Boden - Eine Lehrerhandreichung

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Boden - Eine Lehrerhandreichung
Teil VI: Experimente
Von
Katalin Roch
Projektleitung und Redaktion:
Prof. Dr. Willi Xylander
Senckenberg Museum für Naturkunde Görlitz
2010
INHALTSVERZEICHNIS EXPERIMENTE
Experimente Grundschule / Sek. I .............................................................................................. 7
Boden enthält Wasser, Luft, Minerale, Humus und Lebewesen ............................................... 7
Bodenbeschaffung .................................................................................................................. 7
Versuch 1: Allgemeine Bodenproben................................................................................. 7
Versuch 2: Laubstreuentnahme ......................................................................................... 7
Versuch 3: Laubstreu-Bodenschichten aus dem Wald oder Park ...................................... 8
Versuch 4: Bodenprobe mit definierter Menge (Volumen, Gewicht) ............................... 8
Bodenprofil ............................................................................................................................. 8
Versuch 5: Bodenprofilerde allgemein............................................................................. 18
Versuch 6: Bodenprofil im Schuhkarton .......................................................................... 19
Versuch 7: Bodenprofil professionell ............................................................................... 19
Bodenentwicklung ................................................................................................................ 20
Versuch 8: Frostsprengung I............................................................................................. 21
Versuch 9: Frostsprengung II ............................................................................................ 21
Versuch 10: Wärmesprengung Nur als Demonstrationsexperiment! ............................. 21
Versuch 11: Sprengkraft von Pflanzensamen .................................................................. 21
Versuch 12: Wirkung wachsender Wurzeln im Boden..................................................... 22
Bodenarten ........................................................................................................................... 23
Versuch 13: Fingerprobe einfach ..................................................................................... 23
Versuch 14: Bestimmung der Bodenbestandteile durch die Schlämmprobe .................. 24
Bestandteile des Bodens ...................................................................................................... 25
Boden und Luft ..................................................................................................................... 25
Versuch 15: Boden enthält Luft (einfach) ........................................................................ 25
Versuch 16: Bestimmung Bodenluft (quantitativ) ........................................................... 26
Boden und Wasser ................................................................................................................ 27
Versuch 17: Nachweis von Wasser im Boden I ................................................................ 27
Versuch 18: Nachweis von Wasser im Boden II ............................................................... 27
Boden und Wärme................................................................................................................ 29
Versuch 19: Temperaturmessungen in Abhängigkeit der Tageszeit................................ 30
Versuch 20: Temperaturmessungen in Abhängigkeit der Vegetation ............................. 30
Versuch 21: Temperaturmessungen in Abhängigkeit der Bodenfarbe............................ 30
Versuch 22: Temperaturmessungen in Abhängigkeit Bodenart / Erdfarbe .................... 31
Versuch 23: Temperaturmessungen in Abhängigkeit des Wassergehaltes ..................... 31
Versuch 24: Temperaturmessungen in Abhängigkeit der Bodentiefe ............................. 32
Versuch 25: Minerale im Bodenwasser............................................................................ 32
Versuch 26: Nachweis der Wasserleitung durch die Erde (Demonstrationsexperiment)33
Versuch 27: Wasserhaltefähigkeit des Bodens ................................................................ 34
Versuch 28: Wasserdurchlässigkeit unterschiedlicher Erdschichten............................... 36
Versuch 29: Wasserdurchlässigkeit unterschiedlicher Erdschichten-Simulation des
Wasserweges durch den Boden ....................................................................................... 38
Versuch 30: Boden hat Filterfunktion (klein und schnell) ................................................ 40
Versuch 31: Boden hat Filterfunktion (erweitert) ............................................................ 41
Versuch 32: Pflanzen nehmen Stoffe aus dem Boden auf (nach BOCHTER S. 19)........... 41
Entstehung von Humus im Boden, Bestandteile, Nachweismöglichkeiten ......................... 42
Versuch 33: Humus im Boden / Grauwert abschätzen .................................................... 44
Versuch 34: Humus im Boden / organische Substanz abschätzen durch Glühverlust .... 44
Versuch 35: Sichtbarmachung der Zersetzung eines Laubblattes ................................... 45
Versuch 36: Laubstreuuntersuchungen ........................................................................... 46
Bodenschutz ......................................................................................................................... 47
Versuch 37: Erosionsexperiment ..................................................................................... 47
Versuch 38: Verrottung von Materialien im Minigewächshaus ...................................... 48
Versuche mit lebenden Tieren für Schüler der Unterstufe / Sek I ....................................... 49
Untersuchungen zur Anatomie von Tieren ...................................................................... 49
Versuch 39: Untersuchungen zur Anatomie von Tieren .................................................. 49
Versuch 40: Regenwurm: Fortbewegung ......................................................................... 49
Versuch 41: Regenwurm: Wasseraufnahme und –abgabe durch die Haut ..................... 50
Versuch 42: Schnecke Fortbewegung .............................................................................. 51
Versuch 44: Insekten: Fortbewegung .............................................................................. 52
Versuch 45: Springschwänze Fortbewegung ................................................................... 52
Untersuchungen zu Sinnesleistungen von Tieren ................................................................ 53
Versuch 46: Lichtsinn ....................................................................................................... 53
Tastsinn ............................................................................................................................ 53
Versuch 47: Berührungsreiz Regenwurm: Fluchtreaktion ............................................... 53
Versuch 48: Berührungsreiz Rollassel, Tausendfüßer: Einrollvermögen ......................... 53
Versuch 49: Berührungsreiz Ohrwurm, Keller- und Mauerasseln: Thigmotaxis.............. 53
Versuch 50: Berührungsreiz Schnecke: Fluchtreaktion.................................................... 54
Versuch 51: Berührungsreiz Ohrwurm in unterschiedlicher Intensität ........................... 54
Versuch 52: Berührungsreiz Ohrwurm: Akinese (Totstell-Reaktion) ............................... 54
Versuch 53: Berührungsreiz Ohrwurm: Reaktion der Fühler (Antennen) ....................... 54
Versuch 54: Feuchtigkeitsinn ........................................................................................... 55
Versuch 55: Chemischer Reiz ........................................................................................... 55
Untersuchungen zur Lebenstätigkeit und Lebensweise von Tieren .................................... 56
Versuch 56: Durchmischungsversuch mit Regenwürmern .............................................. 56
Nahrungsaufnahme .......................................................................................................... 57
Versuch 57: Nahrungsaufnahme von Bodentieren .......................................................... 58
Versuch 58: Beobachtungsexperiment zur Futterübergabe bei Ameisen ....................... 58
Versuch 59: Nahrungsaufnahme bei Schnecken.............................................................. 59
Experimente für die Klassenstufen 8-12 .................................................................................. 60
Bodenbiologische Methoden: Bodenorganismen sichtbar machen .................................... 60
Komplexe Leistung im Fach Naturwissenschaftliches Profil ............................................ 61
Stoffverteilungsplan (LP 2004-07-09)........................................................................... 63
Biochemische Untersuchungen ............................................................................................ 65
Versuch 60: CO2-Nachweis (einfach)................................................................................ 65
Versuch 61: CO2-Nachweis (quantitativ-Sek. II) ............................................................... 66
Belebungsgrad des Bodens durch den Katalase-Nachweis.............................................. 67
Versuch 62: Katalase-Nachweis (einfach) ........................................................................ 68
Versuch 63: Katalase- Nachweis (quantitativ Sek. II) ....................................................... 68
Physiko-chemische Untersuchungen ................................................................................... 70
Bestimmung der mineralischen Zusammensetzung des Bodens .................................... 70
Versuch 64: Bestimmung der mineralischen Zusammensetzung des Bodens ................ 70
Bodenartbestimmung ...................................................................................................... 71
Versuch 65: Bestimmung der Bodenart mit der Fingerprobe.......................................... 71
Kalkgehalt und Sulfide im Boden ..................................................................................... 71
Versuch 66: Bestimmung des Kalkgehaltes und Sulfidnachweis im Boden ..................... 72
Versuch 67: Bestimmung des Kalkgehalts (quantitativ und qualitativ-Sek II) ................. 73
Bestimmung des Humusgehaltes im Boden Sek II ............................................................... 75
Versuch 68: Humusgehalt im Boden (Experiment 1) ....................................................... 75
Versuch 69: Humusgehalt im Boden (Experiment 2) ....................................................... 75
Versuch 70: Humusgehalt im Boden „Nassveraschung“ (Experiment 3) ........................ 77
Versuch 71: Bestimmung der Humusform des Bodens ................................................... 78
Das Austauschersystem Boden ............................................................................................ 79
Versuch 72: Hinweis auf lösliche Mineralsalze durch Leitfähigkeitsmessung ................. 80
Versuch 73: Bestimmung der Ladungen der Bodenteilchen ........................................... 80
Versuch 74: Boden als Ionenaustauscher ........................................................................ 81
Versuch 75: Bestimmung austauchbarer Hydronium- und Aluminium-Ionen ................ 82
Bestimmen der Bodenreaktion ............................................................................................ 83
Versuch 76: Bestimmen der Bodenreaktion .................................................................... 86
Bodenschutz ......................................................................................................................... 87
Nachweis von Ionen im Boden ............................................................................................. 90
Versuch 77: Anwesenheit von Calcium-Ionen ................................................................. 90
Versuch 78: Anwesenheit von Magnesium-Ionen ........................................................... 90
Versuch 79: Anwesenheit von Sulfat-Ionen ..................................................................... 91
Versuch 80: Anwesenheit von Phosphat-Ionen ............................................................... 91
Versuch 81: Anwesenheit von Eisen-II-Ionen und Eisen-III-Ionen ................................... 91
Versuch 82: Anwesenheit von Nitrat-Ionen (Demonstrationsexperiment)..................... 92
Versuch 83: Anwesenheit von Aluminium-Ionen ............................................................ 93
Versuch 84: Fällungsreaktionen wasserlöslicher Chlorid-ionen ...................................... 94
Versuch 85: Flammenfärbung wasserlöslicher Natrium-ionen ....................................... 95
Boden als Filter ..................................................................................................................... 97
Versuch 86: Wasserdurchlaufgeschwindigkeit (Fortführung des Versuch 31) ................ 98
Versuch 87: Boden hat Filterfunktion (mit Versuch 86) .................................................. 99
Versuch 88: Pflanzen nehmen Stoffe aus dem Boden auf, Nachweis von Eisen-Ionen in
Pflanzen .......................................................................................................................... 100
Versuch 89: Versuche zur Wirkung verschiedener Nährsalzlösungen auf die Entwicklung
von Bohnenpflanzen....................................................................................................... 102
Versuch 90: Einfluss von Streusalzen auf das Wachstum von Pflanzen ........................ 103
Versuch 91: Wirkung von Schadstoffen auf die Bodenfauna (Vergleiche Versuch
62,Versuch 63) ................................................................................................................ 104
Erstellung von Arbeitsgeräten durch Schüler ..................................................................... 105
Versuch 92: Barberfalle .................................................................................................. 105
Versuch 93: Berlese-Tullgren-Extraktor ......................................................................... 106
Versuch 94: Baermann- Trichter .................................................................................... 107
Bodenbiologisches Praktikum ............................................................................................ 108
Messung abiotischer Umweltfaktoren bei Tieren .............................................................. 109
Versuch 95: Temperaturorgel ........................................................................................ 109
Versuch 96: Lichtorgel .................................................................................................... 110
Versuch 97: Feuchteorgel............................................................................................... 111
Versuch 98: Wahlversuch bei Regenwürmern ............................................................... 112
Messung abiotischer Umweltfaktoren bei Pflanzen .......................................................... 114
Versuch 99: Wachstumsvoraussetzungen für Pflanzen bilingual .................................. 114
Messung biotischer Umweltfaktoren bei Tieren ................................................................ 116
Ermittlung der Populationsgröße durch Methode des „Markierens und Freilassens“ . 116
Versuch 100: Ermittlung der Populationsgröße (nach Ogilvie/ Stinson 1995) .............. 116
Versuch 101: Zersetzung von Zellulose und Lignin ........................................................ 117
Versuch 102: Bestimmung der Nahrungspräferenzen von Bodentieren ....................... 118
Literaturverzeichnis ................................................................................................................ 119
EXPERIMENTE GRUNDSCH ULE / SEK. I
BODEN ENTHÄLT WASSER, LUFT, MINERALE, HUMUS UND LEBEWESEN
Im Grundschulbereich sollten so oft wie möglich Experimente durchgeführt werden. Viele
Kollegen sind auch Willens, scheitern allerdings an den materiellen Bedingungen ihrer
Schulen. Die Autorin hat versucht, Wissenschaft in die Grundschule zu bringen und mit
Alltagsgegenständen Versuche zum Thema Boden anzubieten. Vorteilhaft ist unter diesem
Gesichtspunkt die Werkstattarbeit bzw. Stationsarbeit, da die Schüler nicht nur selbständig
arbeiten können, sondern alles auf eine kleine Schülergruppe abgestimmt ist und somit der
materielle Aufwand insgesamt gering bleibt. Der Kollege muss dabei nicht alles selber
besorgen, die Kinder können auch einige Materialien von zu Hause mitbringen. In
tabellarischer Form sind im Weiteren Materialien, Durchführung, zu erwartendes Ergebnis
und der mögliche Zeitaufwand (ohne Fahrtwege) für den schnellen Überblick aufgelistet. Auf
mögliche Gefahren und entsprechende Schutzmaßnahmen wird hingewiesen, gegen „des
Schülers Ungeschick“ ist aber kein Kraut gewachsen. Also muss der Erste-Hilfe-Kasten
griffbereit stehen.
An dieser Stelle werden Versuche vorgestellt, die in einer Grundschule mit Kindern
durchführbar sind. Weiterführende Experimente sind in den Anleitungen für die der
Sekundarstufe zu finden (s. u.).
Boden muss man sich besorgen. Entweder man kauft Blumenerde oder-besser-man geht mit
Spaten, Schaufel u. ä. in die Natur und borgt ihn sich aus.
BODENBESCHAFFUNG
VERSUCH 1: ALLGEMEINE BODENPROBEN
Materialien
kleine Schaufel, Plastiktüten, Ringgummi, wasserfester Stift
Durchführung
- An verschiedenen Orten Boden entnehmen,
- Eintüten,
- Mit Gummi verschließen und beschriften (Entnahmeort, Datum,
Vegetationstyp wie Wald, Feld)
- Je nach Folgeversuch können Tiere und Pflanzen enthalten sein oder
nicht
Ergebnis
Zeit
verschiedene Bodenproben
3 min. jeweils pro Entnahmeort
VERSUCH 2: LAUBSTREUENTNAHME
Materialien
Schaufel oder Kehrblech, dunkler Müllsack (innen schwarz)
Durchführung
- Laubstreu aus Wald oder Park in den dunklen Müllsack schaufeln
- Tiere und Pflanzen sollen enthalten sein
Ergebnis
Zeit
Laubstreu, im Müllsack recht lange haltbar
4 min
VERSUCH 3: LAUBSTREU-BODENSCHICHTEN AUS DEM WALD ODER PARK
Materialien
Durchführung
Kehrblech, Schuhkartons, Zeitung
- Laubstreu und 4 ca. 5 cm dicke vertikale Schichten mit einem
Kehrblech jeweils auf Zeitungspapier schaufeln und
- für den Transport ins Klassenzimmer in die Kartons legen, siehe Abb.
1: Laubstreubodenschichten
- Tiere und Pflanzen sollen enthalten sein
Ergebnis
5 verschieden aussehende Schichten, die man für weitere Untersuchungen
nutzen kann
15 min
Zeit
Abb. 1: Laubstreubodenschichten
VERSUCH 4: BODENPROBE MIT DEFINIERTER MENGE (VOLUMEN, GEWICHT)
Materialien
Konservendose, Hammer, hartes Frühstücksbrettchen, das nicht mehr
verwendet wird, Schere, Messer, (Klapp-)Spaten, Plastiktüte für Transport,
wasserfester Stift
Durchführung
- Mit Schere aus Konservendose den Boden und Deckel schneiden,
eine Hülse entsteht Vorsicht! Verletzungsgefahr!
- Diese Hülse in den Boden stechen,
- Brettchen drauflegen und mit Hammer in die Erde schlagen,
störende Wurzeln dabei mit Messer abschneiden.
- Ist die Blechhülse im Boden, mit Spaten ringsherum Erdreich
abtragen und
- Gefüllte Dose für Transport eintüten, beschriften
- Tiere und Pflanzen sollten aussortiert werden
Ergebnis
Zeit
Kleines Bodenprofil
15 min
BODENPROFIL
Durch physikalische, chemische und biologische Einwirkungen verändert sich das
Ausgangsgestein. Diese Umgestaltungen bewirken zugleich eine Änderung der Eigenschaften
des Materials, (z. B. Farbe, Vorhandensein von Leben), und sind in unterschiedlicher Tiefe in
Schichten1 bzw. Lagen zu erkennen. Diese werden dann „Bodenhorizonte“ genannt, die nicht
1
Der Begriff „Schicht“ sollte in diesem Zusammenhang nicht verwendet werden, weil die
Geologen unter diesen Begriff die Gesteinsschichten verstehen.
immer klar abgegrenzt sind. Die Abfolge solcher Horizonte nennt man ein „Bodenprofil“. Ein
Bodenprofil ist ein etwa 1m tiefer Schnitt von der Bodenoberfläche bis eventuell zum
Ausgangsgestein. Die unterschiedliche Färbung macht die Horizonte mehr oder weniger gut
sichtbar. Die meisten Bodenprofile bestehen aus 3 Lagen, die mit Großbuchstaben A B und C
benannt werden. Hinzugefügte Kleinbuchstaben zeigen zudem verschiedene Eigenschaften
an (z. B. Ah: Bodenhorizont A mit Humus=Humushorizont). Bodenprofile zum Untersuchen
findet man häufig in Baugruben (siehe Abb. 11: Baugrube an der Parthe bei Panitzsch. Echte
Bodenaufschlüsse von Geologen sind oft nicht zugänglich oder zu weit entfernt, weswegen
eine Exkursion kaum in Betracht kommt. Aber sollte sich einmal die Gelegenheit ergeben, ist
zu bedenken, dass auch die größte Baugrube bald keine Baustelle mehr ist, sondern stark
verändertes Ausgangsmaterial des Tons2 in Form von Beton draufsteht. Eine virtuelle
Ausflugsmöglichkeit zu verschiedenen Bodenprofilen und deren Aufbau, Vorkommen,
Ausgangsgestein
und
typischen
Pflanzen
ist
auf
der
der
URL:
http://www.bodenwelten.de/bodenframe.htm möglich.
Beispiele dafür sind die Bodenaufschlüsse des Bodenlehrpfades „Bienitz“,
nahe Leipzig3:
Abb. 2: Karte, Ortslage Bienitz
„Westlich von Leipzig, auf den Gemarkungen Rückmarsdorf, Dölzig,
Burghausen und Frankenheim, erstreckt sich die Rückmarsdorf-Dehlitzer
Endmoräne in nord-südlicher Richtung. Der Höhenzug entstand in der
Saaleeiszeit und ist ca. 30 km lang und 0,1 bis 2,5 km breit. Er besteht aus
Ablagerungen der Stillstandsperiode des Eises, welches über Elsterschotter eine starke
Schicht kalkhaltigen Geschiebelehms und eine unterschiedlich mächtige Schicht Decksand
abgelagert hat. Am nördlichen Ende der Endmoräne liegt der Bienitz, der eine Höhe von bis
zu 127,1 m über NN erreicht. Westlich wird er vom Zschampertbach umflossen, an dessen
Ufern sich die Zschampertaue erstreckt.
2
Beton ist eine bereits von den Römern bekannte Mischung aus Zement, Kies und Wasser,
während Zement durch das Verbrennen von Kalk und Ton entsteht.
