchtigkeit und Belüftung kontrolliert werden können. Es demonstriert dennoch nur annähernd die natürliche Kohlenstoffdioxidabgabe eines Bodens bei gegebener Temperatur und Bodenfeuchtigkeit, weil beim Experiment in einem geschlossenen Gefäß Sauerstoffmangel auftreten kann, welcher einen wesentlichen Einfluss auf die Intensität der Atmung einer Bodenprobe ausüben kann. Durch zusätzliche Belüftung kann dieser Störfaktor gemindert werden, wobei das Resultat davon abhängt, ob kohlenstoffdioxidhaltige oder kohlenstoffdioxidfreie Luft zugeführt wird. Das Laborverfahren gestattet Versuchsvarianten mit Bodenzusätzen (Glukose; Zellulose; Ammoniumnitrat etc.).

Technik des Verfahrens im Labor

Weckglas

Man bringt eine Bodenprobe, deren Masse oder Volumen man bestimmt hat, in einen geschlossenen Raum. Das aus der Probe austretende Kohlenstoffdioxid wird in einem Absorptionsgefäß aufgefangen. Man kann Bodenproben einsetzen, die man soeben am Standort ausgestochen hat; man kann aber auch durch Siebung die Feinwurzeln entfernen und damit die Wurzelatmung ausschalten.

Ein geschlossener Raum lässt sich gut mit einem Weckglas realisieren.

Eine einfache Methode des Kohlenstoffdioxidnachweises ist die Bestimmung in einem geschlossenen Gefäß, in dem das Kohlenstoffdioxid in Bariumhydroxidlösung aufgefangen wird. Es bildet sich Bariumcarbonat. Nachfolgend wird die unverbrauchte Lauge gegen Salzsäure (oder Oxalsäure) rücktitriert.

Kohlenstoffdioxidmessung im Labor

Formeln

$\mathrm{Ba(OH)_2 + CO_2 \longrightarrow BaCO_3 \downarrow + H_2O}$

$\mathrm{Ba(OH)_2 + 2HCl\longrightarrow BaCl2 \downarrow + 2H_2O}$

 

Untersuchungsmaterialien

 

• Exsikkator
• Waage
• schalenförmiges Gefäß (250 ml) für die Bodenprobe
• schalenförmiges Gefäß (200 ml) für die Bariumhydroxidlösung
• Sieb (2 mm Maschenweite)
• Bürette
• Pipetten

 

REAGENZIEN

Phenolphthalein (Strukturformel)

• Bariumhydroxid {Ba(OH)₂ ·H₂O

• Bariumchlorid $\mathrm{BaCl_2}$

• 0,1 m, 0,01 m oder 0,02 m Salzsäure

• Phenophthalein (1 prozentig in Ethanol)

Herstellung der Bariumhydroxidlösung 

7,17 g Bariumhydroxid und 1 g Barumchlorid werden in destilliertem Wasser gelöst (auffüllen bis zur 1000 ml Marke). Vom Ungelösten wird abfiltriert. Zur Aufbewahrung der Bariumhydroxidlösung empfiehlt sich eine spezielle Vorrichtung.   Gefäß zur Aufbewahrung von Bariumhydroxidlösung in kohlenstoffdioxidfreier Atmosphäre. Natronkalk ist ein Gemisch aus Ätznatron und Ätzkalk. Er entsteht, wenn man gebrannten Kalk mit Natronlauge löscht.

Versuchsablauf

Eine Probe naturfeuchten Bodens wird gesiebt, wobei neben den Grobteilen die Feinwurzeln zum größten Teil entfernt werden. 250 g des gesiebten Bodens werden in eine Schale eingewogen und auf den gelochten Porzellaneinsatz im Exsikkator gestellt. 125 ml Bariumhydroxidlösung werden in ein schalenförmiges Gefäß gefüllt und unter die Bodenprobe deponiert. Die Bodenprobe soll möglichst nahe über dem Flüssigkeitsspiegel der Bariumhydroxidlösung stehen. Der Exsikkator wird nun verschlossen. In der Regel sollten mindestens drei Proben und eine Blindprobe ausgewertet werden. Eine Blindprobe , also ein Versuch, bei dem kein Boden eingesetzt wird, ist zwingend erforderlich, um den ursprünglichen Gehalt der Bariumhydroxidlösung an Kohlenstoffdioxid zu bestimmen.