3
Quelle der Abb. 2-10: Staatliches Umweltfachamt Leipzig, Referat Bodenschutz, ehem. Sitz:
Bautzner Straße 67, 04347 Leipzig, Text: S. Risse, R. Symmangk, Bildnachweis: O. Penndorf
(1;5;6), R. Symmangk (2;3;4), Karte und Skizze: ZV Flussauenlandschaft Leipzig-Nord
Abb. 3: Bienitz, Höhenlinien
Der Name Bienitz wird vom slawischen Wort ”bieni” (Stock, Stöckicht), also Wäldchen
abgeleitet. Dazu zählen neben den bewaldeten Teilen auch die Wiesen, die durch ihre
einstmalige floristische Vielfalt bekannt waren, von der bis heute leider nur noch
Bruchstücke erhalten blieben. Anthropogen geprägt wurde das Gebiet besonders durch die
Nutzung als Rodelbahn, Ausflugsziel, landwirtschaftliche Nutzfläche, militärisches Gelände
und Eingriffe in den Wasserhaushalt. Neben verschiedenen Pflege- und Schutzmaßnahmen
ist die Eingliederung des Bienitz-Geländes in das Landschaftsschutzgebiet ”Leipziger Auwald”
ein bedeutender Schritt zur Erhaltung und Entwicklung dieses Naturraums. Mit
nachstehenden bodenkundlichen Aufnahmen des Bienitz soll dessen Entstehung
verdeutlicht und die Schutzwürdigkeit seiner naturnahen Böden zum Ausdruck gebracht
werden.“
Abb. 4: ZV Flussauenlandschaft Leipzig-Nord
Das Pedotop „Bienietz“
Seine 6 Bodenaufschlüsse und Horizontfolgen4
1. Braunerde über fossiler Fahlerde, Abb. 5
2. Braunerde über fossiler Pseudogley-Fahlerde, Abb. 6
3. Lessivierte Braunerde über fossiler Pseudogley-Fahlerde, Abb. 7
4. Braunerde-Parabraunerde über fossiler Pseudogley-Fahlerde, Abb. 8
5. Braunerde über fossiler Pseudogley-Fahlerde, Abb. 9
6. Nassgley aus organo-mineralischer Mudde über tiefem Auenmergel, Abb. 10
4
* Erklärung:
A = Terrestrischer Oberbodenhorizont, B = Terrestrischer Unterbodenhorizont, C =
Terrestrischer Untergrundhorizont, G = Semiterrestrischer
Bodenhorizont
mit
Grundwassereinfluss, L = aus Ansammlung von nicht und wenig zersetzter Pflanzensubstanz
an der Bodenoberfläche, O = Ansammlung stark zersetzter Pflanzensubstanz, S =
Terrestrischer Unterbodenhorizont mit Stauwassereinfluss,
a = anmoorig, a (vorangestellt) = Auendynamik, b = gebändert, d = dicht (wasserstauend), e =
eluvial, ausgewaschen, sauergebleicht, f (vorangestellt) = fossil, f = vermodert, h = humos, l
(vorangestellt) = Lockersubstrat, l = lessiviert, tonverarmt, r (vorangestellt) = reliktisch, r =
reduziert, t = tonangereichert,
v = verwittert, verbraunt, verlehmt, w = stauwasserleitend(mit S), w= zeitweilig
grundwassererfüllt (mit G), römische Ziffern = geologischer Schichtwechsel
Abb. 5: Braunerde über fossiler Fahlerde
Abb. 6: Braunerde über fossiler Pseudogley-Fahlerde
Abb. 7: Lessivierte Braunerde über fossiler Pseudogley-Fahlerde
Abb. 8: Braunerde-Parabraunerde über fossiler Pseudogley-Fahlerde
Abb. 9: Braunerde über fossiler Pseudogley-Fahlerde
Abb. 10: Nassgley aus organo-mineralischer Mudde über tiefem Auenmergel
Abb. 11: Baugrube an der Parthe bei Panitzsch 2009
VERSUCH 5: BODENPROFILERDE ALLGEMEIN
Materialien
Taschenmesser oder Spachtel, Plastiktüten, Gummi, wasserfester Stift
Durchführung
- An einem freigelegten Profil, siehe Abb. 12, an den unterschiedlichen
Horizonten Erde abkratzen,
- Erde eintüten und
- Beschriften (Ort, Entnahmetiefe, Datum), siehe Abb. 13
- Tiere und Pflanzen können aussortiert werden
Ergebnis
Zeit
Verschiedene Erde aus den verschiedenen Horizonten des Bodens
10 min
Abb. 12: Horizontfolgen in Baugrube
Abb. 13: Nummerierte Bodenproben
VERSUCH 6: BODENPROFIL IM SCHUHKARTON
Materialien
(Klapp-)Spaten, Schuhkarton, Schere, Klebeband
Durchführung
- Karton an Kanten zerschneiden,
- Mit Spaten in Größe der Kartonwände Erde stechen,
- Kartonwände in Bodenschlitze stecken, dessen Deckel ebenso,
- Dahinter alles freilegen und vorsichtig ausheben,
- Karton zusammenkleben
- Tiere und Pflanzen sollten aussortiert werden
Ergebnis
Zeit
kleines Bodenprofil (2 Horizonte)
15 min
VERSUCH 7: BODENPROFIL PROFESSIONELL
(so wie es die Landwirte zur Ermittlung des Düngemitteleinsatzes im Labor abgeben), siehe Abb. 14
Materialien
Durchführung
Erdbohrstock, Hammer, Schraubenzieher
- Erdbohrstock mit Hammer in Boden treiben,
- Andrehen und herausziehen,
- Vorsichtig mit Schraubenzieher Erde herauslösen
- Methodenbedingt sind wenige Tiere und Pflanzen in den Proben
Ergebnis
Zeit
Bodenprofil
15 min
Abb. 14: Bodenprofilentnahme mit Bohrstock
BODENENTWICKLUNG
Der Bodenentwicklungprozess ist von vielen Faktoren abhängig. Das örtliche
Ausgangsgestein, das Oberflächenrelief und die Flora und Fauna beeinflussen die Bildung
des Bodens. Darüber hinaus kommt dem Klima (Temperaturen und Niederschläge) große
Bedeutung zu. Da die Entstehung von Boden Hunderte bis Tausende von Jahren dauert und
nie abgeschlossen ist, spielt die Zeit eine wichtige Rolle. Boden entsteht sozusagen
momentan. Die Verwitterung von Gestein ist eine wesentliche Voraussetzung für die
Entstehung von Boden. Das Gestein wird dabei zunächst physikalisch, chemisch oder
biologisch zerkleinert und dadurch unterliegt er einem natürlichen Entwicklungsprozess.
Ackererde wird vom Menschen bearbeitet, um gute Bodenbedingungen für Nutzpflanzen zu
schaffen. Der Boden wird gepflügt, um den Boden für das Wurzelwachstum zu lockern und
gedüngt, um Mineralnährstoffe aufzufüllen. Durch die physikalischen Prozesse wie Frostund Wärmesprengung entstehen Risse und Poren, die Luft, Wasser und Wurzeln besser in
den Boden eindringen lassen. In diese kleine Risse und Klüfte des Gesteins dringt immer
wieder Niederschlagswasser ein. Beim Gefrieren dehnt es sich um bis zu 10 % aus. Die dabei
entstehenden enormen Kräfte zersprengen das Gestein.
Bei der chemischen Verwitterung, zum Beispiel durch Säuren, verändert sich der
Mineralbestand des Gesteins, z. B. durch die Lösung oder chemische Umsetzung von
Bestandteilen.
Bei der biologischen Verwitterung wirken die Lebensaktivitäten von Tieren und Pflanzen auf
das Gestein und bewirken eine Veränderung. Eine große Bedeutung dabei haben
Mikroorganismen, die durch ihre Ausscheidungen das Gestein zersetzen.
Schematischer Ablauf
Das oberflächlich anstehende Gestein ist physikalischen und chemischen Prozessen
unterworfen. In den entstehenden Spalten und Hohlräumen siedeln sich zunächst
Mikroorganismen, später höhere Pflanzen an. Abgestorbene Pflanzen werden durch
Mikroorganismen zersetzt und eine dünne Humusschicht entsteht. Weitere Pflanzen siedeln
sich an, deren Wurzeln das Gestein zersprengen. Durch chemische Prozesse werden
mineralische Stoffen im Boden verlagert, um- und neugebildet. Schließlich bilden sich
unterschiedliche Schichten im Boden. Diese werden Bodenhorizonte genannt. Die
Entwicklung von Böden umfasst sehr lange Zeiträume und geht ständig weiter.
Auch jüngere Schüler können die folgenden Versuche zu den Kräften, die das Gestein
sprengen, durchführen, denn sie liegen im Erfahrungsbereich der Kinder.
VERSUCH 8: FROSTSPRENGUNG I
Materialien
Wasser,
verschraubbare durchsichtige Plastikgefäße (z.B. Einweg- Plastikflaschen)
Durchführung
Ergebnis
Zeit
-
Plastikflasche mit Wasser bis zu Markierung füllen,
Verschließen und
Flasche in Gefrierschrank legen
Volumen des Eises in der Flasche ist größer als der des Wassers
Gefrieren über Nacht
VERSUCH 9: FROSTSPRENGUNG II
(kann auch mit Versuch 8: Frostsprengung I kombiniert werden)
Materialien
Erde ohne Lebewesen, Wasser,
verschraubbare durchsichtige Plastikgefäße (z. B. Einweg-Plastikflaschen)
Durchführung
Ergebnis
Zeit
-
Plastikflasche mit Erde und Wasser bis zu Markierung füllen,
Verschließen und
Flasche in Gefrierschrank legen
Volumen der Erde und des Eises in der Flasche nimmt zu
Gefrieren über Nacht
VERSUCH 10: WÄRMESPRENGUNG NUR ALS DEMONSTRATIONSEX PERIMENT!
Materialien
Gesteine (Kalk-, Granitproben),
Bunsenbrenner oder Feuerschale, Tiegelzange, Gefäß mit Wasser,
Schutzbrille, Sicherheitsabstand der Zuschauer
Durchführung alle, bis auf eine (=Kontrollprobe) Gesteinsproben erhitzen und
anschließend im kalten Wasser abkühlen, evtl. mehrfach wiederholen
Ergebnis
Granit- oder Kalksteine zerspringen in einzelne Minerale, andere Gesteine
zerspringen in kleine Teile
Zeit
10 min.
VERSUCH 11: SPRENGKRAFT VON PFLANZENSAMEN
Materialien
Erbsen, Wasser, Gips, durchsichtiges Plastikgefäß
Durchführung
- Gips in Plastikgefäß anrühren, in den noch weichen Gips Erbsen
gleichmäßig eindrücken und mit Gips bedecken.
- Die Schale für den Versuch gut durchfeuchten.
Ergebnis
Zeit
Langzeitbeobachtung
quellende Erbsensamen sprengen den Gips auf, sie können Druck von bis zu
100 bar hervorrufen
nach 2-3 h sind Risse sichtbar, nach 24 h ist der Block gesprengt
VERSUCH 12: WIRKUNG WACHSENDER WURZELN IM BODEN
Materialien
keimende Bohnensamen, Wasser, durchsichtiges Plastikgefäß, Gips
Durchführung
- Gips in Plastikgefäß anrühren, in den noch weichen Gips
Vertiefungen drücken, kräftige Bohnenkeimlinge einsetzen und so
einbetten, dass die Keimblätter frei bleiben
- Die Schale für den Versuch gut durchfeuchten.
- Langzeitbeobachtung
Ergebnis
Zeit
wachsende Bohnenkeimlinge wachsen schnell und reißen den Gips ein, bis
er schließlich bricht
Pflanzenwurzeln entwickeln große Kräfte, um auch in den festen Boden
eindringen zu können, und drücken die Erde auseinander
nach wenigen Tagen ist der Block gesprengt
BODENARTEN
Boden besteht aus organischen und anorganischen Bestandteilen. Die anorganischen
Komponenten des Bodens bestehen aus verschieden großen Teilchen. Durch die
unterschiedlichen Anteile der Korngrößen lassen sich die verschiedenen Bodenarten
bestimmen. Mit den vorherrschenden Korngrößen der Bodenpartikel (Kornfraktion) können
die Bodenarten beschrieben werden (z.B. Sandboden, Tonboden). Die Kornfraktionen
können mit Hilfe einfacher Tests ermittelt werden.
Korngröße
[mm]
Bodenart
0-0,002
0,002-0,063
0,063-2
2-60
> 60
Ton
Schluff
Sand
Kies
Steine
Aufgrund der verschiedenen Bodenarten kann man Aussagen über die Bodenfruchtbarkeit
und die Porengrößen für Luft und Wasser machen. So sind sandige Böden eher trocken und
nährstoffarm und daher weniger fruchtbar, während Böden mit einem höheren Schluffanteil
sehr fruchtbar sind. Diese Böden halten das Wasser besser und verfügen über mehr
Nährstoffe.
VERSUCH 13: FINGERPROBE EINFACH
Materialien
Durchführung
Ergebnis
Zeit
Erde ohne Lebewesen, evt. verschiedene Bodenproben, Wasser
trockenen Boden etwas anfeuchten, der Boden ist richtig, wenn er
“schmierig” zwischen den Fingern ist, siehe Abb. 15
1. Boden zwischen den Händen zu einer Wurst (bleistiftdick) rollen
Ist dies nicht möglich: → der Boden ist ein sandiger Boden
2. Boden zwischen den Handflächen reiben, so dass in den Rillen der
Hände noch Boden zu sehen. → der Boden ist lehmig
3. der klebrige Boden kann zu einer ganz dünnen Wurst (ca.
Bleistiftdicke) gerollt werden: → es ist ein toniger Boden
Bodenart sandig-lehmig-tonig kann ermittelt werden
pro Probe 3 min
Abb. 15: Fingerprobe: Toniger Boden
Der Boden besteht aus verschiedenen organischen und anorganischen Stoffen. Diese können
aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichte getrennt werden. Dichtere (also schwerere)
Bestandteile (z.B. Sand, Kies) sinken im Wasser sehr schnell ab; leichtere (Schluff, Ton)
trüben das Wasser, sehr leichte organische Bestandteile (Humus) schwimmen auf der
Wasseroberfläche.
VERSUCH 14: BESTIMMUNG DER BODENBESTANDTEILE DURCH DIE SCHLÄMMPROBE
Materialien
verschiedene Erdproben ohne Lebewesen (z. B. tonigen und sandigen
Boden),
Wasser, verschraubbare durchsichtige
Plastikflaschen), Papiertrichter
Durchführung
-
Ergebnis
Zeit
Plastikgefäße
(z.B.
Einweg-
Je eine Erdprobe in eine Einweg- Plastikflasche füllen (evt. mit
Papiertrichter),
Wasser auffüllen,
Flasche verschließen und kräftig schütteln,
Flasche absetzen und
Beobachten, wann sich etwas absetzt, wie dick diese Schicht ist
Entsprechend ihrer Dichte setzen sich die verschiedenen Bestandteile
unterschiedlich schnell ab und das Wasser klärt sich, nach 5 min, 60min und
am Folgetag beobachten.
Absetzzeiten: Sand 5‘‘ Grobschluff 60‘‘ Feinschluff 1 h Ton 7-8 h
7 min Erstbeobachtung, weitere 1 h und ca. 24 h später
Durch die Bestimmung der unterschiedlichen Bestandteile kann die Zusammensetzung der
Böden bestimmt werden, so dass man Rückschlüsse auf die Bodenfruchtbarkeit treffen kann.
Böden mit hohem Schluffanteil sind sehr fruchtbar durch gutes Wasserhaltevermögen und
gute Nährstoffverfügbarkeit, sandige Böden dagegen sind trockener, nährstoffärmer und
daher
weniger
fruchtbar.
BESTANDTEILE DES BODENS
BODEN UND LUFT
Bodenteilchen
mit
Wasserfilm (Haftwasser)
Kapillarwasser,
pflanzenverfügbar
luftführende
Bodenluft
Pore,
Abb. 16: Bodenporen
Boden enthält zwischen seinen Körnern viele Poren, die mit Wasser oder Luft gefüllt sein
können.
Alle nicht mit Wasser gefüllten Poren im Boden enthalten Bodenluft (siehe Abb. 16).
Entsprechend des Wassergehaltes schwankt deren Anteil. Bodenluft ist eine wichtige
Voraussetzung für die Atmung der Pflanzenwurzeln, Tiere und Mikroorganismen.
VERSUCH 15: BODEN ENTHÄLT LUFT (EINFACH)
Materialien
Erdprobe ohne Pflanzen und Tiere, Wasser,
durchsichtiges Plastikgefäß, Luftballon, Waage, Messgefäß
Durchführung
Ergebnis
Zeit
-
Erde abwiegen,
Mittels Filter in eine Flasche füllen und
Mit Wasser bis zum Rand füllen, Luftballon überstülpen und
Beobachten, wie Luftblasen in den Ballon aufsteigen (siehe Abb. 17)
im Ballon sammelt sich Luft, Boden enthält Luft in den zahlreichen Poren
5 min.
Abb. 17: Versuch "Boden enthält Luft" (einfach)
VERSUCH 16: BESTIMMUNG BODENLUFT (QUANTITATIV)
Materialien
Erdproben ohne Pflanzen und Tiere, Wasser,
durchsichtige skalierte Plastikgefäße oder Messgefäße, Waage,
Durchführung
-
Ergebnis
Zeit
100 mL Erde in skaliertes Plastikgefäß oder Messgefäß füllen,
Kennzeichnen,
100 mL Wasser mit Messgefäß abmessen und gleichmäßig auf die
Erde gießen,
An der Skala des skalierten Plastikgefäßes oder Messgefäßes
ablesen, wie viele mL bis zur 200 mL-Marke fehlen (der fehlende
Betrag ist die Bodenluft)
Boden enthält Luft in den zahlreichen Poren
5 min.
BODEN UND WASSER
Grundwasser, ist aufgrund seiner tiefen Lage im Boden für Pflanzen nicht immer nutzbar.
Wir erforschen bei unseren Untersuchungen fast immer den Boden oberhalb des
Grundwasserspiegels. Dessen Wassergehalt ist aber wichtig für die Bodenfruchtbarkeit (weil
Pflanzennährstoffe darin gelöst sind) und schwankt je nach Witterung erheblich. Zu diesem
Bodenwasser gehören zum einen das Sickerwasser und zum anderen das Kapillarwasser, das
in den Poren zwischen den Bodenteilchen durch starke Kapillarkräfte gehalten wird, die der
Schwerkraft entgegen wirken, sowie das Haftwasser an den Bodenteilchen aufgrund der
Adhäsionskräfte (siehe Abb. 16). Mit einem einfachen Versuch kann man nachweisen, dass
in der Erde, auch wenn es zunächst nicht danach aussieht, Wasser enthalten ist.
VERSUCH 17: NACHWEIS VON WASSER IM BODEN I
Materialien
Boden),
verschraubbare durchsichtige Plastikgefäße, Papiertrichter, warmer Platz
Durchführung
-
Ergebnis
Zeit
Je eine Erdprobe in ein verschraubbare durchsichtiges Plastikgefäß
füllen (evt. mit Papiertrichter),
Verschließen und
Schräg an einen warmen Ort legen
am Plastikgefäß kondensiert Bodenwasser und setzt sich in großen Tropfen
ab, siehe Abb. 18
Versuchsansatz je 3min, Beobachtung nach 30 min möglich
Abb. 18: Nachweis von Wasser im Boden
VERSUCH 18: NACHWEIS VON WASSER IM BODEN II
Materialien
Boden),
kleine durchsichtige Plastikgefäße, evtl. Papiertrichter, Waage, warmer
Platz
Durchführung
-
Je eine Erdprobe in ein kleines durchsichtiges Plastikgefäß füllen
Ergebnis
Zeit
(evt. mit Papiertrichter) und
Abwiegen,
Messergebnis protokollieren,
Erde im Gefäß an warmen Platz stellen und trocknen lassen,
Erneut wiegen, protokollieren,
Differenz der beiden Messwerte berechnen
Differenz der beiden Messwerte ist der Wasseranteil
Versuchsansatz je 3min, Beobachtung nach 30 min möglich
BODEN UND WÄRME
Der Wärmehaushalt des Bodens hat einen großen Einfluss auf die Organismen, deren
Lebenstätigkeiten bei einer Temperatur > 5°C beginnen, bei > 45°C sie zum Erliegen
kommen. Dabei hat jede Art einen Temperaturpräferenzbereich. Innerhalb dieser Spanne
laufen alle lebenserhaltenden Prozesse mehr oder weniger optimal ab, und die
Fortpflanzung wird gesichert. Die wichtigste Wärmequelle für den Boden ist die Sonne. Die
Bodentemperatur ist u. a. von der geographischen Breite, Höhe, der Tages- und Jahreszeit,
vom Bewuchs, der Witterung, der Bodenfarbe sowie von der Geländeneigung abhängig.
Die Wärmeleitfähigkeit des Bodens hängt von seiner Körnung und dem Porenvolumen ab.
Enthält ein Boden viel Luft, berühren sich die Bodenteilchen wenig. Dann kann der Boden die
Wärme schlecht aufnehmen, denn Luft ist ein schlechter Wärmeleiter. Feuchte Böden
hingegen leiten die Wärme besser. So entstehen tageszeitliche Temperaturschwankungen
bis 50 cm Bodentiefe. Die größten Temperaturdifferenzen sind dabei an der
Bodenoberfläche festzustellen.
Die Wärmekapazität ist das sogenannte Wärmespeichervermögen des Bodens, das ebenso
von den luft- bzw. wassergefüllten Poren abhängt. Ein feuchter Boden erwärmt sich zwar
langsam, kann die Energie aber länger als ein trockener Boden halten.
In einfachen Versuchsreihen können diese Phänomene festgestellt werden. Es bieten sich
dabei Praktikumstage an.
VERSUCH 19: TEMPERATURMESSUNGEN IN ABHÄNGIGKEIT DER TAGESZEIT
Materialien
Durchführung
Ergebnis
Zeit
eine Wiese auf dem Schulgelände, 1-3 Thermometer, Uhr
- An geeigneter Stelle des Schulgeländes in regelmäßigen
Zeitabständen die Bodentemperatur in Höhen von 0 cm, 10 cm, 50
cm ab Bodenoberfläche messen,
- Protokollieren, Auswerten
Kontrolle z. B. durch gleiche Messungen auf befestigten Schulhof möglich,
Beobachtung der Auswirkung des Bodenklimas auf bebauten Bodens
Bodenschutz!
Temperaturverlauf im Tagesgang in 0 cm, 10 cm, 50 cm
Vergleich des natürlichen Bodens mit dem befestigten.
Messungen und Protokoll je 3 min, Beobachtung ganztägig
VERSUCH 20: TEMPERATURMESSUNGEN IN ABHÄNGIGKEIT DER VEGETATION
Materialien
Durchführung
3-4 Standorte des Schulgeländes, 3-4 Thermometer, Uhr, Schülergruppen
- An 3-4 geeigneten Stelle des Schulgeländes (z. B. Wiesen-Freifläche,
Beet, Hecke, im Schatten eines Baumbestandes, Freifläche des
befestigten Schulhof) die Bodentemperatur in Höhe von 0 cm, 10
cm, 50 cm ab Bodenoberfläche messen,
Ergebnis
Temperaturverlauf im Tagesgang in 0 cm, 10 cm, 50 cm der verschiedenen
Standorte
(Bodenschutz!),
Schlussfolgerungen
bezüglich
der
Wärmeabstrahlung, Beschattung und der Wachstumsbedingungen für
Pflanzen
Messungen und Protokoll je 3 min, Beobachtung gleichzeitig durch
verschieden Schülergruppen
Zeit
VERSUCH 21: TEMPERATURMESSUNGEN IN ABHÄNGIGKEIT DER BODENFARBE
Materialien
Durchführung
3-4 Standorte des Schulgeländes, 3-4 Thermometer, Uhr, Schülergruppen
am Schulteich, Beet im Schatten der Schule, Freifläche des
befestigten Schulhof) die Bodentemperatur in Höhe von 0 cm, 10
cm, 50 cm ab Bodenoberfläche messen,
Ergebnis
Temperaturverlauf im Tagesgang in 0 cm, 10 cm, 50 cm der verschiedenen
Standorte
(Bodenschutz!),
Schlussfolgerungen
bezüglich
der
Wärmeabstrahlung und der Wachstumsbedingungen für Pflanzen
verschieden Schülergruppen
Zeit
VERSUCH 22: TEMPERATURMESSUNGEN IN ABHÄNGIGKEIT BODENART / ERDFARBE
Materialien
3-4 Behältnisse mit verschiedenen Bodenarten (z.B. Plastiktüten /
Blumentöpfe mit Blumenerde, Sand, lehmiger Ton, Ackererde),
3-4 Thermometer, Uhr, Schülergruppen
Durchführung
Ergebnis
Zeit
-
Behältnisse gleichermaßen „kompakt“ mit Erde füllen,
In die Sonne stellen,
Temperaturen messen,
Protokollieren,
-
Behältnisse mit Erde 45 min. in den Schatten stellen,
Protokollieren, auswerten
Feststellen der Wärmeleitfähigkeit und –kapazität der verschiedenen
Böden
verschiedene Schülergruppen
VERSUCH 23: TEMPERATURMESSUNGEN IN ABHÄNGIGKEIT DES WASSERGEHALTES
Materialien
eine Bodenart (z. B. Plastiktüten / Blumentöpfe mit Blumenerde oder Sand
oder lehmiger Ton oder Ackererde),
3-4 Thermometer, Uhr, Plastiktüten / Blumentöpfe, Wassergefäß,
Schülergruppen
Durchführung
Ergebnis
Zeit
-
Blumentöpfe mit je 200 g Erde füllen und unterschiedlich gießen:
 gar nicht
 150 mL
 300 mL
 550 mL
 1000 mL
Protokollieren,
-
Behältnisse mit Erde 45 min. in die Sonne stellen,
Protokollieren, Auswerten
-
Feststellen der Wärmeleitfähigkeit und –kapazität der verschiedenen
nassen Böden
Versuchsvorbereitung 20 min. Messungen und Protokoll je 3 min,
Beobachtung gleichzeitig durch verschiedene Schülergruppen
VERSUCH 24: TEMPERATURMESSUNGEN IN ABHÄNGIGKEIT DER BODENTIEFE
Materialien
Durchführung
3-4 Thermometer, Uhr, 3-4 Standorte des Schulgeländes, Schaufel / Spaten,
Schülergruppen
am Schulteich, Beet, Hecke, Baumbestand) Löcher graben und
- Die Bodentemperatur in Tiefe von 0 cm, 10 cm, 50 cm ab
Bodenoberfläche messen,
Thermometer vor direkter Sonneneinstrahlung schützen!
Ergebnis
Temperaturverlauf zu bestimmter Tageszeit in 0 cm, 10 cm, 50 cm der
verschiedenen Standorte (Bodenschutz!), Schlussfolgerungen bezüglich der
Wärmeabstrahlung und -kapazität
Zeit
Versuchsvorbereitung 10 min., Messungen und Protokoll je 3 min,
Beobachtung gleichzeitig durch verschieden Schülergruppen
Erde enthält Minerale, Pflanzennährstoffe, die im Bodenwasser gelöst sind. Das kann man
den Kindern leicht zeigen. In Wasser gelöste Stoffe sind oft unsichtbar. Der Versuch hilft,
Mineralstoffe vor Augen zu führen.
VERSUCH 25: MINERALE IM BODENWASSER
Materialien
Erde ohne Lebewesen,
Wasser, kleines Plastikgefäß (z. B. Fotodose), Plastiklöffel, Objektträger,
Pipette (alternativ Strohhalm), Teelicht, Alu- Aschenbecher, Schere, Lupe
(alternativ Mikroskop)
Durchführung
- Erde (mit geringem Humusanteil) mit Wasser versetzen, so dass ein
kleiner Überstand vorhanden ist,
- Diesen Überstand auf einen Objektträger tropfen und
- Wasser über einem Teelicht (alternativ Heizkörper) verdunsten
lassen
- Rückstand betrachten
Ergebnis
Wenn Wasser verdunstet ist, bleibt mineralischer Rückstand zurück
Zeit
5-7 min (Teelicht)
Die Eigenschaften des Bodens, Wasser aufzunehmen und zu halten, aber auch wieder
abzugeben, lassen sich in einfachen Experimenten nachweisen. Die Wasserhaltefähigkeit ist
die Wassermenge, die der Boden, ähnlich einem Schwamm, dauerhaft entgegen der
Erdanziehungskraft festhalten kann. Sie sinkt mit zunehmender Körnergröße. Zur
Anschauung kann ein Modell (siehe Abb. 19), dienen. Bei großen Körnern sind die Poren
groß und die Kapillar-und Adhäsionskräfte klein. Das Wasser sickert durch den Boden und
wird nicht gehalten, was wichtig für die Grundwassererneuerung ist, aber das Wasser steht
den Pflanzen nicht zur Verfügung. Sind die Poren dagegen wegen geringer Körnergröße
klein, herrschen größere Kapillar-und Adhäsionskräfte. Das Wasser verbleibt im Boden
(Haftwasser). Dieses Wasser kann von den Pflanzen genutzt werden. Lehmboden ist durch
seine guten Wasserhalteeigenschaften besonders fruchtbar und für den Pflanzenanbau
geeignet.
Abb. 19: Modell Zusammenhang Körnergröße-Porengröße
VERSUCH
26:
NACHWEIS
(DEMONSTRATIONSEXPER IMENT)
Materialien
DER
WASSERLEITUNG
DURCH
DIE
ERDE
Erde, Wasser,
Plastikschale, Joghurtbecher, großer Nagel, Korken, Teelicht (Kerze),
Handschuhe zum Schutz vor Verbrennung, Gießkanne o. ä.,
Durchführung
-
Korken auf Nagel stecken und über der Kerze stark erhitzen, dann
gleichmäßig Löcher in den Joghurtbecher schmelzen
Durchlöcherten Joghurtbecher in die Plastikschale stellen und diese
mit Erde füllen
Erde vorsichtig gießen und Joghurtbecher beobachten
Erweiterung:
Schale könnte sogar noch bepflanzt und mit einer Aufwuchsplatte für Algen
und Pilze (Objektträger) versehen werden (siehe Abb. 20, Abb. 21, Abb. 22).
Bepflanzung: Dazu wird Gras- und Kressesamen in die vorbereitete
Pflanzschale gesät und regelmäßig gegossen. So kann das
Phänomen Wasserleitung durch die Erde immer wieder beobachtet
werden.
- Aufwuchsplatte: Ein Objektträger, in die Erde gesteckt, wird durch
Algen bewachsen. Diese können nach ca. 2 Wochen unter dem
Mikroskop betrachtet werden.
Abhängig von der eingesetzten Erde sickert das Gießwasser schneller oder
langsamer in den Joghurtbecher: Boden gibt Wasser ab, lässt es durch
-
Ergebnis
Zeit
Versuchsansatz: 15 min, Versuch und Beobachtung 1 min
als Kombinationsexperiment ca. 2 Wochen
Als Kombinationsexperiment: Demonstrationsexperiment: Nachweis der Wasserleitung
durch die Erde
Abb. 20: Kombi-Versuch
Aufwuchsplatte und Samen
„Boden
leitet
Wasser“
mit
Abb. 21: Pflanzenwachstum: Versuch nach 14 Tagen
Abb. 22: Aufwuchsplatte
VERSUCH 27: WASSERHALTEFÄHIGKEIT DES BODENS
Materialien
Luftgetrocknete Erdproben ohne Tiere und Pflanzen,
Einweg-Plastikflaschen, Schere, Messgefäß, Wasser (siehe Abb. 23 A)
Durchführung
Ergebnis
Zeit
Versuch im Raum in großer Schüssel / Schale oder im Freiland durchführen
- Hals der Einweg- Plastikflaschen mit Schere abschneiden (B),
Flaschendeckel durchbohren oder besser schmelzen (C+D+F),
- Erdprobe ungefähr gleich hoch in die trichterförmigen Flaschenhälse
einfüllen und kurz auf dem Boden aufstoßen, vorbereitete
Flaschenhälse auf die abgeschnittene Flasche, wie in Abb. 24
gezeigt, stellen (in großer Schüssel / Schale),
- Mit Messgefäß gleiche Menge Wasser langsam auf jede
Bodenprobe gießen, Wasserdurchlauf beobachten, aufgefangenes
Wasser mehrmals erneut über Bodenproben gießen, bis sie
vollständig durchdrungen ist (Matschgefahr!)
- Übrig gebliebene Wassermengen messen und vergleichen
Abhängig von eingesetzter Erde sickert das Gießwasser schnell (großporig)
oder langsam (kleinporig) durch, aufgefangene Wassermenge bei
grobkörnigem Substrat hoch, bei kleinkörnigem Substrat gering (=hohe
Wasserhaltefähigkeit, d. h. es ist viel Wasser in dieser Erde verblieben)
A
B
C
D
E
F
Abb. 23: Material und Vorbereitung des Versuches 27
Abb. 24: Material und Vorbereitung des Versuches 28
VERSUCH 28: WASSERDURCHLÄSSIGK EIT UNTERSCHIEDLICHE R ERDSCHICHTEN
Materialien
luftgetrocknete Erdproben ohne Tiere und Pflanzen (Gartenerde, Sand,
Kies, Ton oder Lehm),
Einweg-Plastikflaschen, Schere, Messgefäß, Wasser, Stoppuhr, wasserfester
Stift
Durchführung
Ergebnis
Zeit
- Hals der Einweg-Plastikflaschen mit Schere abschneiden,
Flaschendeckel durchbohren oder besser schmelzen, Flaschenhälse
zuschrauben,
- Erdproben ungefähr gleich hoch in die trichterförmigen
Flaschenhälse einfüllen und kurz auf dem Boden aufstoßen,
vorbereitete Flaschenhälse auf die abgeschnittene Flasche wie in
Abb. 25 gezeigt, (in großer Schüssel / Schale) stellen
- Mit Messgefäß gleiche Menge Wasser langsam auf jede
Bodenprobe gießen, Wasserdurchlauf verfolgen und Zeit messen,
wann erste Tropfen runterfallen, sowie aller 30 sec. die Menge des
aufgefangenen Gießwassers ermitteln und vergleichen (Markierung
mit wasserfesten Stift)
- Ermittlung der aufgefangenen Wassermenge, Berechnung der
Differenz zur anfänglichen Gießmenge ergibt die gespeicherte
Wassermenge der jeweiligen Erdprobe
Abhängig von der eingesetzten Erde sickert das Gießwasser schnell
(großporig) oder langsam (kleinporig) durch, die aufgefangene
Wassermenge ist bei grobkörnigem Substrat hoch, bei kleinkörnigem
Substrat gering (= hohe Wasserhaltefähigkeit, d. h. es ist viel Wasser in
dieser Erde verblieben)
Versuchsansatz: 10 min, Versuch und Beobachtung ca. 10 min (je 2 min),
Berechnungen 10 min
Abb. 25: Aufbau zu Versuch 28
VERSUCH
29:
WASSERDURCHLÄSSIGKEIT
UNTERSCHIEDLICHER
SIMULATION DES WASSERWEGES DURCH DEN BODEN
Materialien
ERDSCHICHTEN-
Unterschiedliche Erden (Gartenerde, Sand, Kies, Ton oder Lehm)
Einweg-Plastikflaschen, Schere, Messgefäß, Wasser, Zirkel
Durchführung
Variante a)
-
Einweg-Plastikflaschen mit Zirkel gleichmäßig einstechen,
Die verschiedenen Erden gleichmäßig hineinschichten,
In große Schüssel / Schale stellen
Variante b)
-
-
-
Ergebnis
Zeit
Hals der Einweg-Plastikflaschen mit Schere abschneiden,
Flaschendeckel durchbohren oder besser schmelzen,
Flaschenhälse
zuschrauben,
Erdproben ungefähr gleich hoch in die trichterförmigen
(abgeschnittene Flasche in die großer Schüssel / Schale stellen),
Vorbereitete Flaschenhälse wie in Abb. 26 gezeigt, stapeln,
Mit Messgefäß Wasser langsam auf die Bodenproben gießen,
Wasserdurchlauf verfolgen (Matschgefahr!) und beobachten, aus
welcher Bodenschicht das Wasser aus der Flasche tritt
Abhängig von der entsprechenden Erdschicht sickert das Gießwasser
schnell (großporig) oder langsam (kleinporig) durch
Übertragung der Erkenntnisse auf den Wasserkreislauf
Abb. 26: Aufbau zu Versuch 29, Variante b
Boden filtert physikalisch und adsorbiert physiko-chemisch hindurchfließendes Wasser.
Selbst vom Wasser transportierte Partikel, mineralische Substanzen oder Staubpartikel
bleiben im feinen Porengeflecht des Bodens hängen (Filtration). Gelöste Stoffe werden
durch ihre Ladungen an die Bodenpartikel angelagert (Adsorption). Das Wasser wird
gereinigt. Diese Vorgänge sind für die Nährstoffversorgung der Pflanzen von großer
Bedeutung, aber auch für die Qualität des Grundwassers und besonders für die
Trinkwassergewinnung.
Im Grundschulunterricht sind die komplexen chemischen Zusammenhänge auszuklammern
und der Reinigungsprozess wird durch die Filterung auf rein mechanischem Wege
dargestellt. In diesem Zusammenhang muss unbedingt eine Reflexion des eigenen Handelns
der Schüler angeregt werden, z. B beim Umgang mit Schadstoffen. In der Erfahrungswelt der
Kinder lässt sich dies durch das Ölen des Fahrrades veranschaulichen und die Verantwortung
für den Schutz des Bodens. Das Fahrrad-Öl darf nicht in den Boden gelangen und sollte daher
aufgefangen werden. Derartige Möglichkeiten gibt es an Tankstellen, deren Untergrund
versiegelt ist.
VERSUCH 30: BODEN HAT FILTERFUNKTION (KLEIN UND SCHNELL)
Materialien
Erdproben ohne Tiere und Pflanzen
Einweg-Plastiksektglas, großer Nagel, Korken, Teelicht
Marmeladenglas, Messgefäß, evt. Pipette, Wasser mit Tinte
(Kerze),
Durchführung
- Korken über den Nagel stecken und über der Kerze stark erhitzen,
- Dann ein Loch in den Boden und Fuß des Sektglases schmelzen,
- Zusammenstecken und auf Marmeladenglas stellen (auf den Fuß des
Sektglases kann verzichtet werden, wenn das Auffanggefäß einen
kleineren Durchmesser besitzt und hoch genug ist)
- Erdproben in die trichterförmigen Sektglasöffnung einfüllen und kurz
auf dem Boden aufstoßen, in große Schüssel / Schale stellen
(Matschgefahr), siehe Abb. 27
- Tintenwasser pipettieren oder langsam (!) auf jede Bodenprobe
gießen,
- Wasserdurchlauf verfolgen und Farbe des aufgefangenes Wasser mit
Gießwasserfarbe vergleichen
Ergebnis
Zeit
Folgen für Umwelt im Falle von Schadstoffen im Gießwasser erklären
Tintenwasser wird entfärbt
Versuchsansatz: 5 min, Versuch und Beobachtung ca. 3 min
Abb. 27: Filterfunktion Boden
VERSUCH 31: BODEN HAT FILTERFUNKTION (ERWEITERT)
Materialien
Erdproben ohne Tiere und Pflanzen (Gartenerde, Sand, Kies, Ton oder Lehm)
Einweg-Plastikflaschen, Schere, Messgefäß, Wasser mit Tinte
Weiterführendes Experiment: Versuch 87.
Durchführung
- Hals der Einweg-Plastikflaschen mit Schere abschneiden,
Flaschendeckel durchbohren oder besser schmelzen, Flaschenhälse
zuschrauben,
- Erdproben ungefähr gleich hoch in die trichterförmigen
vorbereitete Flaschenhälse auf die abgeschnittenen Flasche wie in
Abb. 24 dargestellt, (in großer Schüssel / Schale) stellen
- Mit Messgefäß gleiche Menge Wasser langsam auf jede Bodenprobe
gießen, Wasserdurchlauf verfolgen und Farbe des aufgefangenes
Wasser mit Gießwasserfarbe vergleichen
Ergebnis
Zeit
Tintenwasser wird entfärbt
Versuchsansatz: 10 min, Versuch und Beobachtung ca. 10 min (je 2 min)
In den Boden eingetragene Stoffe kommen mit den Lebewesen in Berührung und werden
von ihnen aufgenommen. Die Wurzeln nehmen in Wasser gelöste Stoffe auf. Dies lässt sich
durch ein einfaches Experiment sichtbar machen.
VERSUCH 32: PFLANZEN NEHMEN ST OFFE AUS DEM BODEN AUF (NACH BOCHTER S. 19)
Materialien
Schneeglöckchenzwiebel (oder andere Einkeimblättrige), evtl. Weißklee,
durchsichtiges Gefäß, Erde- Sand- Gemisch (Erde sollte nicht zu viel Humus
enthalten, da der Farbstoff sonst zu sehr adsorbiert wird) , Eosinlösung
Durchführung
- Schneeglöckchen in durchsichtiges Gefäß mit Erde pflanzen,
- immer mit Eosinlösung gießen
- Langzeitbeobachtung
Ergebnis
Zeit
Schneeglöckchen verfärbt sich, die Wurzeln nehmen die Farbstoffe mit dem
Wasser aus der Erde auf
Versuchsansatz: 5 min, Versuch und Beobachtung je nach Entwicklung der
Pflanze: 1-2 Wochen
ENTSTEHUNG VON HUMUS IM BODEN, BESTANDTEILE, NACHWEISMÖGLICHK EITEN
Jegliche physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften des Bodens werden von
der organischen Substanz stärker beeinflusst als durch eine gleiche Menge Tonminerale. 5
Humus (lat.=feuchter, fruchtbarer Boden) ist jene abgestorbene organische Substanz im
Boden, die durch chemische und physikalische Prozesse weiter verändert wird. Die
Humusbildung stellt einen essentiellen Faktor der Bodenbildung dar. Dabei spielt die
Zersetzung eine große Rolle. Man unterscheidet die Humifizierung und die Mineralisierung.
Als Humifizierung werden alle Ab- und Umbauprozesse der organischen Substanz des
Bodens in Huminstoffe bezeichnet. Unter Mineralisierung versteht man den vollständigen
mikrobiellen Abbau zu anorganischen Stoffen (Kohlenstoffdioxid, Wasser, Minerale), bei
dem die für das Pflanzenwachstum notwendige Mineralstoffe freigesetzt werden.
Tote tierische und pflanzliche Organismen, Teile von ihnen (z. B. Falllaub) sowie ihre
Ausscheidungen bilden die Grundsubstanz. Durch Witterungseinflüsse oder tierische
Aktivitäten gelangen sie in die Erde. Pflanzenkörper werden aufgrund der Lignin- und
Celluloseanteile langsamer abgebaut als Tierkörper, Exkrete bzw. Exkremente. Die
Bodenorganismen verändern diese mechanisch und auch bio- chemisch. Dabei erfolgt fast
immer eine Vermischung mit mineralischen Bestandteilen des Bodens.
Der Abbau der organischen Stoffe in ihre Ausgangssubstanzen geschieht in zwei
Hauptphasen, wobei die Lebensbedingungen der Bodenorganismen (Edaphon) entscheidend
für die Geschwindigkeit des Abbaus sind (so wirken zum Beispiel Wärme-, Wasser-,
Sauerstoff- und Nährstoffmangel hemmend).
1. Phase:
-
-
Mechanische Zerkleinerung der toten Biomasse durch Tiere des Bodens.
Partielle Verdauung beim Passieren des Darmtraktes in verschiedenen Organismen
(insbesondere Regenwürmer, Asseln, Doppelfüßer, Springschwänzen), Vermischung
mit Bodenpartikeln (Gefügebildung) und
Einarbeitung der zerkleinerten oberirdischen Pflanzenrückstände in den Boden,
dadurch Lockerung des Bodens
2. Phase:
-
5
chemische Umsetzung der zerkleinerten Rückstände durch Mikroorganismen und
kleinere Bodentiere
mineralische Stoffwechselprodukte der Mikroorganismen gelangen in die
Bodenlösung
Entstehung der Huminstoffe
KUNTZE/ ROESCHMANN/ SCHWERDTFEGER: Bodenkunde. Verlag Eugen Ulmer
Stuttgart,1994, 5. Auflage, S. 100
Beim mikrobiellen Abbau organischer Verbindungen entstehen Produkte, die von den
Mikroorganismen für den Aufbau körpereigener Substanz oder als Energiequelle verwendet
werden. Die Huminstoffe, die sich bei diesen Prozessen bilden, sind hochmolekulare,
organische Verbindungen von meist dunkler Farbe. Sie bilden Teilchen von geringer Größe (<
0,002 mm) und besitzen eine große Oberfläche, mit der sie Wasser sowie andere Moleküle
und Ionen reversibel anlagern können. Aufgrund ihres guten Wasserhalte- und
Adsorptionsvermögens sind die Huminstoffe insbesondere für die Wasserbindung,
Gefügebindung und Nährsalzadsorption im Boden von Bedeutung. Einen positiven Effekt hat
die dunkle Farbe auf den Wärmehaushalt. Indem sie relativ stabile Verbindungen mit
Tonmineralen eingehen, verleihen sie dem Humus in den sogenannten Ton-HumusKomplexen eine hohe Gefügestabilität.
Die Lebensbedingungen der Bodenorganismen (Edaphon) sind entscheidend für die
Geschwindigkeit des Abbaus. Der Zersetzung von Laub ist auch vom Kohlenstoff/StickstoffVerhältnis des frischen Laubes abhängig. Ist das Verhältnis hoch, enthalten die Blätter viel
Kohlenstoff und wenig Stickstoff. Ist das C/N-Verhältnis niedrig, dann ist die Streu ein
wertvoller Stickstoffdünger. Erle, Esche und Ulme haben kleine Werte und werden innerhalb
eines Jahres zersetzt, während Eiche, Buche und die Nadeln von Fichte und Kiefer mit hohem
C/N- Wert 3 Jahre und länger (je nach Bedingung) benötigen (siehe Tabelle 1).
Tabelle 1: Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis bei Pflanzen und Zersetzungsdauer von Laub und Nadeln (aus BRUCKER/ KALUSCHE 19766)
Pflanzenart C/N- Verhältnis Zersetzungsdauer
Erle
15:1
1 Jahr
Esche
21:1
1 Jahr
Ulme
28:1
1 Jahr
Hainbuche
23:1
1 ½ Jahre
Linde
37:1
2 Jahre
Bergahorn
52:1
2 Jahre
Eiche
47:1
2 ½ Jahre
Birke
50:1
2 ½ Jahre
Pappel
63:1
2 ½ Jahre
Buche
51:1
2 Jahre
Fichte
48:1
3 Jahre
Kiefer
66:1
> 3 Jahre
Douglasie
77:1
> 3 Jahre
Lärche
113:1
> 5 Jahre
Die chemischen Merkmale (pH, C/N/P-Verhältnisse) und morphologische Eigenschaften
(pflanzliche Reste, koprogenes Gefüge, Farbe, Geruch) charakterisieren die verschiedenen
standorttypischen Humusformen. Ist ein Boden frei von anthropogener Beeinflussung, dann
lassen sich oft typische Abfolgen von Lagen im sog. Auflagehorizont (O) bzw.
humusangereicherten Ah-Horizont erkennen. Der Humus im Auflagehorizont (O) wird auch
6
Brucker, Kalusche: Bodenbiologisches Praktikum S. 72
als Ektohumus bezeichnet und ist nur mit wenig Mineralischem vermischt, so dass er
hauptsächlich aus biogenen Bestandteilen zusammengesetzt ist. Humus im Ah-Horizont
entsteht aus dem Ektohumus und wird wegen der Durchwurzelung, Biomixion und
Infiltration als Endohumus bezeichnet7.
Durch den folgenden einfachen Versuch kann man mittels der Farbe den Humusgehalt
abschätzen.
VERSUCH 33: HUMUS IM BODEN / G RAUWERT ABSCHÄTZEN
Materialien
Erdproben, Wasser
Durchführung Erde im Handteller mit Wasser so mischen, dass Erde noch nicht glänzt und
die Graufärbung abschätzen
Ergebnis
siehe Tabelle 2
Zeit
3 min.