Je nach Aufgabenstellung bleibt die Probe einige Stunden, einen Tag oder maximal eine Woche lang bei Zimmertemperatur stehen. Parallel zur Kohlenstoffdioxid-Messung wird der Wassergehalt der Bodenprobe ermittelt (siehe Kapitel Bestimmung der Trockensubstanz einer Bodenprobe). Die unverbrauchte Bariumhydroxidlösung wird mit Salzsäure zurücktitriert. Als Indikator werden 3 Tropfen Phenolphthaleinlösung zugesetzt. Der Versuch kann bei Bedarf fortgesetzt werden, indem - jeweils nach Deponierung neuer Bariumhydroxidlösung - die Kohlenstoffdioxidabgabe über weitere Zeiträume verfolgt wird.

Messung, Auwertung, Auswertungsbeispiel

Messung

Zur Auswertung wird der Säureverbrauch der Blindprobe vom Säureverbrauch der Bodenprobe subtrahiert. Die Differenz wird mit dem Auswertungsfaktor multipliziert.   1 ml 0,1 m HCl entspricht 2,2 mg CO₂

1 ml 0,02 m HCl entspricht 4,4 mg CO₂

  

Auswertungsbeispiel

  Kohlenstoffdioxidabgabe von 250 g frischem Boden in 24 Stunden:  

• a) Blindprobe : Es wurden 20 ml 0,02 m Salzsäure verbraucht
• b) Bodenprobe (Ackererde), feucht, 250 g: Es wurden 13 ml 0,02 m Salzsäure verbraucht.
• 20 ml HCl - 13 ml HCl = 7 ml HCI . 0,44 mg CO₂ =   3,08 mg CO₂ Abgabe in 24 Stunden
• 3,08 mg CO₂ /2,5 = 1,23 mg CO₂Abgabe je 100 g Boden in 24 Stunden.

 

Umrechnung auf die Kohlenstoffdioxidproduktion eines Hektars:

Ein Hektar Mineralboden wiegt bis zu einer Bodentiefe von 30 cm ca. 3000 000 kg. 12,3 mg Kohlenstoffdioxid-Abgabe je Kilogramm Boden und Tag x 3000 000 kg/ha = 36 900 000 mg CO₂ /ha/ Tag = 36,9 kg Kohlenstoffdioxid-Abgabe je Hektar und Tag.  

Die Titration mit Oxalsäure

• Gewicht der Bodenprobe: 100 g
• Zeitraum für die Kohlenstoffdioxid - Anreicherung: 24 h

   Eingegebene Menge Bariumhydroxidlösung: 25 ml

1 ml 0,05 n Oxalsäure entspricht 2,2 mg CO₂

• a)  Verbrauch an Oxalsäure für die Blindprobe: 20 ml
• b)   Verbrauch an Oxalsäure für die Bodenprobe : 14 ml         

     (20 ml - 14 ml) x 2,2 = 13,2 mg CO₂ / 100g   Boden in 24 Stunden

Erfahrungen und Konsequenzen

In der Literatur werden häufig nur 10 g Boden für eine Bodenprobenmenge angegeben. Bei einfacher Laborausstattung ist es zweckmäßig, die Bodenmenge auf 200 oder 250 g zu erhöhen. Bei mehrtägiger Versuchsdauer sollte die Bariumhydroxidlösung gelegentlich leicht geschüttelt werden, um die Bildung einer absorptionshemmenden Carbonathaut auf der Lösung zu verhindern. Anstelle von Salzsäure und Oxalsäure können auch andere eingestellte Säuren für die Titration verwendet werden. Fertige Bariumhydroxidlösung ist auch im Handel erhältlich!

Sicherheitshinweis

 

Oxalsäure ist giftig! Die Verwendung von Pipettierhilfen ist zu kontrollieren!