Tabelle 2: Humusgehalt (Massenanteil in %) durch Abschätzung des Grauwertes (nach BOCHTER S. 86)
Grauwert
Sande
Lehme
und
Tone
weiß
-
Schluffe
-
grauweiß
-
< 0,2
0,2-0,5
hellgrau
< 0,2
0,2-0,5
0,5-1
grau
0,1-1
0,5-2
1-4
dunkelgrau
1-2
2-4
4-8
schwarzgrau
2-4
4-8
8-15
schwarz
4-15
8-> 15
> 15
< 0,2
VERSUCH 34: HUMUS IM BODEN / ORGANISCHE SUBSTANZ ABSCHÄTZEN DURCH
GLÜHVERLUST
Materialien
Erdproben,
Alu-Aschenbecher oder Buttertöpfchen, Teelicht, Stöfchen, Waage
Durchführung
Ergebnis
7
7 g Erde im Aschenbecher wiegen und stark erhitzen (Flamme genau unter
der Probe). Dabei entsteht ein beißender Geruch! Erneut abwiegen, um die
Differenz zu ermitteln.
- Organische Bestandteile werden verbrannt (im GS-Bereich kann der
KUNTZE/ ROESCHMANN/ SCHWERDTFEGER: Bodenkunde. Verlag Eugen Ulmer
Stuttgart,1994, 5. Auflage, S. 104
Zeit
Wasseranteil, der verdampft, vernachlässigt werden),
Aus der Differenz ermittelt man den Humusanteil (die organischen,
verbrannten Bestandteile) in g
Den Anteil liest man aus der Tabelle ab
je Probe 5 min.
Experimentieren Kinder mit Tieren, so muss darauf geachtet werden, dass die Tiere auch
wieder an gleicher Stelle bzw. an Orten mit ähnlichen Lebensbedingungen zeitnah
ausgesetzt werden.
Auf einem Hektar Boden erzeugen Milliarden von Bodenorganismen in einem perfekten
Recyclingprozess den fruchtbaren Humus. Ohne die Zersetzer wäre die Erde bereits an
Nährstoffmangel zugrunde gegangen oder im Abfall erstickt. Eine 100jährige Buche wirft im
Herbst eine halbe Million Blätter ab. Unter ihr sammelt sich so eine bis zu 10 cm dicke
Laubschicht an. Diese wird innerhalb von 3 Jahren durch die Bodenorganismen zu Humus
umgesetzt.
VERSUCH 35: SICHTBARMACHUNG DER ZERSETZUNG EINES LAUBBLATTES
Materialien
Durchführung
Ergebnis
Zeit
Laubstreu
Heraussuchen von unterschiedlichen Stadien des Laubfraßes
siehe Abb. 28
3 min.
Abb. 28: Unterschiedliche
Stadien der
Laubstreuzersetzung
VERSUCH 36: LAUBSTREUUNTERSUCHUNGEN
Materialien
Laubstreu,
Pinzette, Pinsel, Bestimmungshilfen, Lupe, evtl. Binokular, weiße Schalen
u./o. Petrischalen
Durchführung
-
Ergebnis
Zeit
Laubstreu in weiße Schalen füllen und mit Pinsel und Pinzette Tiere
auslesen und
In eine andere Schale zum Untersuchen mit der Lupe o. Binokular
umsetzen,
Mit Bestimmungstafeln vergleichen
Feststellen der Beinanzahl und Bestimmungstafeln
Eingruppierung des Lebewesens
5-20 min. je nach weiterer Aufgabenart
ermöglichen
BODENSCHUTZ
Bodenerosion ist einerseits die durch menschliche Aktivitäten erfolgte Abtragung von
Bodenmaterial und dessen Verlagerung durch Wasser und/oder Wind, andererseits auch ein
natürlicher Prozess, der von der Gestalt und Vegetation der Erdoberfläche abhängt.
Zahlreiche Forschungsergebnisse8 belegen, dass in Deutschland seit dem frühen Mittelalter
auf ackerbaulich genutzten Hängen durchschnittlich 50 cm Boden abgetragen wurden. Die
Natur kann aber nur etwa 0,1 mm Boden pro Jahr neu bilden, d. h. dass aktuell Boden 4-mal
schneller abgetragen als neu gebildet wird.
Die Winderosion (Deflation) findet vor allem auf ebenen, vegetationsfreien bzw. -armen
Flächen bei heftigen Winden statt.
Die Bodenerosion durch Wasser ist der Oberflächenabfluss eines Teils der Niederschläge.
Wetterereignisse, wie Starkregen und Schneeschmelzen, oder Oberflächenstrukturen, wie
Hangneigung, sowie die Art der Bodenbearbeitung (und der daraus resultierenden
Bodenverdichtung) spielen eine wesentliche Rolle.
Im folgenden Versuch wird die Erosion durch Wasser simuliert:
VERSUCH 37: EROSIONSEXPERIMENT
Materialien
Erde mit und ohne Pflanzen (z. B. Grasnarbe),
2 Plastikflaschen 1,5 l (alternativ Obstkisten o.ä.), Gießkanne, Wasser, große
Auffangwanne (Kleinkindbassin), Schere
Durchführung
Ergebnis
Zeit
Versuchsdurchführung möglichst im Freien-Matschgefahr!
- 2 Plastikflaschen einschneiden,
- Erde mit und ohne Pflanzenbewuchs in die Flaschen einfüllen,
- Flaschen in gleiche und später in unterschiedliche „Hang“- Neigung
bringen,
- Auffangbehälter unter stellen und Wasser aufgießen
Im Auffangbecken der Erdflasche befinden sich mehr Bodenteile als bei der
bepflanzten Schale
Versuchsansatz 10 min, Versuch 4 min
Ausgehend von den Erkenntnissen zur Laubstreuzersetzung können Überlegungen angestellt
werden, ob alle Materialien gleich gut abgebaut werden, also „verschwinden“. Es eignet sich
für den folgenden Versuch, der diese Situation simulieren soll, Produkte aus dem Alltag der
Grundschüler. Emotional werden die Schüler berührt, wenn der Kollege z. B. von einem
Waldspaziergang erzählt, bei dem er diese Produkte nach einem Picknick liegen sah. Nun
kann überlegt werden, ob diese Dinge in der Natur ebenso wie Laub und tote Organismen
recycelt werden. Mit dem Experiment wird die Vermutung überprüft. Das regelmäßige
Beobachten kann dabei geschult werden. Am Ende sollten die Schüler selbständig erkennen,
dass man im Wald keinen Müll liegen lassen darf.
8
http://www.smul.sachsen.de/umwelt/download/klima/AnneMichael.pdf
Das ist wissenschaftliches Arbeiten: Problem-Hypothese-Überprüfung durch ein ExperimentAuswerten-Schlussfolgerungen ziehen.
VERSUCH 38: VERROTTUNG VON MATERIALIEN IM MINIGE WÄCHSHAUS
Materialien
Erde mit Bodentieren, verschiedene Materialien zum Verrotten (Apfel, Salat,
Laubblatt, Brot, Plastiktüte, Blech…),
Minigewächshaus, Pflanzbehälter, Wassersprühflasche
Durchführung



Ergebnis
Zeit
Pflanzbehälter im Minigewächshaus mit Erde füllen, Materialien zur
Verrottung auflegen, alles befeuchten, Gewächshaus luftdicht
verschließen, siehe Abb. 29
regelmäßiges Befeuchten. Vorsicht! Pilzsporen: Im Freien öffnen
oder durch kleine Öffnungen gießen / sprühen, nichts inhalieren
Langzeitbeobachtung
nach1-2 d farbige Veränderungen und Pilzbewuchs, in den nächsten 4 Wo
Veränderungen des Pilzbewuchses und Verschwinden des organischen
Materials, Plastik etc. unverändert
Versuchsansatz 10 min, Beobachtungszeitraum: mind. 4 Wo
Abb. 29: Minigewächshaus
VERSUCHE MIT LEBENDEN TIEREN FÜR SCHÜLER DER UNTERSTUFE / SEK I
In diesem Abschnitt sind Experimente dargestellt, die nach Ansicht der Autorin, ein größeres
Gefahrenpotential darstellen bzw. so aufwendig sind, dass dies im Unterricht in der
Grundschule nicht zu vertreten wäre. Selbstverständlich kann jeder Kollege, der einen
Versuch für geeignet hält, verantwortungsvoll auch jüngere Schüler experimentieren lassen.
Das trifft vor allem auf einige der folgenden Versuche zu. Weiterführende Experimente sind
in der Beschreibung des Bodenbiologischen Praktikums zu finden.
Zur Meldepflicht entsprechend des Tierschutzgesetz (TierSchG)9:
In Deutschland müssen bei Forschungsarbeiten mit Tieren und Pflanzen die geltenden Tier-,
Natur- und Artenschutzgesetze eingehalten werden. Jeder Tierversuch muss (vor Beginn der
Arbeit!) von einem Tierschutzbeauftragten oder einer Forschungseinrichtung genehmigt
werden. Bei einfachen Versuchen reicht es oft aus, wenn der Lehrer sich telefonisch mit dem
zuständigen Ansprechpartner für Tierschutz berät und sich auf diesem Weg eine
Genehmigung einholt.
UNTERSUCHUNGEN ZUR ANATOMIE VON TIEREN
Wenn Kinder Tiere den tierischen Körper betrachten, müssen sie Zeit dafür bekommen. Es
empfiehlt sich, Beobachtungsschwerpunkte vorzugeben. Die Aufmerksamkeit des Schülers
wird somit zielgerichteter und genauer. So ist er in der Lage, die Keller- von der Mauerassel
anhand zwei oder drei der Fühlerendglieder zu unterscheiden.
VERSUCH 39: UNTERSUCHUNGEN ZUR ANATOMIE VON TIEREN
Materialien
Lebende Tiere oder Tierleichen aus Spinnennetzen,
vorhandene Optik der Schule (Lupen, Becherlupen, Binokular, Mikroskop),
Schalen mit Deckel, Pinsel / Pinzetten / Zahnstocher, Behältnisse,
Bestimmungsliteratur
Durchführung
Ergebnis
Zeit
-
Beobachtungsschwerpunkte vorgeben,
Tiere in Schale setzen und mit Optik betrachten,
Je nach Aufgabenstellung zeichnen, formen oder beschreiben
Zeichnung, Form oder Beschreibung mit dem vorgegebenen
Beobachtungsschwerpunkt und mit der Bestimmungsliteratur vergleichen
5-30 min.
VERSUCH 40: REGENWURM: FORTBEWEGUNG
9
TierSchG in der Fassung, der Bekanntmachung vom 25. Mai 1998 (BGBl. I S. 1105), geändert
durch Artikel 2 des Gesetzes vom 12. April 2001 (BGBl. I S. 530)
Materialien
Lebender Regenwurm, Papier
Durchführung
- Regenwurm über Papier kriechen lassen,
- Muskulatur des Wurmes beim Kriechen beobachten
Ergebnis
Zeit
Ein kratzendes Geräusch durch die Borsten des Regenwurms ist zu hören,
während er über das Papier kriecht, Zusammenziehen und Strecken des
Wurmes
3 min.
VERSUCH 41: REGENWURM: WASSERAUFNAHME UND –ABGABE DURCH DIE HAUT
Regenwürmer haben eine dünne Haut. Durch sie atmen sie und nehmen Stoffe auf.
Verschiedene Lösungen diffundieren je nach Konzentrationsgefälle in das Coelom. In einer
hypotonischen Lösung nimmt er an Masse zu, bei einer isotonischen bleibt sein Gewicht
gleich. Er verliert Gewicht in einer hypertonischen Lösung. In diesem Experiment werden 3
verschiedene Lösungen entsprechend eingesetzt.
Materialien
Wasser, (hypotonische Lösung)
9 etwa gleich große, lebende
Natriumchloridlösung (NaCl) 2%ig, Regenwürmer
100 mL, (hypertonische Lösung)
3 große Petrischalen mit Deckel,
Natriumchloridlösung
(NaCl) Filterpapier, Waage
0,45%ig,
Lösung)
Durchführung
Ergebnis
100
mL,
(isotonische
Petrischalen A, B, C beschriften,
 in A Wasser,
 in B 2%ige NaCl- Lösung,
 in C 0,45%ige NaCl- Lösung füllen,
- je 3 abgetrocknete Regenwürmer wiegen und in die Petrischalen
legen und abdecken,
- nach 40 min. Würmer herausnehmen und erneut wiegen
Regenwürmer aus A sind schwerer geworden, aus B leichter, C keine
Veränderung
-
A: Salzkonzentration in Zellen des Wurms höher, daher Wasseraufnahme
B: Salzlösung stärker konzentriert als Körperflüssigkeit, daher Wasseraustritt
Zeit
C: Lösung entspricht ungefähr dem Salzgehalt der Zellen und Gewebe, daher
keine Veränderung
45 min.
VERSUCH 42: SCHNECKE FORTBEWEGUNG
Dieser Versuch ist kombinierbar mit dem Experiment Schnecke: Nahrungsaufnahme.
Materialien
Lebende Schnecke,
Glasscheibe (von Bilderrahmen), Lineal, Stoppuhr
Durchführung
-
Ergebnis
Zeit
Schnecke auf glatter Oberfläche kriechen lassen, auch von unten
beobachten,
Mit Lineal zurückgelegte Strecke nach 1 min. messen und
Schneckentempo berechnen in cm / min. in km / h
Schnecke hinterlässt Schleimspur, Schneckentempo Weinbergschnecke: ca.
8 cm / min
30 min.
Für Kinder ist es faszinierend, die Tausendfüßer zu beobachten. Ihre wellenartigen
Bewegungen der Beine begeistern. Es bieten sich für diese Beobachtungen Tiere an, die in
der Laubstreu (siehe Versuch 36: Laubstreuuntersuchungen) gefunden wurden: Steinläufer, Erdläufer,
Schnurfüßer und Bandfüßer an.
Versuch 43: Tausendfüßer Fortbewegung
Materialien
Lebende Doppelfüßer, Hundertfüßer,
Je nach Größe der Tiere weiße Schale, Pappkartondeckel oder Glasscheibe
(von Bilderrahmen), Lineal, Stoppuhr
Durchführung
-
Ergebnis
Tausendfüßer in Behältnis kriechen lassen, mit Hilfe der Glasscheibe
Bewegung von unten beobachten
Mit Lineal zurückgelegte Strecke in 30 sec. messen oder Zeit
erfassen, die Tausendfüßer zum Bewegen aller Beine benötigt (eine
Beinwelle von vorn bis hinten)
Tausendfüßer bewegen sich durch wellenartiges, zeitversetztes Bewegen
der Beine fort,
Hundertfüßer: haben 1 Paar Beine pro Segment, am Kopf Antennen, bei
Beobachtung der Unterseite: Giftklauen am Kopf sind gut sichtbar, letztes
Beinpaar oft zu Zangen ausgebildet
Zeit
Diplopoden (Doppelfüßer) haben meist 2 Paar Beine pro Segment, an der
Seite befindliche „Punkte“ sind die Wehrdrüsen, Kopf ähnelt einem
Rammbock (z. B. bei Julidae), Antennen, bei Beobachtungen der Unterseite:
Unterscheidung der Geschlechter möglich: Geschlechtsöffnung hinter dem
2. Laufbeinpaar sichtbar
20 min.
Für die Beobachtung von Insekten sind vor allem Käfer, Ohrwürmer oder Feuerwanzen
geeignet. Ist ein Formicarium vorhanden, sind Betrachtungen von Ameisen unter
Berücksichtigung der nötigen Vorsichtsmaßnahmen möglich (siehe Versuch 58:
Beobachtungsexperiment zur Futterübergabe bei Ameisen).
VERSUCH 44: INSEKTEN: FORTBEWE GUNG
Materialien
Lebende Insekten,
Je nach Größe: Petrischale mit Deckel, Stoppuhr
Durchführung
Ergebnis
Zeit
-
Insekten in Behältnis kriechen lassen
Beobachtungen von allen Seiten möglich
Insekten haben Mundwerkzeuge, Fühler und Komplexaugen am Kopf, der 3
Beinpaare und meist 2 Paar Flügel am Brustabschnitt und im Hinterleib alle
inneren Organe, dort sind oft die sogenannten Cerci (Hinterleibsanhänge)
auffällig
20 min.
Der folgende Versuch ist nur wiederholt durchführbar, wenn mehrere mit Erde gefüllte
Blumentöpfe vorhanden sind. Eine erhöhte Beobachtungskonzentration der Kinder muss
eingefordert werden.
VERSUCH 45: SPRINGSCHWÄNZE FORTBEWEGUNG
Materialien
Bepflanzte, mit Erde befüllte Blumentöpfe, Zahnstocher, Gießwasser
Durchführung Blumentopf gießen oder mit Zahnstocher die Blumenerde berühren
Ergebnis
Kleine, an der Oberfläche lebende Springschwänze springen weg (man sieht
kleine weiße Punkte hüpfen)
Zeit
3 min.
UNTERSUCHUNGEN ZU SI NNESLEISTUNGEN VON TIEREN
VERSUCH 46: LICHTSINN
Materialien
Lebende Regenwürmer, Asseln o.a., Schale, schwarzes Papier
Durchführung
- Einen Teil der Petrischale mit schwarzem Papier abdecken,
- Tiere einsetzen und Bewegung beobachten,
- Abdeckung verändern,
- erneut beobachten
Ergebnis
Zeit
Die meisten Bodentiere scheuen das Licht, verkriechen sich ins Dunkle
5 min.
TASTSINN
VERSUCH 47: BERÜHRUNGSREIZ REG ENWURM: FLUCHTREAKTI ON
Materialien
Regenwurm, Schale, Stift
Durchführung
- Regenwurm vorsichtig mit Stift an beiden Enden berühren,
- Reaktion beobachten
Ergebnis
Zeit
Am Vorderende besitzt der Regenwurm mehr Sinneszellen und zuckt bei
Berührung zurück
3 min.
VERSUCH 48: BERÜHRUNGSREIZ ROLLASSEL, TAUSENDFÜßER: EINROLLVERMÖGEN
Materialien
Rollassel, Tausendfüßer, Schale, Stift
Durchführung Tiere vorsichtig mit Stift berühren, Reaktion beobachten
Ergebnis
Bei Berührung rollen sich Rollassel und Doppelfüßer ein, um sich zu
schützen
Zeit
3 min.
VERSUCH 49:
THIGMOTAXIS
BERÜHRUNGSREIZ
OHRWURM,
KELLER-
UND
MAUERASSELN:
Materialien
Ohrwurm, Keller- und Mauerasseln, Petrischale, Stift
Durchführung Tiere vorsichtig mit Stift berühren, Reaktion beobachten
Ergebnis
- Bei Berührung schmiegen sich Ohrwurm, Keller- und Mauerasseln
mit dem gesamten Körper am Rand der Schale an den Untergrund
(Thigmotaxis),
- Von unten bei Petrischale gut zu beobachten
Zeit
3 min.
VERSUCH 50: BERÜHRUNGSREIZ SCHNECKE: FLUCHTREAKTION
Materialien
Schnecke, Schale, Stift
Durchführung
- Schnecke vorsichtig mit Stift an Fühlern und anderen Körperteilen
berühren,
Ergebnis
Zeit
Fühler werden eingezogen, Gehäuseschnecken ziehen sich in ihr Haus
zurück, Nacktschnecken rollen sich ein
5 min.
VERSUCH 51: BERÜHRUNGSREIZ OHRWURM IN UNTERSCHIEDLICHER INTENSITÄT
Materialien
Ohrwurm, Keller- und Mauerasseln
Petrischale, Pinsel, Nadel, Stift, Pinzetten
Durchführung
-
Ergebnis
Zeit
Ohrwurm mit unterschiedlicher Intensität an verschiedenen
Körperteilen berühren,
Reaktion beobachten
Bei Berührung mit den verschiedenen Materialien sind folgende Reaktionen
zu erwarten: Bein putzen, Abheben des Hinterleibes, Präsentieren der
Zangen, Zupacken mit den Zangen, Flucht, Thigmotaxis (s. o.)
3 min.
VERSUCH 52: BERÜHRUNGSREIZ OHRWURM: AKINESE (TOTSTELL-REAKTION)
Materialien
Durchführung
Ohrwurm, Petrischale, Filterpapier, Pinzette
- Tiere vorsichtig mit Pinzette an Zangen gefasst rückwärts über
Oberfläche ziehen,
Ergebnis
Nach anfänglichen Klammerversuchen am Untergrund stellt sich der
Ohrwurm tot (völlige Bewegungslosigkeit), Dauer von 2 s-½ Stunde
3 min.
Zeit
Rüsselkäfer (Curculionidae), Borkenkäfer (Scolytidae), Schnellkäfer (Elateridae) und
Marienkäfer (Coccinellidae) zeigen die gleiche Reaktion.
VERSUCH 53: BERÜHRUNGSREIZ OHRWURM: REAKTION DER FÜHLER (ANTENNEN)
Materialien
Ohrwurm, Glasröhre
Durchführung
- Ohrwurm vorwärts und rückwärts durch eine Glasröhre laufen lassen
und
Ergebnis
Zeit
Fühler beobachten
Jeweils ein Fühler (hat viele Tasthaare) tastet an der Glaswand zur
Orientierung entlang
3 min.
VERSUCH 54: FEUCHTIGKEITSINN
Materialien
Durchführung
Wasser, lebender Regenwurm, Filterpapier, Petrischale
- Petrischale halb mit feuchtem, halb mit trockenem Filterpapier
auslegen,
- Wurm in die Mitte legen und
- Bewegungsrichtung beobachten
Ergebnis
Zeit
Regenwurm kriecht auf die feuchte Seite der Petrischale
3 min.
VERSUCH 55: CHEMISCHER REIZ
Materialien
Lebender Regenwurm, Essig, Wattebausch, Petrischale
Durchführung Etwas Essig auf Wattebausch tröpfeln und dem Wurm hinhalten, Reaktion
des Wurmes beobachten
Ergebnis
Regenwurm wendet sich von Essig ab
Zeit
3 min.
UNTERSUCHUNGEN ZUR LEBENSTÄTIGKEIT UND LEBENSWEISE VON TIERE N
VERSUCH 56: DURCHMISCHUNGSVERSUCH MIT REGENWÜRMERN
Um die Lebensweise von Regenwürmern darzustellen, kann jeder Schüler sich ein
Regenwurmterrarium anlegen und die Tiere beobachten. Einer PET-Flasche wird das Oberteil
abgeschnitten und als Trichter verwendet. Dann wird der Flaschenkörper abwechselnd mit
Erde und Sand gefüllt, mit Regenwürmern besetzt und etwas pflanzliche Nahrung
(geriebener Apfel, Laub, Gras) zugefügt und das Ganze mit Lebensmittelfolie abgedeckt. Der
Versuchsansatz wird 14 Tage stehen gelassen, so dass die Schüler ein Beobachtungsprotokoll
aller 2 Tage anfertigen und zur Benotung abgeben können. Während dieser Zeit sollte die
Oberfläche ab und zu befeuchtet werden.
Materialien
3-5 Regenwürmer, Nahrung (Apfel, Salat, Laub…),
1-1,5 l-PET- Flasche, Schere,
Wassersprühflasche, Folie
Durchführung
Ergebnis
Zeit
-
Erde,
Sand
(z.
B.
Vogelsand),
,
Einer PET-Flasche den oberen Teil abschneiden und
Abwechselnd Erde- und Sandschichten einfüllen,
Regenwürmer einsetzen und pflanzliche Nahrung auflegen,
Regelmäßig Befeuchten, evtl. mit Folie abdecken,
Langzeitbeobachtung (siehe Abb. 30 oben)
Regenwürmer vergraben sich, Gänge werden sichtbar, Erde und Sand
vermischen sich zunehmend, die Schichten sind nicht mehr eindeutig
auszumachen (siehe Abb. 30 unten)
Versuchsansatz 30 min, Beobachtungszeitraum: mind. 14 d, Protokoll über
7d
Abb. 30: Regenwurm-Durchmischungsversuche
NAHRUNGSAUFNAHME
Es gibt viele Möglichkeiten, die Nahrungsaufnahme quantitativ und qualitativ zu
beobachten. Es könnte interessieren, wie viel pro Zeiteinheit gefressen wird (Fraßleistung),
welche Arten welche Nahrung fressen (die Ermittlung Nahrungspräferenz) und wie sich die
Temperatur auf das Fressen auswirkt. Die Nahrungsmengen können berechnet werden
durch:
-
die Ermittlung der Gewichtsdifferenz (sehr feine Waage notwendig),
der abgegebenen Losungen,
der Berechnung der gefressenen Blattfläche.
So bieten sich vielfältige Möglichkeiten, die Schüler je nach Alter und mathematischen
Fähigkeiten die Nahrungsaufnahme von Bodentieren berechnen zu lassen.
VERSUCH 57: NAHRUNGSAUFNAHME VON BODENTIEREN
Materialien
Genormte Laubblattstücke (z. B. 1 x 1 cm groß) verschiedener Bäume,
lebende Asseln, Tausendfüßer,
PVC-Gefäß,
Durchführung
Ergebnis
Zeit
-
Je 4 Tiere mit 4 Laubblattstücke in Behälter setzen,
Gesamtes Gefäß dunkel stellen und
Nach 24 h Nahrungsreste kontrollieren (Ob und was wurde
gefressen?)
Tiere bevorzugen weichere Blätter, z. B. Birke, Ahorn und Eiche weniger, oft
allerdings nur Aufnahme von Pflanzen vom Fundort der Tiere
Versuchsansatz: 3 min., Versuch: 24 h und länger
VERSUCH 58: BEOBACHTUNGSEXPERIMENT ZUR FUTTERÜBERGABE BEI AMEISEN
Ameisen können in Formicarien10 gehalten werden, aber auch nur für einen Versuch ins
Haus geholt werden. Die Autorin bevorzugt eine PVC-Schale mit Deckel (Vorsichtsmaßnahme
zum schnellen Verschließen des Gefäßes), deren Rand sehr breit mit flüssigem, milchig
weißem Teflon (eine Art Kunststoff, welcher auch oft als Antihaftmittel eingesetzt) wird
bestrichen wird. Flüssiges PTFE GP1 ist im Internet11 (ab 10 mL) bestellbar und die
Verwendung dort beschrieben. Es ist eine ideale Ausbruchssicherung für Ameisen. Der
unverdünnt aufgetragene Film ist lange haltbar, die Ameisen finden darauf keinen Halt und
rutschen ab. Vor Gebrauch sollte gut geschüttelt werden. Der Film muss am Rand etwa 3mal so breit sein, wie die Ameisen lang sind.
Durch das Teflon können die Ameisen die Schale nicht verlassen. Honig stellt eine
Nahrungsquelle dar. Findet eine den Honig, wird sie bei der Begegnung mit einer
Artgenossin diese betrillern (mit Fühlern betasten) und dann füttern.
Materialien
Ameisen, Honig,
PVC-Gefäß mit Deckel, flüssiges PTFE (flüssiges Teflon),
Durchführung
-
Ergebnis
Zeit
PVC-Gefäß am Rand mit flüssigem Teflon bestreichen und trocknen
lassen,
Etwas Honig in die Mitte tropfen, Ameisen einsetzen,
Beobachten
Tiere laufen zunächst stark umher, wird der Honig gefunden, werden
vorbeilaufende Tiere betrillert und gefüttert
Versuchsansatz: 30 min., Versuch: 10 min.
10
weitere Informationen unter URL: http://www.ameisenhaltung.de/formicarien/
11
Bezugsadresse für flüssiges Teflon: URL: http://www.antstore.net
VERSUCH 59: NAHRUNGSAUFNAHME BEI SCHNECKEN
Die mit Zähnchen besetzte Raspelzunge der Schnecken wird Radula genannt. Sie kann
sichtbar gemacht werden, indem einer Schnecke Nahrung auf einer Glasscheibe angeboten
wird. Gleichzeitig bewegt sich die Schnecke vorwärts, so dass dieser Versuch auch gut mit
dem Experiment Fortbewegung der Schnecke (s.o.) kombiniert werden kann.
Materialien
Lebende Schnecken, Zucker, Mehl, Wasser,
Glasscheibe (von Bilderrahmen), Uhrglasschälchen, Holzstäbchen,
Durchführung
-
Ergebnis
Zeit
Im Uhrglasschälchen etwas Wasser mit Zucker und Mehl zu dickem
Brei verrühren,
Brei auf die Glasplatte auftragen,
Schnecken aufsetzen,
Auf der Unterseite der Glasscheibe beobachten
Schnecke schabt den Brei mit der Zunge unter leckenden Bewegungen ab
10 min.
EXPERIMENTE FÜR DIE KLASSENSTUFEN 8-12
BODENBIOLOGISCHE MET HODEN: BODENORGANISMEN SICHTBAR MACHEN
Eine der wertvollsten Einblicke in das geheime Leben der unzähligen Bodenbewohner
ermöglicht man den Schülern durch Untersuchungen von Laubstreu. In einer Hand voll
mitteleuropäischer Erde hat man mehr Lebewesen als Menschen auf der Erde leben. Diese
Tiere werden neben systematischen Gruppen auch entsprechend ihrer Größen oder
Lebensweise geordnet. Man unterscheidet somit die Mikro-, Meso-, Makro-, und
Megafauna.
Neben Bakterien und Pilzen können unter dem
Mikroskop im Wasserfilm des Bodens lebende
Protozoen sichtbar gemacht werden. Nematoden
(Fadenwürmer) gewinnt man, durch den Einsatz
einer „Baermann“-Apparatur: Hier werden Tiere in
Wasser suspendiert. Springschwänzen, Milben,
Enchyträen und Bärtierchen wird man durch eine
Berlese- Apparatur habhaft. Käfer, Doppelfüßer und
Asseln liest man mit Pinzette oder Exhaustor aus
der Laubstreu oder fängt sie mit einer Barberfalle.
Regenwürmer können durch Wasser, Senf oder Strom aus dem Boden getrieben werden.
Vorteilhaft ist das Betrachten der Tiere unter einer Stereolupe, dem Binokular. Mittlerweile
gibt es robuste Angebote Geräte mit Akkubetrieb, Auf- und Durchlicht zum Betrachten der
Probe, die man auch mit auf Exkursion nehmen kann. Eine Vergrößerung zwischen 20- und
40fach ermöglicht faszinierende dreidimensionale Einsichten in die Anatomie und das
Verhalten der Tiere. Hilfreich zum Auflesen der zarten Organismen sind Pinsel, Zahnstocher,
Uhrmacher- oder Federstahlpinzetten sowie Exhaustoren. Mit diesen kann man flinke, zarte
Tiere einfach „aufsaugen“.
Vorschlag zur methodisch- didaktischen Vorgehensweise
Um Schülern das unterirdische Leben nahe zu bringen, muss
man es also ans Tageslicht befördern, da ein Eintauchen, wie
in einem aquatischen Ökosystem, nicht möglich ist. Es
empfiehlt sich, die Organismen und ihren Lebensraum
zunächst vorzustellen. Danach ist die Neugier für die
Thematik geweckt und die praktischen Arbeiten können
beginnen.
Die Schüler bilden Gruppen von je 4 (-max. 5) Personen und legen fest, wer von ihnen den
Boden aus Wald, vom Feld, von der Wiese und vom Beet (Straßenrand) bearbeiten wird. Die
Proben werden im Fachunterricht Chemie, Physik und Biologie untersucht.Bevor die
Versuche mit den Böden beginnen, sollte jeder Schüler sich als erstes die dafür benötigten
Geräte selbst herstellen. Sie kommen dann, je nach Arbeitsauftrag (siehe S. 61) in der Schule
oder wie von der Autorin erprobt, bei den Gymnasiasten zu Hause zum Einsatz.
Ein Planungsvorschlag folgt auf S. 63.
KOMPLEXE LEISTUNG IM FACH NATURWISSENSCHAFTLICHES PROFIL
Aufgabe:
Jede Schülergruppe fertigt eine Web – Site und dokumentiert damit die Versuche anhand der
Protokolle aus dem Fachunterricht.
Durchführung:
Bildet eine Schülergruppe mit einer Stärke von genau 4 Schülern (max. 5).
Jeder Schüler der Gruppe ist für Boden eines anderen Standortes (Wald, Feld, Wiese, Beet,
(Straßenrand)) verantwortlich und untersucht diesen durch eine entnommene Bodenprobe
in Profil- Physik, Profil- Chemie und Profil- Biologie. Im Unterricht werden die Versuche
protokolliert und gegebenenfalls dokumentiert (Foto, Skizze, graphische Darstellung/
Protokoll). Es empfiehlt sich die sofortige Übertragung in digitale Formate.
In Profil- Informatik lernt ihr zunächst die Erstellung einer Web- Site und die Einbindung der
digitalen Dokumente.
Layout und Design der Web – Site wird in der Gruppe erarbeitet.
Die Erstellung der Boden - Web- Site erfolgt als Hausaufgabe.
Inhaltliche Anforderungen an die Web- Site:
Physik
Bestimmung
Bodenart
-
der
Untersuchungen
Wasserhaushalt
Bodens
zum
des
Bestimmung
Humusgehaltes
des
Chemie
Biologie
Nachweis von
1. Nachweis
von
löslichen
Chloriden,
Bodenleben
Sulfaten
Nachweis von
2. Belebungsgrad
des
Eisen (II)- Verbindungen
Bodens
und
Natriumverbindungen
Kalkgehalt und
3. Bestimmung
von
pH - Wert
Bodenorganismen durch
- Auswertung frischer
Proben
- Barberfalle
- Berlese – Tullgren –
Apparatur
Zusatz:
- Baermann – Trichter
- Aufschlämmung
Fachlich exakte Darstellung naturwissenschaftlicher Vorgänge in Form von
Protokollen
-
Gesamtauswertung des jeweiligen Standortes (Wald, Feld, Wiese, Beet,
(Straßenrand)) der physikalischen, chemischen Eigenschaften in Beziehung zu den
Bodenlebewesen.
Strukturelle Anforderungen:
-
-
Web – Site in ansprechendem Layout und mit einer guten Menüführung nach
XHTML-Standard
Quelltext; Jeder Schüler vermerkt im Quelltext seinen Anteil an der Gesamtleistung!
CSS-Datei
Als Hilfsmittel werden die im Informatikunterricht vorgestellten Editoren zugelassen.
Termine:
-
-
Zyklischer Fachunterricht, beginnend am 30.03.2010, Wechsel nach 2 Doppelstunden
in den nächsten Fachbereich
Abgabe der Boden - Web- Site am 25.05.2010 auf einem geeigneten
Speichermedium. Alle Schüler können die Daten auch in unserem Intranet in dem
Ordner KomplexeLeistung9 speichern. Die Ordnerbezeichnungen sollen mit dem
Namen des betreuenden Informatiklehrers beginnen.
Bewertung:
Wertigkeit: Komplexe Leistung
Fachliche und inhaltliche Einschätzung: Jeweils eine Note im Profilfach (Biologie, Physik,
Chemie)
Quelltext der Webseiten und der CSS-Datei: Note in der Profilinformatik
Kenntnisnahme der Schüler: …………………………………………………
STOFFVERTEILUNGSPLAN (LP 2004-07-09)
Nawi - Profil Klasse 9
Lage im Stundenplan: Dienstags 1. Block
Lernbereich 4: Boden Biologie
Stunden
1
2
3
4
5
6
7
8
Ziel
Zielebene
Einführung in die
Bodenbiologie
Bodenorganismen und ihr
Lebensraum
Einführung in die Komplexe
Leistung
Laubstreuuntersuchungen
Methoden der Bodenbiologie
Gerätebau
9
10
11
Biochemisches Praktikum
Exkursion zu
SKW Piesteritz/Cunnersdorf
BioChem agrar GmbH
Grundbegriffe/
Inhalte
Destruenten im Boden wirbellose Tiere,
Pilze, Bakterien
Laubstreuzersetzung
Ökosystem, Edaphon
Mykorrhiza als Symbiose Stoffaustausch,
Bedeutung dieser Symbiose
Erwartungen, Bewertung, Termine
Auslesen und Mikroskopieren von
Bodenorganismen
Lern- und
Arbeitstechniken
Bemerkungen
Frontal
Gruppenarbeit
Systematisierung
Umgang mit Computer
Frontal
Beobachten, Untersuchen,
Umgang mit optischen Geräten
Fallen, Exhaustoren
Berlese, Exhaustor, Pinzetten, Baermann
Experimentieren
Erfassen von Organismen im Oberboden
Veränderung der chemischen
Zusammensetzung
Auswirkung auf Organismen
Auswirkung von Luftschadstoffen und
Düngung auf Böden
Ursachen von Bodenverdichtung und
Bodenerosion, Bewirtschaftungsformen
Experimentieren
Auswerten statistischen
Materials
Maßnahmen zur Bodenerhaltung
Sich positionieren zur
nachhaltigen Bodennutzung und
zu Maßnahmen des
Bodenschutzes
Computerraum
vorbestellen
Laubstreu besorgen
Mikroskope,
Binokulare
Arbeitsmaterialien
bereitstellen
Beachten der
Sicherheitsbestimmungen
Beachten der
Sicherheitsbestimmungen
Elternbrief,
Genehmigung der
Schulleitung
Die Schüler entnehmen zu Hause an dem von ihnen gewählten Boden eine Probe und füllen
sie in den Berlese-Extraktor oder in den Baermann-Trichter und stellen die Barber-Falle auf.
Die Inhalte der Fallen werden dann, wie auch eine definierte Menge einer frischen Erdprobe
(eine Konservendose voll), mit in die Schule gebracht. Hier werden die Tiere aus den Fallen
mit dem Binokular untersucht und die frischen Erdproben biochemischen und physikochemischen Untersuchungen unterzogen. Die Zeitvorgaben in den Tabellen zeigen den
Zeitbedarf aus eigener Erfahrung bei straffen Arbeiten und die Machbarkeit im Unterricht in
den Gruppen.
Fallenauswertung
Mit Hilfe von Bestimmungskarten systematisiert der Schüler die gefangenen Organismen
und erhält so einen quantitativen Überblick über die Bodenfauna Innerhalb ihrer
Arbeitsgruppe bekommen die Schüler einen Überblick über die Verschiedenartigkeit des
Lebens in den Böden.
Frische Bodenprobe
Von jedem frischen Boden wird eine Probe entnommen und in eine weiße Schale gegeben.
Danach können mit Pinzette, Pinsel und Exhaustor die Bodenorganismen in eine Petrischale
auslesen werden und unter dem Binokular, Mikroskop bzw. Lupe betrachtet und bestimmt
werden. Die Schüler sollten durch problemorientierte Fragen unter Anleitung zum Nach- und
Weiterdenken veranlasst werden.
Hilfreich sind laminierte Karten mit konkreten Aufgabenstellungen sowie das probeweise
Auslesen von Laubstreu in einer der vorherigen Stunden.
Abb. 31: vorbereitete Bodenproben
BIOCHEMISCHE UNTERSUCHUNGEN 12
Belebungsgrad des Bodens durch den CO2-Nachweis
Bodenorganismen atmen. Sie nehmen Sauerstoff O 2 auf und geben das, durch
Stoffwechselprozesse entstehende Kohlenstoffdioxid CO 2 ab. Kohlenstoffdioxid CO2 reagiert
mit Bariumhydroxidlösung Ba(OH)2 zu Bariumcarbonat BaCO3, das als Niederschlag ausfällt.
VERSUCH 60: CO 2 -NACHWEIS (EINFACH)
Materialien
Erdproben,
Bariumhydroxid (Ba(OH)2), (C)
Durchführung
-
Ergebnis
Zeit
Petrischalen
mit
Deckel,
Objektträger,
Schutzbrillen,
Aufgabenkarte, Stoppuhr
Von jedem Boden eine Probe entnehmen und in eine Schale geben,
Bariumhydroxidlösung mit Pipette auf einen Hohlschliffobjektträger
tropfen,
Sofort luftdicht mit Deckel verschließen!
Mit Stoppuhr die Dauer bis zur sichtbaren Veränderung der
Chemikalienfarbe feststellen (siehe Abb. 32)
Das entstehende Carbonat bildet einen weißen Niederschlag, der die
Flüssigkeit trübt. Damit ist der Nachweis für das Vorhandensein von CO 2
erbracht. Dies ist aber keine quantitative Messung.
Die unterschiedlichen Bodenproben benötigen unterschiedlich lang, um
den weißen Niederschlag (Bariumcarbonat) zu bilden, zumeist im Wald und
Feld schneller als in Wiese und Beet
Versuchsansatz: 3 min., Versuch 5 min.
Abb. 32: CO2-Nachweis (einfach)
12
Als Grundlage für die folgenden Versuchsanleitungen nutzte die Autorin u.a. die URL
http://chids.online.uni-marburg.de/
VERSUCH 61: CO 2 -NACHWEIS (QUANTITATIV-SEK. II)
Die Titerberechnungen sollten erklärt werden, da Schüler in der Regel nur mit einwertigen
Säuren und Basen rechnen. Hier wird die zweiwertige Kohlensäure mit der einwertigen
Natriumhydroxid-Lösung titriert.
Materialien
Durchführung
getrocknete Bodenprobe,
Weithals-Erlenmeyerkolben (250 mL),
Chlorwasserstoffsäure
(HCl), 3 Einweckgläser (1 L) mit Gummi,
1
mol/l,
(C) Deckel und Klammer, Bürette,
Natronlauge (NaOH), 1 mol/l, (C) Bürettenklammer, Magnetrührer mit
Rührfisch, Bechergläser (50 mL und
Phenolphthalein (T)
100 mL)
-
200 g Bodenprobe in ein 1 l-Einweckglas füllen,
20 mL Natronlauge in ein 50 mL-Becherglas geben und in das
vorbereitete Einweckglas stellen.
Dicht verschließen und bei konstanter Temperatur 12 h stehen lassen.
Temperatur notieren.
Es empfiehlt sich, mit 2 weiteren Gläsern ebenso zu verfahren.
Nach der 12 stündigen Bebrütungszeit
den Inhalt des 50 mL-Becherglas aus dem Einweckglas in einen 250
mL-Weithals-Erlenmeyerkolben umfüllen,
- mit 50 mL Wasser und wenigen Tropfen Phenolphthalein versetzen,
- Aus der Bürette wird Chlorwasserstoffsäure unter Rühren titrieren,
bis ein Farbumschlag erkennbar ist
- Den Verbrauch von Chlorwasserstoffsäure notieren.
Titration erfolgt bis zum Verschwinden der Rosafärbung.
-
Ergebnis
Das von den Mikroorganismen ausgeschiedene Kohlenstoffdioxid wird von
den 20 mL Natronlauge im Becherglas absorbiert. Das CO 2 reagiert dabei erst
mit dem Wasseranteil der Natronlauge zu Kohlensäure, die dann mit den
Hydroxid-Ionen zu Hydrogencarbonat- bzw. Carbonat-Ionen reagieren. Der
unverbrauchte Teil der Natronlauge kann nun maßanalytisch mit Salzsäure
bestimmt werden. Phenolphthalein dient hier als Indikator.
Für die Berechnungen des entstehenden Kohlenstoffdioxids gelten folgende
Beziehungen:
CO2 (aq) + H2O (l)  “H2CO3”  H+ (aq) + HCO3-(aq)
H2CO3 (aq) + OH- (aq)  HCO3-(aq) +H2O (l)
H2CO3 (aq)+ 2 OH- (aq)  CO32- (aq) + 2 H2O (l)
2n (CO2) = (OH-)-nun (OH-) = n (OH-)
n0 = Ausgangsstoffmenge
Beispiel: Titerbestimmung:
nun
=
Stoffmenge
unverbrauchte
20 mL NaOH Vorlage
Verbrauch HCl: c = 0,1 mol/l = 18,4mL
Titer= tatsächlicher Verbrauch = 18,4mL = 0,9 mol/l
theoretischer Verbrauch
20 mL
c (NaOH) = 0,09 mol/l
n0(OH-) = V (HCl) • c (NaOH)
= 0,02 l • 0,09 mol/l
= 0,0018 mol
= 1,8 mmol
nun(NaOH) = V (HCl) • c (HCl)
= 0,01l • 0,1 mol/l
= 0,001 mol
= 1 mmol
2n(CO2)= n0(OH-)-nun (OH-) = n (OH-)
= 1,8 mmol/l-1 mmol
= 0,8 mmol
/:2
n (CO2) = 0,4 mmol
m(CO2) = M (CO2) • n (CO2)
= 44 mg/mmol • 0,4 mmol
= 17,6 mg
Die Bodenorganismen in 200 g Boden haben in 12 h 17,6 mg CO 2
ausgeschieden.
Zeit
Vorbereitung: 12 h, Durchführung: 15 min
BELEBUNGSGRAD DES BODENS DURCH DEN KATALASE-NACHWEIS
Der Belebungsgrad eines Bodens kann durch den Katalase-Nachweis bestimmt werden. Als
Indikatorreaktion wird der durch das Enzym Katalase beschleunigte Wasserstoffperoxid-
Zerfall benutzt. Wie kommt Katalase in den Boden? Mikrobodies in den Zellen der
Organismen sind Zellorganellen, die das Enzym Katalase bilden, das das für die Zelle giftige
Wasserstoffperoxid zersetzt. Das während Stoffwechselprozessen entstandene
Wasserstoffperoxid zerfällt so in die ungiftigen Stoffe Wasser und Sauerstoff. Die
Bodenorganismen produzieren in ihren Zellen sehr viel Katalase, so dass das überschüssige
Enzym von ihnen ausgeschieden wird. Da es relativ stabil ist, kann es im Boden
nachgewiesen werden.
Ist der Boden Katalase-reich, sind viele Organismen an der Humusbildung beteiligt.
VERSUCH 62: KATALASE-NACHWEIS (EINFACH)
Materialien
Durchführung
Wasserstoffperoxid (H2O2) 3%ig, (O, Uhrglasschalen,
Schutzbrille,
C),
Handschuhe, Aufgabenkarte (siehe
Erdproben ohne Wurzeln,
Abb. 33)
-
Von jedem Boden eine Probe entnehmen und in eine Uhrglasschale
geben,
H2O2 mit Pipette auf die Probe tropfen,
Intensität der Reaktion beobachten und abschätzen
Ergebnis
Weiterführende Experimente: Versuch 63, Versuch 91.