 

Pseudoscops clamator

Fragen und Antworten in einem Chemie-Forum

Petra >> ....Hallo zusammen,folgenden Versuch haben wir diese Woche ausgeführt:}}

>> Gazebeutel mit 50g Erde binden, diesen in ein Konservenglas, das mit 30ml NaOH (c= 0.1mol/l) beschtickt ist, >> einhängen. 3 Tropfen Phenolphtalein zugeben.

>> Nach 24h den Gazebeutel entfernen, die Natronlauge in ein Becherglas geben, nochmals Phenolphtalein zugeben, mit HCL > (0.1 m/l) titrieren.

>> (1ml NaOH bindet 4.4ml CO2)

Zu meinen Fragen:

a) Also, was geschieht eigentlich genau? Wie sieht die Reaktionsgleichung aus? Also CO2 entsteht bei der Atmung der Mikroorganismen in der Erde, aber was genau hat NaOH damit zu tun?

b) Wie kann ich ausrechnen, wieviel CO2 entstanden ist?

Um NaOH zu neutralisieren brauchten wir 5.2 ml HCl. Was bedeutet das aber genau?

Danke schon im voraus für eure Hilfe!

> Julia .............. > Hallo

> die Natronlauge "bindet" Kohlendioxid, indem sich Natriumcarbonat bildet :

> 2 NaOH + CO2 = Na2 CO3 +H2 O

> Du weisst, welche Stoffmenge NaOH du ins Glas gegeben hast (Volumen und Konzentration sind bekannt).

> Durch die Titration bestimmst du, wieviel NaOH davon noch übrig ist. Dazu musst du wissen, wie NaOH mit HCl reagiert...die Stoffmenge HCl, die du zur Neutralisation der restlichen NaOH zugeben musst errechnet sich ja auch aus deren bekannter Konzentration und dem an der Bürette abgelesenen Volumen.

> Die Differenz zwischen der ursprünlgich zugegebenen NaOH und der rücktitrierten Menge sagt dir dann, wieviel NaOH für das Binden des CO2 verbraucht wurde. Und da du auch, siehe 1. Gleichung, weisst, wie NaOH mit CO2 reagiert, kannst du die Stoffmenge CO2 berechnen, die deine Bodenprobe in der gesetzten Zeit, freigegesetzt hat...

Vielen Dank für deine Antwort, Julia :) Petra ..... Das bedeutet also, dass nach den 24 h noch 5.2 ml 0.1M NaOH vorhanden waren. (da mit 0.1 M HCl titirert 5.2 ml}}

24.8 ml wurden also mit CO2 "gebunden",

also hat unsere Bodenprobe in 24 h 24.8*4.4= 109.1 ml CO2 freigesetzt......

Frage

Stimmt die Rechnung?

Literaturhinweise

1. Das Projektvorhaben "HyperSoil" wurde im Ausschreibungsschwerpunkt "Hochschulen in multimedialen Netzwerken - Neue Medien in Schulen und Hochschulen" vom Kompetenznetzwerk Universitätsverbund MultiMedia NRW (UVM) gefördert (s. Projektpartner).

• Förderzeitraum: 1. Mai 2001 bis 31. Dezember 2002
• Projektleitung: PD Dr. Gesine Hellberg-Rode
• Institut für Didaktik der Biologie
• Westfälische Wilhelms-Universität Münster
• Kooperationspartner: HD Dr. Karl-Heinz Otto
• Institut für Geographie und ihre Didaktik Universität Dortmund
• Heike Schleithoff Fachleiterin für das Fach Sachunterricht, Studienseminar für das Lehramt für die Primarstufe - Münster

2. Prof. Dr. Gerhard Geisler, Pflanzenbau. Verlag Paul Parexy. Berlin und Hamburg 1989

Wir erforschen den Boden

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Untersuchungsmethoden

• Kohlenstoffdioxidabgabe
• Trockensubstanz
• Porenvolumen
• Nitratgehalt
• Nitrat- und Nitritnachweis
• Phosphatbestimmung
• Teststäbchenverfahren
• Molybdat-Vanadat-Methode
• Phosphatnachweis mit Ammoniummolybdat
• Calciumbestimmung
• Chloridbestimmung
• Magnesiumbestimmung