Wasserstoffperoxid lässt die Bodenproben unterschiedlich stark aufbrausen
Zeit
Zumeist reagieren Wald und Feld stärker als solche aus Wiese und Beet
Abb. 33: Aufgabenkarte zu Katalase-Nachweis
VERSUCH 63: KATALASE- NACHWEIS (QUANTITATIV SEK. II)
Materialien
Erdproben
ohne
Wurzeln, Erlmeyerkolben,
durchbohrter
Wasserstoffperoxidlösung
(H2O2), Stopfen, Schlauch, pneumatische
3%ig,
(O,
C) Wanne,
Reagenzglas
bzw.
Wasser
Messzylinder, Pipette, trockene
Stoppuhr, Schutzbrille, Handschuhe,
Aufgabenkarte
Durchführung
-
Ergebnis
Von jedem Boden 5 g trockene, wurzellose Probe entnehmen und in
den Erlmeyerkolben geben,
Pneumatische Wanne und Reagenzglas füllen und bereitlegen,
10 mL H2O2 mit Pipette bzw. Spritze auf die Probe tropfen,
Stopfen auf Erlmeyerkolben stecken und
Den sich entwickelnden Sauerstoffs auffangen (siehe Abb. 34),
Zeit (min) und verdrängtes Wasser (mL) messen, auswerten
Die Menge des aufgefangenen Sauerstoffs ist unterschiedlich.
Bei Proben aus Wald und Feld entsteht mehr O 2 als in Proben von Wiese
und Beet, korreliert meist mit CO2- Test.
Zeit
Zur Auswertung die Menge des aufgefangenen Sauerstoffs pro Minute mit
Tabelle 3: Bestimmung der Bodenqualität durch den Katalasewert (mL
O2/min.) vergleichen
Abb. 34: Versuchsaufbau Katalase-Nachweis (quantitativ Sek. II)
Tabelle 3: Bestimmung der Bodenqualität durch den Katalasewert (mL O2/min.)
Katalasewert (mL O2/min.)
0-5
6-14
15-25
26-49
50 & höher
Bodenbeurteilung
sehr schlecht
schlecht
befriedigend
gut
sehr gut
aus: Praxis der Naturwissenschaften Chemie, Aulis & Deubner KG Köln, 6/42, 1993
PHYSIKO-CHEMISCHE UNTERSUCHUNGEN
BESTIMMUNG DER MINERALISCHEN ZUSAMMENSETZUNG DES BODENS
Die Untersuchung der Minerale mit Lupe bzw. Binokular und deren Größenbestimmung lässt
auf das mineralische Ausgangsgestein des Bodens schließen. Durch Verwitterungsprozesse
der gesteinsbildenden Erdschichten befinden sich die Minerale stark zerkleinert und verteilt
im Boden wieder. Sie sind wichtige Pflanzennährstoffe. Die gefundenen Substanzen deuten
auf die Anwesenheit verschiedener Pflanzennährstoffe hin.
Durch das Verrühren der Bodenprobe mit Wasser werden die einzelnen Bestandteile gut
sichtbar: pflanzliche Reste, Tiere und feste Bestandteile in verschiedenen Größen, Formen
und Farben. Wenn ein Binokular benutzt wird, kann durch das Umschalten zwischen Aufund Durchlicht die Bestimmung der mineralischen Eigenschaften vereinfacht werden.
VERSUCH 64: BESTIMMUNG DER MIN ERALISCHEN ZUSAMMENSETZUNG DES BODENS
Materialien
Durchführung
Ergebnis
Zeit
Lufttrockene Bodenprobe, Wasser
-
Petrischale oder Glasplatte ca. 5 x 5
cm (Bilderrahmen, Diagläschen),
Lupe oder Binokular, Spatel,
Millimeterpapier
Glasplatte auf das Millimeterpapier legen,
Eine Spatelspitze Bodenprobe mit etwas Wasser vermischen und
Mit der Lupe betrachten.
Anhand des Millimeterpapiers die Größen, Farben und Farben
feststellen und protokollieren
Merkmale
weiße, gelbe bis rötliche Körnchen
hellgraue, im durchfallenden Licht
wasserklare, rundliche Gebilde
glänzende, das Licht reflektierende
Blättchen
dunkelblaue
bis
schwarze
unregelmäßige Bruchstückchen
dunkel bis schwarze Bestandteile
10 min.
Bodenmineralien
Feldspat
Quarz
Glimmer
Schiefer
Hornblende
BODENARTBESTIMMUNG
Dieses Experiment hat einen orientierenden Charakter, exakte Bestimmungen erreicht man
nur durch Laboranalysen.
VERSUCH 65: BESTIMMUNG DER BODENART MIT DER FINGERPROBE
Materialien
Erde ohne Lebewesen, evt. verschiedene Bodenproben, Wasser
Durchführung Trockenen Boden etwas anfeuchten, der Boden ist richtig, wenn er
“schmierig” zwischen den Fingern ist, Boden zwischen den Fingern
zerreiben, Beobachtung der Form-, Knetbarkeit und Beschmutzung der
Hand
Ergebnis
Bodenart kann annähernd ermittelt werden:
Bodenart
Sand
lehmiger
Sand
sandiger
Lehm
Lehm
Zeit
Tastempfindung Formu.
Knetbarkeit
rauh bis körnig
trocken,
nicht
formbar
rauh und körnig etwas formbar
etwas körnig
etwas körnig
toniger Lehm
schmierig
Ton
schmierig,
klebrig
gut
formknetbar
gut
formknetbar
gut
formknetbar
gut
formknetbar
Beschmutzung
der Hand
keine
sehr wenig
u. wenig
u. stark
u. sehr stark
u. sehr stark
pro Probe 10 min
KALKGEHALT UND SULFIDE IM BODEN
Der Carbonatgehalt ist neben den Tonmineralien von großer Bedeutung für einen
fruchtbaren Boden. Er ist nicht nur für einen konstanten Boden-pH-Wert verantwortlich
(Puffersystem), sondern dient auch als Kohlenstoffquelle für die Pflanzen.
Für den Bauern ist es wichtig zu wissen, wie hoch der Carbonatgehalt in seinem Ackerboden
ist. Abhängig von der Art der Kulturpflanze liegt der optimale Carbonatgehalt meist zwischen
1 und 3 %. Die Pflanzen wachsen sehr gut und der Boden wird nicht durch Übersäuerung
ausgelaugt.
Ob der Boden kalkbedürftig ist, kann man aus der Tabelle 4: Kalkgehalt des Bodens ablesen.
Tabelle 4: Kalkgehalt des Bodens
Kalkgehalt
< 0,5
0,5-2
2-4
4-7
7-10
10-> 50
Bodenbeurteilung
sehr carbonatarm
carbonatarm
schwach carbonathaltig
mittel carbonathaltig
stark carbonathaltig
carbonatreich-extrem
carbonatreich
Maßnahmen auf Ackerboden
häufiger kalken
etwas Kalkzusatz
wenig Kalkzusatz
schwach bedürftig
keine Kalkzugaben
aus Praxis der Naturwissenschaften Chemie, Aulis & Deubner KG Köln, 5/43, 1994
Für Schüler der Sek I und Sek II ist eine annähernde Bestimmung des Kalkgehaltes im Boden
ausreichend. Quantitative Bestimmungen erfolgen mit den gasvolumetrischen
Bestimmungsgeräten nach PASSON oder HACKMANN. In einem geschlossenen System wird
durch die Bestimmung des sich entwickelnden Gasvolumens der prozentuale
Kalziumcarbonatgehalt des Bodens bestimmt.
Entsteht bei dem folgenden Versuch der Geruch nach faulen Eiern
(Schwefelwasserstoffgeruch), deutet dies auf das Vorhandensein von Sulfiden im Boden hin.
VERSUCH 66: BESTIMMUNG DES KALKGEHALTES UND SULFIDNACHWEIS IM BODEN
Materialien
Durchführung
Ergebnis
1 Teelöffel (10g) luftgetrocknete Petrischale, Tropfpipette
Erde ohne Pflanzen und Tiere,
(HCl(aq))
10%ig, (C)
-
Einen Teelöffel Erde in Petrischale füllen,
Einige mL Chlorwasserstoffsäure auftropfen und
Die Stärke des Aufbrausen und Geruch ermitteln
Die Salzsäure setzt die Kohlensäure aus ihren Salzen frei:
CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + CO2 + H2O
Unter mehr oder weniger stark anhaltendem Aufbrausen entweicht das
Kohlenstoffdioxid. Aus der Dauer und Stärke des Aufbrausens lässt sich auf
den Kalkgehalt des Bodens schließen:
Kalkgehalt im Boden
unter 1%
1%-2%
3%-4%
über 5%
Stärke des Aufbrausens
kein Aufbrausen
schwaches Aufbrausen
starkes Aufbrausen, aber nicht
anhaltend
starkes,
lang
anhaltendes
Aufbrausen
Entsteht Schwefelwasserstoffgeruch (nach faulen Eiern), befinden sich
Zeit
Sulfide im Boden
5 min
Über den Kalkgehalt des Bodens kann man mit dem Versuch 66: Bestimmung des
Kalkgehaltes und Sulfidnachweis im Boden bereits Aussagen treffen. In der Sek. II kann der
Carbonatgehalt der Proben durch Versuche und Berechnungen qualitativ und quantitativ
ermittelt werden.
VERSUCH 67: BESTIMMUNG DES KALKGEHALTS (QUANTITATIV UND QUALITATIV-SEK II)
Materialien
getrocknete
Bodenprobe,
Chlorwasserstoffsäure (HCl) 1 mol/l,
(C)
Natronlauge (NaOH) 1 mol/l, (C),
Calciumhydroxid-Lösung, (Xi),
Phenolphthalein (T)
Durchführung
Gärröhrchen mit durchbohrten
Stopfen, Reagenzglas, Pipetten,
Pipettenhütchen,
Bürette,
Bürettenklammer,
Magnetrührer
mit Rührfisch, Erlenmeyerkolben,
Glastrichter, Faltenfilter, Mörser
Versuchsvorbereitung: ca. 10 g Bodenprobe bei 100°C im Trockenschrank
trocknen oder in Mikrowelle
Qualitative Kalkbestimmung:
-
-
3-5 g fein zermörserte, trockene Bodenprobe in ein Reagenzglas
schütten,
einige Tropfen Chlorwasserstoffsäure hinzu geben und sofort das
Reagenzglas mit dem mit Calciumhydroxid-Lösung gefüllten
Gärröhrchen verschließen,
Gasentwicklung beobachten
Quantitative Kalkbestimmung:
3-5 g des getrockneten Bodens mit einem bestimmten Volumen 1
molarer Chlorwasserstoffsäure versetzen und
- ca. 15 Minuten die Suspension durchrühren (Zeitdauer, in der die
Chlorwasserstoffsäure mit dem Calciumcarbonat reagiert),
- anschließend abfiltrieren,
- dem Filtrat den Indikator Phenolphthalein zugeben und
- mit 1 molarer Natronlauge rücktitrieren, bis ein Farbumschlag
erkennbar ist
Beobachtungen:
-
Ergebnis
Qualitative Kalkbestimmung:
regen Gasentwicklung nach Zugabe der Säurezugabe im Reagenzglas als
auch im Gärröhrchen der Bariumhydroxid-Lösung, Diese trübt sich beim
Durchleiten des Gases.
Quantitative Kalkbestimmung:
Am Neutralpunkt ist die Lösung leicht violett.
Erklärung:
Durch das Ansäuern der Carbonat-Ionen bildet sich formal Kohlensäure, die
aber sehr instabil ist und (entropiegetrieben) in Wasser und Kohlendioxid
zerfällt:
CO32-(aq) + 2 H3O+(aq)  CO2 (g) + 3 H2O
Das Kohlendioxid reagiert mit den Hydroxid-Ionen der CalciumhydroxidLösung zu Carbonat-Ionen und mit den Calcium-Ionen zu Calciumcarbonat,
was für die weißliche Trübung im Gärröhrchen verantwortlich ist:
CO2 (g) + Ca(OH)2 (aq)  CaCO3 (s)↓ + H2O
Beispiel für Berechnungen: Quantitative Kalkbestimmung
Einwaage: 5 g
V(HCl)eingesetzt: 20 mL
V(NaOH)verbraucht: 18,9 mL
n(CaCO3) = c(HCl) · (V(HCl)-V(NaOH))
n(CaCO3) = 0,001 mol
m(CaCO3) = n(CaCO3) · M(CaCO3)
m(CaCO3) = 0,11 g
w(CaCO3) = m(CaCO3) / m (Einwaage)
w(CaCO3) = 0,022
 2,2 %
Der Kalkgehalt vom untersuchten Ackerboden liegt bei 2,2 % und somit im
optimalen Bereich.
Zeit
Vorbereitung: 20 min., Durchführung: 25 min
BESTIMMUNG DES HUMUSGEHALTES IM BODEN SEK II
Hier werden 3 Experimente vorgestellt. Ist ein Muffelofen vorhanden, wählt man die
Beschreibung 2, sonst reicht für eine annähernde Bestimmung der organischen Bestandteile
(d. h. den Humusanteil) die Anordnung 1. Das Experiment 3 kann nur demonstriert werden.
Bei hohen Temperaturen setzen sich organische Bestandteile vollständig zu
Kohlenstoffdioxid und Wasser um, während die mineralischen Bestandteile erhalten bleiben.
Das Experiment zur Untersuchung der Humusform (nach Humusexperimenten 1 bis 3) bietet
sich im Anschluss an.
VERSUCH 68: HUMUSGEHALT IM BODEN (EXPERIMENT 1)
Materialien
Lufttrockene Erdproben,
Porzellantiegel, Brenner, Dreifuß, Tondreieck, Magnesiastäbchen, Waage
Durchführung
Ergebnis
Zeit
-
1-10 g wiegen,
Im Porzellantiegel auf dem Dreifuß mit Tondreieck verbrennen,
Mit Magnesiastäbchen umrühren,
Erneut abwiegen,
Differenz ermitteln, Anteil berechnen
Organische Bestandteile werden verbrannt, aus der Differenz ermittelt man
den Humusanteil (die organischen, verbrannten Bestandteile) in g,
berechnet den Anteil aus der Tabelle nach BAER
Humusgehalt
für schwere
für Sandböden
Böden
bis 2%
bis 1%
2%-5%
1%-2%
5%-10%
2%-4%
10%-15%
4%-8%
15%-20%
8%-10%
über 20%
über 10%
je Probe 50 min.
Bodenbezeichnung
humusarm
schwach humos
humös
humusreich
anmoorig
Humusboden
VERSUCH 69: HUMUSGEHALT IM BODEN (EXPERIMENT 2)
Zu hohe Temperaturen (über 500°C) sind zu vermeiden, da sonst das Calciumcarbonat
Kohlenstoffdioxid abgibt. Da man durch den Masseanteil Schlussfolgerungen auf den
Humusgehalt gewinnt, würden hier falsche Ergebnisse erzielt werden. Steht keine
Temperaturregulierung zur Verfügung, sollte man mit einer Zeitschaltuhr eine Überhitzung
vermeiden.
Materialien
Lufttrockene Erdproben,
Porzellantiegel, Muffelofen, Waage
Durchführung
Ergebnis
Zeit
-
1-10 g wiegen,
Im Porzellantiegel im Muffelofen bei 300 °C mind. 3 h veraschen,
Abkühlen lassen,
Erneut abwiegen,
Differenz ermitteln, Anteil berechnen
Organische Bestandteile werden verbrannt, aus der Differenz ermittelt man
den Humusanteil (die organischen, verbrannten Bestandteile) in g,
berechnet den Anteil aus der Tabelle nach BOCHTER
Humusgehalt
Bodenbezeichnung
bis 1%
humusarm
1%-2%
schwach humos
2%-4%
mäßig humos
4%-8%
stark humos
8%-15%
humusreich
über 15%
sehr humusreich
hydromorphe Böden (Feuchtwiesen, Moore):
15%-30%
anmoorig
über 30%
torfig
Versuchsansatz: 3 min, Versuch: 3 h
VERSUCH 70: HUMUSGEHALT IM BODEN „NASSVERASCHUNG“ (EXPERIMENT 3)
DEMONSTRATIONSEXPERIMENT
Organisch gebundenener Kohlenstoffs ("Humus") oxidiert in einem heißen Gemisch von
Schwefelsäure und Kaliumchromat. Der Farbumschlag erfolgt, wenn durch das Kochen
dieses Gemisches die organische Substanz zu Kohlenstoffdioxid oxidiert und das
orangefarbene Chrom(VI) zu blaugrünem Chrom(lIl) (Chromsulfat) reduziert wird. Der
flüssige, klare, farbige Überstand lässt sich auch ohne Photometer gut erkennen. Es
empfiehlt sich der Ansatz einer humusfreien Kontrollprobe, z. B. mit Quarzsand.
Materialien
Durchführung
Ergebnis
Zeit
Lufttrockene
Erdproben, Erlenmeyerkolben
(300
mL),
Kaliumchromat (K2CrO4)) 56% (T, N), Brenner, Dreifuß, Reibeschale
Schwefelsäure (H2SO4) (C)
- Je 2 g Erdproben werden mit 2 g Kaliumchromat in einer Reibschale
vermischt,
- In einen Erlenmeyerkolben (300 mL) umgefüllt,
- 30 mL Schwefelsäure dazu gießen und
- Etwa 30 Minuten bei Zimmertemperatur stehen lassen
- Das Gemisch wird etwa 3-5 Minuten über dem Brenner gekocht.
Vorsicht!
- Es werden Temperaturen von etwa 140-150 °C erreicht.
- Danach zum Abkühlen erneut stehen lassen und
- Mit 200 mL Leitungswasser auffüllen.
- Die Farbtöne der klaren Überstände werden verglichen.
Organische Bestandteile werden Kohlenstoffdioxid oxydiert und Chrom
reduziert, Farbumschlag zeigt Humusgehalt an
Humusgehalt
Bodenbezeichnung
bis 1%
humusarm
1%-2%
schwach humos
2%-4%
mäßig humos
4%-8%
stark humos
8%-15%
humusreich
über 15%
sehr humusreich
hydromorphe Böden (Feuchtwiesen, Moore):
15%-30%
anmoorig
über 30%
torfig
60 min.
VERSUCH 71: BESTIMMUNG DER HUMUSFORM DES BODENS
Dieser Versuch bietet sich im Anschluss an das Experiment zur Ermittlung des
Humusgehaltes im Boden (s. o.) an, das gezeigt hat, ob der untersuchte Boden größere
Mengen Humus enthält. Im Experiment werden die Hydroxidionen der 2%igen
Ammoniaklösung NH3 den sauren, hochdispersen Humus so weit dispergieren, dass sich die
Lösung dunkelbraun färbt. Grobdisperser, neutraler Humus wird von den Hydroxidionen
nicht aufgeteilt, so dass die Lösung farblos bleibt.
Dauerhumus ist ein neutraler, grobdisperser Humus im Gelzustand. Die Eigenschaft, schwer
löslich zu sein, ist für die Pflanzen sehr wichtig. Die in ihm gebundenen Nährstoffe sind
dadurch weitgehend vor Auswaschung geschützt. Im Gegensatz dazu ist der Rohhumus hoch
dispers (und sauer). Die an diese Form gebundenen Nährstoffe sind leicht auswaschbar.
Wird der Rohhumus reichlich gekalkt und gut belüftet, so kann er sich zu Dauerhumus
entwickeln. Zur genauen Bestimmung der Humusform müssten noch der Zersetzungsgrad,
die Krümelstabilität und die Huminsäuren untersucht werden. Für Schüler ist dies jedoch
nicht relevant. So ist eine annähernde Bestimmung der Humusform ausreichend.
Materialien
Luftgetrocknete Bodenprobe,
Ammoniaklösung (NH3), 2%ig, (C, N)
Durchführung
-
2
Reagenzgläser,
Reagenzglasständer,
Trichter,
Filterpapier,
5 g Bodenprobe in einem der Reagenzgläser mit der doppelten
Menge Ammoniaklösung aufschwemmen,
Kräftig durchschütteln,
5 min. stehenlassen und
In das zweite Reagenzglas abfiltrieren.
Der Farbton des Filtrats wird beurteilt.
Ergebnis
Die Filtrate sind von wasserhell bis dunkelbraun gefärbt:
Zeit
Filtrat
wasserhell
gelblich
braun
10 min.
Humusform
Dauerhumus
Mischform
Rohhumus
DAS AUSTAUSCHERSYSTEM BODEN
Der Boden ist ein Austauschersystem. Vor allem Kationen werden umgetauscht. Die
kolloidalen Substanzen (Ton, Humus, Metalloxide) unterliegen ständigen Ab- und
Aufbauprozessen. Durch die große, spezifische Oberfläche besitzen diese Verbindungen
Sorptionseigenschaften. Das heißt, sie besitzen die Fähigkeit, Moleküle und Ionen an den
Grenzflächen reversibel anzulagern. Ionenaustauscher beeinflussen die Prozesse der
Bodenentwicklung, Gefügebildung und –stabilität sowie den Nährstoffhaushalt der Pflanzen
(siehe Abb. 35). Ökologisch ist dies für die Filtereigenschaften des Bodens
(Nährstoffauswaschung, den Gewässerschutz und Schadstoffakkumulation) wichtig.
Abb. 35: Ionenaustausch zwischen Pflanze und Wurzel: Durch die reversible Anlage der Nährstoff-Ionen an die Austauscher sind diese
leicht für die Pflanzen verfügbar. Eine Auswaschung dieser Ionen mit dem Sickerwasser aus dem Wurzelraum wird dadurch ebenfalls
verhindert. In der Regel ist nur ein kleiner Teil der Nährstoff-Ionen in der Bodenlösung vorhanden, der Hauptteil ist sorbiert oder Ionen
werden durch die Pflanzenwurzel mit der Lösung getauscht.
Die chemische Adsorption von Ionen (Kationen und Anionen) ist von den Wertigkeiten der
Ionen abhängig. Adsobierte Ionen sind in den Mengen gegen andere Ionen der gleichen
Wertigkeit austauschbar. Dazu ist Wasser als Transportmedium notwendig.
2 Versuche verdeutlichen die Ionenaustauschprozesse neben den Filtrationsversuchen (siehe
Grundschulteil) anschaulich. Versuche zur Bestimmung der Kationen-Austausch-Kapazität13
sind weniger attraktiv für Schüler.
13
Literaturhinweis: Bochter, R.: Boden und Bodenuntersuchung. Versuch 97 und 99
VERSUCH 72: HINWEIS AUF LÖSLICHE MINERALSALZE DURCH LEITFÄHIGKEITSMESSUNG
Materialien
Lufttrockene,
Bodenprobe,
organismenfreie 4 Bechergläser, Leitfähigkeitsmesser
(Leitungs-) Wasser,
dest. Wasser,
Kochsalzlösung (NaCl (aq))
Durchführung
Ergebnis
10 g Bodenprobe in je einem Becherglas mit 20 mL Wasser,
dest. Wasser bzw. Kochsalzlösung aufschwemmen,
Ein Kontrollglas ohne Aufschwemmung
Sonde des Leitfähigkeitsmessgerätes in die jeweilige Lösung tauchen
und
- Die elektrische Leitfähigkeit (in µS/cm) ablesen
Die trockene Probe leitet keinen Strom.
-
Aufgeschwemmte Proben aus dem Oberboden haben eine höhere
Leitfähigkeit gegenüber Unterbodenproben. Der erhöhte Anteil der
organischen Ionen im Oberboden trägt dazu bei.
Zeit
Salzlösungen leiten den elektrischen Strom.
5 min.
VERSUCH 73: BESTIMMUNG DER LADUNGEN DER BODENTEILCHEN
Materialien
Lufttrockene,
organismenfreie Stativ,
Bechergläser,
Bodenprobe,
Faltenfilter
verdünnte
Methylenblauund
Methylorange-Lösung
(gut
durchsichtig)
Durchführung
Methylenblau-Lösung (Xn):
-
Trichter,
0.2 g Methylenblau in 100 ml dest. Wasser lösen
Methylorange-Lösung (Xn):
Ergebnis
-
0.2 g Methylorange in 100 ml Wasser lösen
-
Je 2 g Bodenprobe in Faltenfilter über Trichter füllen,
Bechergläser darunter stellen,
5 mL Methylenblau- und Methylorangelösung darüber tropfen,
Filtrat auffangen,
Färbung mit Ausgangslösung vergleichen
Beide organische Salze sind Farbstoffe; das farbgebende Teilchen ist beim
Methylorange negativ geladen (Anion) und beim Methylenblau ist ein
Kation (positiv geladenes Ion) farbdeterminierend
-
die filtrierte Methylorange-Lösung behält ihre Farbe fast
die filtrierte Methylenblau-Lösung wird beinahe entfärbt
Somit kann eine negative Ladung der Bodenteilchen geschlussfolgert
werden.
Zeit
5 min.
VERSUCH 74: BODEN ALS IONENAUSTAUSCHER
Materialien
Lufttrockene,
Bodenprobe,
organismenfreie mittelgroßer Trichter, Filterpapier, 2
Reagenzgläser, 2 Bechergläser,
Magnetrührer,
Rührfisch,
Kaliumchlorid-Lösung (KCl (aq)) w = 5
Tropfpipette, Schutzbrille
%,
Ammoniumoxalat-Lösung (w = 3 %),
(Xn), destilliertes Wasser
Durchführung
-
Ergebnis
30 g luftgetrocknete Bodenprobe in Becherglas mit 50 mL dest.
Wasser aufschlämmen und
ca. 2 Minuten rühren,
Dann Überstand abfiltrieren bis Filtrat klar ist,
5 mL des Filtrats in ein RG geben und
2 mL Ammoniumoxalat-Lösung dazu geben,
Überprüfen, ob Ca2+-Ionen ausgefällt werden
Bodenprobe mit 50 mL der KCl-Lösung verrühren,
Abfiltrieren und erneut mit Ammoniumoxalat-Lösung auf Ca2+-Ionen
überprüfen
Das erste Filtrat weist keinen weißen Niederschlag auf. Der Ca 2+ -IonenNachweis ist negativ.
Beim zweiten Filtrat ist die Bildung eines weißen Niederschlags von
Calciumoxalat sehr gut erkennbar. Der Ca 2+-Ionen-Nachweis ist positiv. Die
Ca2+-Ionen werden vom Boden gegen K+-Ionen ausgetauscht.
Zeit
15 min.
VERSUCH 75: BESTIMMUNG AUSTAUCHBARER HYDRONIUM- UND ALUMINIUM-IONEN
DEMONSTRATIONS-EXPERIMENT , auch zur Säure-Base-Titration für Schüler geeignet.
Materialien
lufttrockene,
organismenfreie Erlenmeyerkolben, 300 mL; Trichter,
Feinerde,
Filterpapier,
Magnetrührer,
Natronlauge (NaOH), c= 0,05 mol/l, Rührfisch, Bürette, Schutzbrille
(C)
Phenolphthalein-Indikatorlösung,
(T),
Natriumflourid-Lösung (NaF), w=4
%,
(T),
Kaliumchlorid-Lösung, c= 1 mol/l,
(KCl (aq))
Durchführung
Empfohlene Vorbereitung durch Lehrer:
-
40 g Bodenprobe in einem Erlenmeyerkolben mit 300 mL
Kaliumchlorid 30 min. extrahieren,
Danach in weiteren Erlenmeyerkolben filtrieren,
Schülerversuch:
1. Gesamtazidität:
- zu 100 mL Filtrat wenige Tropfen Indikator geben und mit
Natronlauge aus der Bürette unter Magnetrühren bis zum
Umschlagpunkt titrieren
2. Austauschbare Oxonium-Ionen:
- 100 mL Filtrat werden mit 10mL Natriumflourid-Lösung
versetzt und wie oben titrieren
Ergebnis
Berechnung: Die Stoffmenge der verbrauchten Natronlauge ist der
Stoffmenge der mit (sauren) Kationen belegten Austauscherplätze nach der
Multiplikation mit 3 äquivalent, bezogen auf 100 mg-Einwaage. Die
Aluminiumbelegung wird durch die Bildung der Differenz ermittelt.
Die Gesamtazidität ist durch Titration der Austauschlösung mit Natronlauge
bestimmbar.
Die austauschbaren Hydronium-Ionen werden bestimmt, nachdem die
Aluminium-Ionen mit Flourid „maskiert“ wurden. Die Aluminium-Ionen
wirken als Kationensäuren:
[Al(H2O)6]3+ + H2O  [Al(H2O)5]2+ + H3O+
Zeit
3 x 10 min.
Im Boden kommen alle natürlichen Elemente vor und sind in Pflanzen nachweisbar. In
Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) sind die Grundelemente Kohlenstoff (C),
Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H) enthalten. Nur 13 weitere Elemente gelten als
lebensnotwendige Nährelemente. Sie werden in Hauptnährelemente und Spurenstoffe
differenziert. Hauptnährelemente sind: Stickstoff (N), Phosphor (P), Schwefel (S), Kalium (K),
Calcium (Ca) und Magnesium (Mg). Zu den Spurenelementen, die nur in sehr geringen
Mengen benötigt werden, gehören Bor (B), Molybdän (Mo), Chlor (Cl), Eisen (Fe), Mangan
(Mn), Zink (Zn) und Kupfer (Cu).
Schülern hilft beim Erlernen der wichtigsten Nährelemente C, O, H, N, S, P, K, Ca, Fe, Mg oft
die Eselsbrücke
„COHNS P(aula) K(ocht) Ca Fe(Cafe) am Mg (Morgen)“
Mangelerscheinungen bei der Versorgung von Pflanzen und der Entwicklung des „Gesetzes
vom Minimum“ durch Justus von Liebig veranschaulicht man gut mit der „Minimumtonne“
Mangelerscheinungen bzw. gutes Wachstum sehen die Schüler im folgenden, langfristigen
Experiment, das protokolliert und dokumentiert wird (siehe Versuch 89).
Die Pflanzen nehmen die zur Verfügung stehenden Ionen aus der Bodenlösung auf, scheiden
aber auch selber Ionen aus (vor allem die bei der Zellatmung (CO2 + H2O
H2CO3
H+ +
HCO3-) entstehenden Anionen). Als Austauschkapazität (AK) wird die Summe der
austauschbaren Ionen im Boden bezeichnet. Sie wird in Milliäquivalenten je 100 g Substanz
oder in Ladungsäquivalten als mol/ kg angegeben. Die AK ist abhängig vom pH-Wert der
Bodenlösung und schwankt mit der Bodenreaktion. Dementsprechend wird zwischen
maximaler bzw. potentieller AK und effektiver bzw. aktueller AK differenziert. Letztere
schwankt abhängig vom jeweiligen pH-Wert. Die aktuelle Bodenreaktion (pH-Wert) wird von
den freien H+ und die potentielle Acidität von den sorbierten H+ an den Austauschern
bestimmt. Einen großen Einfluss auf dieses Säure-Basen-Gleichgewicht haben vor allem
Aluminium-Kationen Al3+, die mit dem Wasser der Bodenlösung reagieren und dabei jeweils
3 H+-Ionen freisetzen (Al3+ + H2O
Al(OH)3 + 3 H+).
Vom pH-Wert hängt die ökologische und pedogenetische Charakteristik des Bodens ab, er
beeinflusst die chemischen, biologischen und viele physikalischen Bodeneigenschaften.
BESTIMMEN DER BODENR EAKTION
Als pH-Wert wird der negativ dekadische Logarithmus der Konzentration der WasserstoffIonen pro Liter Lösung in Gramm bezeichnet. Die Messung kann elektrometrisch oder über
Farbindikatoren erfolgen. Die pH-Skala, die der dänische Wissenschaftler Sörensen 1909
festlegte, reicht von 0 (stark sauer) bis 14 (stark alkalisch). Bei einem pH-Wert von 7 spricht
man von einer neutralen Bodenreaktion. Der Anteil der OH --Ionen ist dann gleich groß wie
die Menge der H+-Ionen. Steigt die Konzentration der H+-Ionen in der Lösung, dann fällt der
pH-Wert und die Bodenrektion ist sauer. Bei einer sauren Bodenreaktion (pH < 7) spricht
man von Bodenacidität. Mit sinkender H+ -Ionenkonzentration steigen die OH-Ionenkonzentration und der pH-Wert. Bei einer basischen bzw. alkalischen Bodenreaktion
wird von Bodenalkalität bzw. Bodenbasizität (pH > 7) gesprochen (siehe Tabelle 5)
Tabelle 5: pH-Skala und Eigenschaften von Böden sowie bestimmten Substanzen (Dorn,
Pohl 1988)14
Der pH-Wert der Bodenlösung verändert sich mit dem Wassergehalt und den biologischen
Aktivitäten der Organismen. Bei hoher biologischer Aktivität und sinkenden Wassergehalt
nimmt die H+-Konzentration der Bodenlösung zu, der pH-Wert sinkt in den sauren Bereich.
So ist jede Messung der Bodenreaktion eine Momentaufnahme. Die pH-Werte bestimmter
Böden schwanken nur mäßig. So kann man Böden entsprechend dieser Eigenschaft
einstufen (siehe Tabelle 5). Auch die Vegetation lässt Rückschlüsse auf die Bodenreaktion zu.
Sogenannte pH-Zeigerorganismen sind Tiere und Pflanzen mit einem engen ökologischen
Toleranzbereich bezüglich des pH-Wertes. Durch Untersuchungen (vgl. Dunger/ Fiedler
1989) weiß man, dass auch einige der Bodentiere diese engen ökologischen Grenzen
aufweisen. Mückenlarven findet man vorwiegend in sauren Böden. Größere Populationen
von Regenwürmern, Schnecken und Tausendfüßern bauen auf kalkreichen Böden die
Laubstreu ab. Die Zusammensetzung des Edaphons lässt Rückschlüsse auf die
Bodeneigenschaften und Standortqualität zu. Sie sind sogenannte Bioindikatoren.
Der pH-Wert wird durch natürliche und anthropogene Ursachen (siehe Tabelle 6) verändert.
Natürliche Faktoren
14
nach DORN, A./ POHL, E. (o.J.): Pflanzenzeigerwerte für den Schulgebrauch. Reduzierte
Fassung nach dem Werk von Hein Ellenberg "Zeigerwerte der Gefäßpflanzen Mitteleuropas".
Verlag Erich Goltze, Göttingen, 1988
Die Organismen spielen durch ihre Lebensprozesse eine entscheidende Rolle. So entstehen
Kohlensäuren (H2CO3) aufgrund der Anreicherung von CO2 durch die dissimilatorischen
Prozesse der Bodenorganismen und Pflanzenwurzeln (siehe Versuch 60 und Versuch 62).
Beim Abbau der organischen Substanz entstehen bei der Humusbildung Fulvosäuren (diese
organischen Säuren scheiden auch die Pflanzenwurzeln aus), die den pH-Wert beeinflussen.
Eisensulfidhaltige Böden verwittern. Dabei werden aus Pyrit (Katzengold) Fe 2+ zu Fe3+-Ionen
oxidiert, hydrolysiert und dann Protonen freigesetzt, die Einfluss auf die Acidität des Bodens
haben. Wie schnell ein Boden versauert, ist von seiner Pufferungskapazität abhängig. Das
heißt, wie hoch der Anteil an Puffersubstanzen, wie Carbonate und Kationen bindende
Tonminerale (Ca2+, Mg2+) ist, die das pH-Niveau halten können. Sind diese Puffer verbraucht
oder verändern sich in ihrer Zusammensetzung, wirkt sich das auch auf den pH-Wert aus.
Anthropogene Faktoren
Sinkt der pH-Wert auf 3, stellen die meisten Pflanzen ihr Wachstum ein. Mit zunehmender
Versauerung des Bodens steigt die Mobilität toxischer Schwermetalle. Die Pflanzen gehen
ein. Der Säureeintrag aus der Atmosphäre ist eine der anthropogenen Ursachen der
Versauerung. Der Mensch kann durch übermäßigen Einsatz organischer (Gülle) und
mineralische Dünger zu viel Ammonium in den Boden bringen. Durch die mikrobielle
Oxydation des Ammoniums (NH4+ + 2O2 ↔ NO3- + 2H+ + H2O) nimmt der Anteil der
Wasserstoff-Ionen zu. Nitrat, das nicht von den Pflanzen aufgenommen wird, löst sich im
Sickerwasser und trägt weiterer Bodenauswaschung bei. Pflanzen geben Ionen ab, um die
elektrische Neutralität des Bodens zu erhalten. So nehmen sie z. B. mehr Kationen als
Anionen auf und geben dafür Protonen ab, lagern in ihren Zellen Salze schwacher
organischer Säuren ab. Diese gehen dem Boden nicht verloren, wenn die Pflanze am
Standort verrottet. Werden nach der Ernte bzw. Holzschlag alle Pflanzenteile entfernt, kann
es zu einer dauerhaften pH- Wert Absenkung kommen. Man spricht vom Basenentzug.
Tabelle 6: Ursachen der Bodenversauerung
natürliche Ursachen
anthropogene Ursachen
Steigerung der CO2-Konzentrationen durch Saurer Regen-schweflige Säuren
Atmung der Organismen-Kohlensäure
Düngung
organische Säuren, die während der vollständige Entnahme aller Pflanzenteile
Humifizierung entstehen-Fulvosäuren
nach der Ernte-Basenentzug
Eisensulfidhaltige Böden (Pyrit) verwitternschweflige Säuren
natürliche Kapazität des Bodenpuffersystem
Die Konsequenzen Sauren Regens können mit Messreihen der unten dargestellten
Versuchsanordnung überprüft werden. Dabei sollten colormetrische Untersuchungen (pHWert-Untersuchung durch Farbindikator) denen der elektrometrischen (Verwendung eines
pH-Meters) vorgezogen werden.
VERSUCH 76: BESTIMMEN DER BODENREAKTION
Materialien
Durchführung
trockene Bodenproben, Unitest- Becherglas,
Indikatorpapier,
Czensny- Glasstab
Indikatorlösung,
Stuphanpapier,
(Messungen auch mit pH-Meter
möglich),
Spritzflasche
mit
destilliertem Wasser
-
Reagenzglas,
Löffel,
20 g Bodenprobe in einem Becherglas mit dest. Wasser
aufschwemmen,
Nach dem Absetzen der Bodenteilchen das überstehende Wasser
mit einem der beiden Indikatoren untersuchen,
Zur genaueren Bestimmung der Bodenreaktion mit StuphanPapierprobe prüfen
Unitest: Papierstreifen abreißen, eintauchen, Farbe des Papiers mit Skala
vergleichen
Ergebnis
Czensny: 5 mL Bodenprobenwasser in Reagenzglas gießen, 4 Tropfen
Indikatorlösung dazugeben, schütteln, Farbumschlag mit Referenzlösung
vergleichen
Farbreaktion des Indikators mit den Farbskalen vergleichen
Zeit
ph -Wert
bis 4
4,1-4,5
4,6-5,2
5,3-6,4
6,5-7,4
über 7,5
10 min.
Beurteilung
sehr stark sauer
stark sauer
sauer
schwach sauer
neutral
basisch
BODENSCHUTZ
Der Boden als Grundlage allen Lebens muss erhalten werden. Es besteht sonst die Gefahr,
dass der Boden seine natürlichen Funktionen nicht mehr wahrnehmen kann. Dies gilt auch
für den Abtrag nährstoffreicher Schichten durch Wind und Wasser, die Versieglung von
Flächen oder den Eintrag von Schadstoffen.
Dass Böden ein natürliches Reinigungssystem darstellen, welches emittierte Schadstoffe
aufnehmen, binden und in mehr oder weniger hohem Maß aus dem Stoffkreislauf
entfernen, kann mit einfachen Versuchen (siehe Versuch 30) dargestellt werden.
Gas- und staubförmige Schad- und Schmutzstoffe werden mit Niederschlägen in den Boden
eingetragen. Das Wasser sickert durch die Bodenschichten und wird dadurch gereinigt. Es
gelangt so ins Grundwasser. Die gasförmigen und gelösten Schadstoffe werden durch
Adsorption an Bodenpartikel gebunden oder durch bodeneigene Substanzen chemisch
ausgefällt und dadurch weitgehend immobilisiert.
Ein Anteil an Schadstoffen bleibt jedoch in gelöster Form im Boden, so dass diese Stoffe von
den Pflanzen aufgenommen werden können (siehe Versuch 89). So gelangen sie in die
Nahrungskette oder werden ausgewaschen und gelangen ins Grundwasser. Mikrobielle
Tätigkeiten beeinflussen den Ab- und Umbau derartiger Schadstoffe und gleichzeitig
bestimmen diese Stoffe die Aktivität der Mikroorganismen. Die vom Menschen produzierten
Schadstoffe führen früher oder später zu einem schadstoffbelasteten Boden. Während
Schadstoffe aus Wasser und Luft mittlerweile beseitigt werden können, ist das bei einem z.
B. mit Schwermetall kontaminierten Boden nicht ohne Weiteres möglich. Deshalb sollte im
Unterricht durch geeignete Experimente (z. B. Versuch 84) die Verantwortlichkeit eines
jeden Einzelnen herausgearbeitet werden.
-
Chlorid-Ionen nach Streusalzen im Winter
Mineralölwechsel bei Fahrzeugen
Tabelle 7: Boden ist in Gefahr
Bodengefährdung durch
Schäden
Wind-und Wassererosion
Bodenabtrag, dadurch
Verlust der
Bodenfruchtbarkeit und
Gewässerbelastung
Bearbeitung in Hangneigung
Bodenabtrag, dadurch
Verlust der
Bodenfruchtbarkeit und
Begünstigung der
Entstehung von
Schwemmfächern
Absenkung
der
Grundwasserspiegel durch
Melioration, Tagebaue usw.
Zerstörung des Ökosystems,
Veränderung der Raum- und
Bodenstruktur15
Überdüngung mit Gülle
Abtötung der
Bodenlebewesen,
Belastung der Ökosysteme
mit Nährstoffen
Befahren mit
Maschinen
15
schweren
Bodenverdichtung,
Verkleinerung der
Bodenporen,
Beeinträchtigung der
Bodenlebewesen,
Herabsetzung der
Bodenfruchtbarkeit
Meliorationsmaßnahmen haben zu einer Absenkung des Grundwasserspiegels geführt,
was das Landschaftsbild der Talsandniederungen deutlich verändert hat. Die an die
natürlichen Verhältnisse angepasste Nutzung als Grünland mit Weidewirtschaft wurde nach
der Entwässerung durch Ackerbau verdrängt.
„Saurer Regen“
Eintrag von Säuren,
Freisetzung
pflanzenschädigender
Verbindungen
Überhöhter Einsatz
Pflanzenschutzmitteln
von
Illegale Entsorgung
Sondermüll
von
Belastung des Grundwassers,
Anreicherung im Boden,
Bodenlebewesen und ihrer
Funktionen
Einsatz von Streusalzen im
Winter
Schwermetallbelastung in
Böden, Grundwasser und
Pflanzen,
Bodenlebewesen,
Mangelnder
Schutz
bei
Umgang mit Mineralölen
Eintrag in Nahrungskette
Versiegelung, Überbauung
völlige Zerstörung des
Bodenlebens
NACHWEIS VON IONEN IM BODEN
Sowohl Nährstoffe als auch Schadstoffe liegen im Boden als Kationen oder als Anionen vor.
Kationen sind elektrisch positive Ladungsträger, Anionen sind negativ geladen. Der Nachweis
der Ab- oder Anwesenheit von Nähr- und Schadstoffen erfolgt als Ionennachweis. Allerdings
kann dabei noch keine Aussage über die Konzentration der Ionen getroffen werden.
VERSUCH 77: ANWESENHEIT VON CALCIUM-IONEN
Materialien
Bodenprobe,
Wasser, Becherglas
Ammoniaklösung (NH3 (aq)), (T, N)
Ammoniumoxalat-Lösung
w=3%,
(Xn)
Durchführung
-
Bodenprobe mit wenig Wasser versetzen (Bodenlösung herstellen)
und
Ammoniaklösung hinzu geben,
Danach Ammoniumoxalatlösung dazu tropfen
Ergebnis
Bei Anwesenheit von Ca2+-Ionen entsteht ein schwerlöslicher, weißer
Niederschlag.
Zeit
5 min.
VERSUCH 78: ANWESENHEIT VON MAGNESIUM-IONEN
Materialien
Durchführung
Bodenprobe,
Wasser, Becherglas, Objektträger, Mikroskop
Ammoniaklösung (NH3 (aq)), (T, N),
Dinatriumhydrogenphosphat-Lösung
(Na2HPO4(aq))
-
-
Bodenprobe mit etwas Wasser versetzen und
4 Tropfen Ammoniaklösung zugeben,
Danach 1 Tropfen dieser Bodenlösung in einem Tropfen
Dinatriumhydrogenphosphat-Lösung auf dem Objektträger bringen
und
Unter dem Mikroskop betrachten
Ergebnis
Sind Mg2+-Ionen
Sternchenkristalle.
Zeit
5 min.
vorhanden,
bilden
sich
kleine,
sechsstrahlige
VERSUCH 79: ANWESENHEIT VON SULFAT-IONEN
Materialien
Durchführung
Bodenprobe,
Wasser,
Chlorwasserstoffsäure (HCl),
Bariumchloridlösung (BaCl2), (T)
-
Becherglas
(C)
Eine Bodenlösung herstellen und
Mit ein wenig Salzsäure versetzen,
Danach einige Tropfen Bariumchloridlösung zugeben
Ergebnis
Bei Anwesenheit von SO42–-Ionen entsteht eine weißliche Trübung.
Zeit
5 min.
VERSUCH 80: ANWESENHEIT VON PHOSPHAT-IONEN
Materialien
Durchführung
Bodenprobe,
Salpetersaure
Ammoniummolybdatlösung16
Ascorbinsäurelösung
-
Filterpapier, Petrischale
(Xi),
Auf ein Filterpapier in der Petrischale werden einige Krümel
Bodenprobe gegeben und
Danach
mit
je
einem
Tropfen
salpetersaure
Ammoniummolybdatlösung und
Ascorbinsäurelösung versetzt
Ergebnis
Sind PO4 3–-Ionen vorhanden, zeigt sich eine deutliche Blaufärbung.
Zeit
5 min.
VERSUCH 81: ANWESENHEIT VON EISEN-II-IONEN UND EISEN-III-IONEN
Materialien
Bodenprobe,
1 Reagenzglas im Halter
Kaliumthiocyanat-Lösung (10%), (Xn)
Butanol (Xn)
Durchführung
Ergebnis
Zeit
16
- Auf 0,5 g Bodenprobe in einem Reagenzglas
- 2 ml Kaliumthiocyanat-Lösung (10%) tropfen,
- Gut schütteln und 5 min. stehen lassen,
- Danach 5 mL Butanol zugeben und absetzen lassen,
- Farbumschlag beobachten
Durch einen roten Farbumschlag sind die Eisen-Ionen nachweisbar
5 min.
Herstellung Ammoniummolybdatlösung:
2 g Ammoniummolybdat (Xi), 4 g Ammoniumnitrat (O) und 2 ml konzentrierter Ammoniaklösung (C,
N) werden mit destilliertem Wasser auf 20 ml aufgefüllt. Die Reaktion verläuft stark endotherm. Die
Lösung ist unbegrenzt haltbar.
VERSUCH 82: ANWESENHEIT VON NITRAT-IONEN (DEMONSTRATIONSEXPERIMENT)
Im Schülerversuch mit Nitrat-Teststäbchen durchführbar.
Für dieses Experiment ist eine ruhige Hand erforderlich.
Materialien
Bodenprobe,
Reagenzgläser, Reagenzglasständer,
Pipetten,
Schwefelsäure (H2SO4) c=2,5 mol/l, Reagenzglasklammer,
Pipettenhütchen,
(C),
Schraubdeckelgläschen
Eisen(II)sulfat FeSO4, (Xn)
konz. Schwefelsäure (H2SO4), (C)
Durchführung
-
-
Ergebnis
ca. 2 g Bodenprobe mit 10 mL Wasser aufschlämmen und
Gut durchschütteln,
Einige Tropfen der Probelösung in einem Reagenzglas mit der
gleichen Menge einer kalt-gesättigten, mit 2,5 molaren
Schwefelsäure angesäuerten Eisensulfat-Lösung versetzen.
Indem man das Reagenzglas schräg hält, wird vorsichtig mit
konzentrierter Schwefelsäure unterschichtet und die konzentrierte
Schwefelsäure fließt an der inneren Wandung herunter.
Die Berührungszone dieses 2-Phasen-Präparates beobachten!
An der Berührungszone wässrige Lösung / konzentrierte Schwefelsäure
bildet sich je nach NO3--Menge ein brauner bis amethystfarbener Ring
Nitrat NO3- wird durch die Zugabe von Fe2+-Ionen zu NO reduziert, wobei
Fe2+ zu Fe3+ oxidiert wird. Das NO fungiert als Ligand: Es kommt zu einem
Ligandenaustausch; der entstandenen Komplex zeigt die charakteristische
bräunliche Farbe.
Zeit
15 min.
VERSUCH 83: ANWESENHEIT VON ALUMINIUM-IONEN
Materialien
Durchführung
Getrocknete
und
gemörserte
Bodenproben,
Kaliumhydroxid-Lösung (KOH), (C)
Eisessig (CH3COOH (konz.)), (C)
Morin-Reagenz17,
(Xi)
verdünnte Schwefelsäure (H2SO4),
(C)
-
-
Reagenzgläser,
Reagenzglasklammer,
Spatel,
Pipetten, Pipettenhütchen, pHPapier,
UV-Lampe,
Reagenzglasständer, Glasstäbe
Je eine getrocknete und gemörserte Bodenprobe über Nacht in
verdünnte Schwefelsäure (H2SO4) legen und gelegentlich
durchrühren,
Lösung zentrifugieren.
Kontrollprobe (Blindprobe) herstellen:
-
ein Bodenproben-Zentrifugat nur mit Kaliumhydroxid-Lösung und
Einigen Tropfen Morin-Reagenz versetzen.
Testreihe:
-
Je 5 mL je Zentrifugat mit Kaliumhydroxid-Lösung stark alkalisch
machen,
Gut durchschütteln,
Dann mit Eisessig stark ansäuern und
Mit einigen Tropfen der Morin-Lösung versetzen
Unter der UV-Lampe die Fluoreszenzfarben und –stärken
vergleichen
Ergebnis
Aluminium-Ionen Al3+ bilden in neutraler oder essigsaurer Lösung mit
Morin eine intensiv fluoreszierende kolloidale Suspension, da Morin auf
Aluminium mit grüner (und Zinn mit gelbgrüner) Fluoreszenz reagiert.
Zeit
20 min.
17
Herstellung Morin-Reagenz:
Eine Spatelspitze Morin wird in ca. 10 ml Methanol oder Ethanol (F) gelöst. Die zu prüfende
Lösung muss essigsauer sein. Die Lösung ist einige Wochen haltbar.
VERSUCH 84: FÄLLUNGSREAKTIONEN WASSERLÖSLICHER CHLORID-IONEN
Materialien
Getrocknete
Bodenproben,
und
gemörserte Waage, Spatellöffel ,
2
Erlmeyerkolben
100
mL,
Messzylinder
100
mL
Kaliumhydroxid-Lösung (KOH), (C)
1 Stopfen, 1 Trichter, Filterpapier
Silbernitratlösung (AgNO3) w = 1 %, (Herstellung
eines
Filters),
(Xi)
Reagenzgläser, Reagenzglasgestell,
Verdünnte Salpetersäure, (HNO3), Tropfpipette
(O, C)
Destilliertes Wasser
Durchführung
Herstellen eines Filtrats aus einer Bodenprobe:
-
Ergebnis
20 g Feinboden (Bodenprobe wiegen) mit 50 mL Wasser etwa 1
Minute im verschlossenen Erlmeyerkolben kräftig durchschütteln.
Die groben Bodenteile kurz absetzen lassen und
Die Aufschwemmung (den Überstand) filtrieren, (Filtrat muss
glasklar sein!)
2 mL Filtrat in Reagenzglas geben,
Filtrat im RG mit fünf Tropfen Salpetersäure ansäuern und
5 Tropfen Silbernitratlösung hinzufügen,
Beobachten.
bei Anwesenheit von Chloridionen weißer Niederschlag:
Ag+ (aq) + Cl- (aq)  AgCl (s)
weißer Niederschlag von schwerlöslichen Silbernitrat in salpetersaurer
Lösung, (aq) aquatisiert/ (s) fest: Nachweis von Chloridionen im Boden
positiv (siehe Abb. 36)
Zeit
20 min.
Abb. 36: Experiment Fällungsreaktion wasserlöslicher Chlorid-Ionen
VERSUCH 85: FLAMMENFÄRBUNG WASSERLÖSLICHER NATRIUM-IONEN
Materialien
Bodenprobe, Magnesiastäbchen
Waage, Spatellöffel ,
2
100
mL,
getrocknete
und
gemörserte Erlmeyerkolben
Messzylinder
100
mL
Bodenproben,
1 Stopfen, 1 Trichter, Filterpapier
Kaliumhydroxid-Lösung (KOH), (C),
(Herstellung
eines
Filters),
Reagenzgläser,
Reagenzglasgestell,
Silbernitratlösung (AgNO3) w = 1 %,
Tropfpipette,
Uhrglasschale,
(Xi),
Brenner
Verdünnte Salpetersäure, (HNO3),
(O, C)
Destilliertes Wasser
Durchführung
Herstellen eines Filtrats aus einer Bodenprobe:
-
-
-
20 g Feinboden (Bodenprobe wiegen) mit 50 mL Wasser etwa 1
Minute im verschlossenen Erlmeyerkolben kräftig durchschütteln.
Die groben Bodenteile kurz absetzen lassen und
Die Aufschwemmung (den Überstand) filtrieren, (Filtrat muss
glasklar sein!)
Filtrat aus RG 4 mit Pipette auf Urglasschale tropfen oder im RG
lassen
Magnesiastäbchen in der nicht leuchtenden Flamme des Brenners
(blaue Flamme) erst kurz ausglühen bis keine gelbe Färbung mehr
erkennbar ist,
Dann das Magnesiastäbchen in das Filtrat tauchen und
Erneut in die Flamme halten (macht sich vom Uhrglas besser),
Die Färbung der Flamme beobachten.
Ergebnis
gelbe Flamme: Natriumionen vorhanden. Die Außenelektronen der
Natriumionen / eigentlich  Na- Atome (diese entstehen in der Flamme
durch die Energie wieder/ ist hier aber nicht Gegenstand der Betrachtung)
werden durch die Energie der Brennerflamme auf ein höheres
Energieniveau angehoben. Sie fallen aber sofort wieder in den
Ausgangszustand zurück und geben dabei die aufgenommene Energie in
Form von Licht einer bestimmten Wellenlänge (gelbes Licht) wieder ab
(siehe Abb. 37).
Zeit
15 min.
Abb. 37: Experiment Flammenfärbung wasserlöslicher Natrium-Ionen
BODEN ALS FILTER
Wenn Niederschlagswasser im Boden versickert, gelangt es durch die verschiedenen
Bodenschichten ins Grundwasser. Ein Teil des Wassers wird, je nach der Bodenart
festgehalten. Diese Menge hängt vom Porenvolumen des Bodens ab: Umso feinkörniger der
Boden, desto größer ist das Porenvolumen und der Anteil englumiger Bodenporen steigt.
Dabei beschreibt das Gesamtporenvolumen (GPV) den volumetrischen Anteil aller
Hohlräume in einem Volumenelement [Vol.-%].
Tabelle 8: Bodenart-Gesamtporenvolumen18
Bodenart
Allgemeine
des GPV
Einschätzung Gesamtporenvolumen
Natürlich
Waldboden
gelagerter Mittleres GPV
50 Vol.-%
Oberboden
Höheres GPV
Bis zu 70 Vol.-%
Unterboden
Geringeres GPV
< 50 Vol.-%
Sande i.d.R.
Geringeres GPV
30-50 Vol.-%
Tone
Höheres GPV
50-60 Vol.-%
Die Wasserkapazität steigt mit zunehmender Feinkörnigkeit und Humusgehalt des Bodens.
Gleichzeitig verringert sich dadurch die Durchlaufgeschwindigkeit des Sickerwassers
aufgrund der englumigen Poren und des erhöhten Adsorptionsvermögens.
18
URL:
http://www.wzw.tum.de/bk/pdfs/vorlesungen/aP_Bodenmechanik/Boden+Maschine3.pdf
am 13.06.2010
Abb. 38: Korngröße-Bodeneigenschaften
Mit folgenden Versuchen kann dargestellt werden, welchen Weg Wasser durch den Boden
nimmt und wie schnell dieser Vorgang ist.
VERSUCH 86: WASSERDURCHLAUFGESCHWINDIGKEIT (FORTFÜHRUNG DES VERSUCH 31)
Materialien
Sand, Split, Kieselsteine (verschiedene Größen), fein gesiebte Erde, Moos,
Regenwasser, 1,5 l –PET-Flasche, 2 1 l-Bechergläser oder Einweckgläser,
evtl. Stativmaterial, Schere oder Material zum Schmelzen
Durchführung Der Flaschenhals wird von der PET-Flasche abgeschnitten, in den
Flaschenboden werden kleine Löcher (ca. 1,5 cm Durchmesser) gestochen
oder geschmolzen (siehe Versuch 31)
Danach wird ein „Bodenprofil“ in der Flasche geschichtet (von oben nach
unten):
-
Moos
Erde mit Sand
Split mit Erde
kleine Kieselsteine mit Split
mittlere Kieselsteine
große Kieselsteine
Die gefüllte Flasche über ein Becherglas bzw. Einweckglas stellen,
1 l Leitungswasser langsam, aber kontinuierlich in die gefüllte Flasche
gießen.
Wasserdurchfluss beobachten und Zeit stoppen, wenn die ersten Tropfen
aufgefangen werden
Ergebnis
Wasser benötigt für die Durchquerung der verschiedenen Schichten
unterschiedlich lange
Zeit
Vorbereitung: 10min, Versuch: 5 min.
Abb. 39: Versuch Wasserdurchlaufgeschwindigkeit
VERSUCH 87: BODEN HAT FILTERFUNKTION (MIT VERSUCH 86)
Materialien
vorbereitete Flasche aus Versuch 86
Durchführung Die vorbereitete Flasche über ein Becherglas bzw. Einweckglas stellen,
Lösung aus Wasser und Boden (Schmutzwasser) herstellen
Das Schmutzwasser durch die gefüllte Flasche gießen,
Wasserdurchfluss beobachten
Ergebnis
Schmutzwasser ist nach dem Durchfluss klar
Zeit
Vorbereitung: 10min, Versuch: 5 min.
VERSUCH 88: PFLANZEN NEHMEN STOFFE AUS DEM BODEN A UF, NACHWEIS VON EISENIONEN IN PFLANZEN
In diesem Experiment werden mehrere Aspekte der Bodenbiologie bearbeitet:
-
Boden stellt notwendige Mineralstoffe für das Wachstum von Pflanzen bereit
Wirkung auf das Wachstum Pflanzen bei Nährstoffmangel
Wirkung auf das Wachstum von Pflanzen unter dem Einfluss von Schwermetallen
Messung abiotischer Umweltfaktoren bei Pflanzen
Materialien
Zerkleinerte Pflanzen, Bodenprobe
w=5 %), (C)
(
Kaliumthiocyanat-Lösung
(10%), (Xn),
Porzellantiegel, Brenner, Tondreieck,
(HCl), Reagenzgläser, Reagenzglasständer,
Pipetten,
Pipettenhütchen,
Präparategläschen, Spatel
(KSCN)
Kaliumhexacyanoferrat(III),
(C6FeK3N6)
Durchführung Vorbereitung:
-
Zerkleinerte Pflanzenreste (ca. 5-10 g) in Tiegel füllen und
Auf einem Tondreieck mit Brenner veraschen, d. h. bis der Rückstand
weiß bis schwach grau geworden ist.
Die Asche jeweils zu gleichen Teilen auf zwei Reagenzgläser
verteilen.
Das gleiche auch mit ca. 3 g Bodenprobe.
-
Proben in entionisiertem Wasser lösen und
Mit Salzsäure ansäuern,
Gemisch filtern
-
Nachweis für Fe3+-Ionen:
-
Jeweils 2 mL Kaliumthiocyanat-Lösung zum Filtrat (einmal von
Pflanzenasche und einmal von Bodenprobe) hinzugeben.
Nachweis für Fe2+-Ionen:
Ergebnis
Jeweils 2 mL Kaliumhexacyanoferrat(III) zum Filtrat (einmal von
Pflanzenasche und einmal von Bodenprobe) hinzugeben.
Nachweis für Fe3+-Ionen: Blutroter Farbumschlag in beiden Reagenzgläsern,
es entsteht das rote Eisenthiocyanat (Fe(NCS)3).
Nachweis für Fe2+-Ionen: Tiefblauer Farbumschlag
Reagenzgläsern, es entsteht Berliner Blau (KFe[Fe(CN)6]).
in
beiden
Damit sind Fe2+- und Fe3+-Ionen im Boden und Pflanze nachgewiesen; Eisen
gehört zu den Makronährelementen.
Zeit
Vorbereitung: 15 min, Versuch: 15 min.
VERSUCH 89: VERSUCHE ZUR WIRKUNG VERSCHIEDENER NÄHRSA LZLÖSUNGEN AUF DIE
ENTWICKLUNG VON BOHNENPFLANZEN
Materialien
Erde,
gekeimte
Düngerlösung,
Bohnensamen, Pflanzen-Gefäße
destilliertes Wasser (Aqua dest.),
Essiglösung, (C2H4O2), 5% ig, (C)
Salzlösung, (NaCl), 10% ig
Kupfersulfatlösung (CuSO4), 5% ig
(Xn, N)
Durchführung
In einer Pflanzschale mit Erde die kleinen Bohnenpflanzen einpflanzen,
regelmäßig mit den bereitstehenden Lösungen gießen
-
Ergebnis
Lösung 1: Volldüngerlösung für Grünpflanzen
Lösung 2: destilliertes Wasser
Lösung 3: säurehaltige Lösung (5- prozentige Essiglösung)
Lösung 4: starkkonzentrierte Salzlösung (mind. 10%)
Lösung 5: 5- prozentige Kupfersulfatlösung
Unterschiedliches Wachstum bzw. Eingehen der Pflanzen
-
Lösung 1: Wachstum
Lösung 2: Erst geringfügiges Wachstum, dann geht Pflanze ein
Lösung 3: Welken, dann Eingehen, Absterben
Lösung 1 (Volldüngerlösung): Ausgewogenes Verhältnis von Wasser und
Mineralsalzen, optimale Entwicklung der Pflanze möglich
Lösung 2 (destilliertes Wasser): Zunächst Wachstum durch Verbrauch der
Nährstoffe des Samens und in Erde, Wasser ausreichend in den Zellen
vorhanden, aber Nährstoffmangel
Lösung 3(säurehaltige Lösung): Essigsäure zerstört die Wurzelhaarzellen
Lösung 4 (Salzlösung): Wasser wird aus der Pflanze in den Boden
(umgekehrte Osmose), erzeugt Wassermangel in der Pflanze
Lösung 5 (Schwermetalllösung): Es entstehen Ionenbindungen, die giftig
sind, Zerstörung der Wurzelhaarzellen
Zeit
Versuchsvorbereitung: Quellung 1-3 d,
Vorbereitung der Pflanzschalen: 10 min.
2 Wochen lang je tägliches Gießen und Dokumentieren in den Pausen
ermöglichen: 5 min.
Abb. 40: Versuche zur Wirkung verschiedener Wasserlösungen auf die
Entwicklung von Bohnenpflanzen
Im nächsten Versuch kann die Wirkung von Streusalzen im Winter auf das
Pflanzenwachstum nachgewiesen werden. Vor allem Pflanzen an Straßenrändern sind hohen
Konzentrationen der Salze ausgesetzt. Die Entwicklung der Pflanzen wird dadurch stark
gehemmt.
Mit dieser Versuchsanordnung können auch andere Schadstoffe in ihrer Wirkung auf die
pflanzliche Entwicklung bezüglich der unterschiedlichen Konzentrationen und Einwirkzeiten
getestet werden.
Die Pflanzen kann man selbst auskeimen lassen oder man kauft sich im Supermarkt bereits
kleine Sprossen, die für Salate angeboten werden.
VERSUCH 90: EINFLUSS VON STREUSALZEN AUF DAS WACHSTUM VON PFLANZEN
Materialien
100 g Kochsalz (NaCl),
bewurzelte
Radieschen)
Durchführung
-
Ergebnis
Pflänzchen
(z.
5
Enghals-Erlenmeyer-Kolben
B. (150 mL), Messzylinder (200 mL),
Spritzflasche, Watte, wasserfester
Stift
Aus Kochsalz und Wasser 1%ige, 3%ige, 5%ige, 10%ige
Natriumchlorid-Lösungen herstellen,
5 Erlenmeyer-Kolben beschriften und befüllen (einen-ErlmeyerKolben zur Kontrolle mit Wasser füllen),
Je zwei Pflänzchen mit Watte in die Erlenmeyer-Kolbenhälse
stecken,
Täglich beobachten
Je höher die Natriumchloridkonzentration, desto schwerer die Störungen
im Pflanzenwachstum
Es kommt zu Plasmolyse-Erscheinungen
Zeit
Versuchsansatz: 20 min., nach 14 Tagen: 5 min.
VERSUCH 91: WIRKUNG VON SCHADSTOFFEN AUF DIE BODEN FAUNA (VERGLEICHE
VERSUCH 62,VERSUCH 63)
Materialien
Wasserstoffperoxid (H2O2), w = 3 %, Wurzellose
Bodenprobe,
(O,C),
Magnetrührer
mit
Rührfisch,
Erlenmeyerkolben
mit
seitl.
Bodenprobe,
Ableitung, kurzer Gummischlauch,
Altöl
gewinkeltes Glasrohr, Messzylinder,
Glaswanne mit Wasser, Stoppuhr,
Schutzbrille, Handschuhe
Durchführung
Ergebnis
Wie Versuch 63:
-
ca. 5 g trockene Erde, den Rührfisch und
10 mL Wasserstoffperoxid-Lösung in das Reaktionsgefäß geben,
Gefäß schnell verschließen,
Eine Stoppuhr und den Magnetrührer einschalten.
Nach 3 Minuten gebildetes Gasvolumen ablesen = Kontrollprobe.
-
Eine Bodenprobe mit Altöl versetzen und Versuch wiederholen.
Vergleich der Ergebnisse
Durch das Enzym Katalase zersetzt sich Wasserstoffperoxid in Wasser und
Sauerstoff: 2 H2O2  2 H2O + O2
Katalase bildende Mikroorganismen werden durch das Altöl beeinträchtigt,
weswegen kaum / keine Reaktion auftritt
Zeit
10 min.
ERSTELLUNG VON ARBEITSGERÄTEN DURCH SCHÜLER
VERSUCH 92: BARBERFALLE
Abb. 41: Barberfalle
Eine Barberfalle ist eine im Boden versenkte Fangeinrichtung, deren Rand ebenerdig
abschließen muss (siehe Abb. 41). Meist enthält sie eine Fangflüssigkeit, die die Tiere für die
spätere Untersuchung abtötet. Über der Falle wird oft ein Dach gestellt, damit die
Fangflüssigkeit nicht verdünnt wird und kleine Säuger nicht in die Falle gelangen.
Für einen Nachbau der Barberfalle braucht man lediglich einen leeren Quark- oder
Joghurtbecher mit Deckel. Dieser wird mit 3 Stiften oder Holzstäbchen über den in den
Boden eingelassenen Becher fixiert (siehe
Abb. 41). Im
Schulbetrieb empfiehlt der Verzicht auf eine Fangflüssigkeit, da es den Kindern meist sehr
unangenehm ist, die Tiere für Untersuchungen abzutöten. Die Art der gewählten Flüssigkeit
beeinflusst auch den Fang der Oberflächenläufer. Fangflüssigkeiten sind ansonsten wie auch
in den anderen noch vorzustellenden Fallen ein Formalingemisch, Ethanol, Essigsäure,
Rotwein, Wasser und Bier.
Materialien
(Quark-) Plastikbecher mit Deckel, 3 Stäbe, Schaufel, Wasser
Durchführung Mit der Schaufel ein Loch in den Boden graben, der untersucht werden soll,
Plastikbecher ebenerdig abschließend einsetzen, Wasser als Fangflüssigkeit
für den Schulgebrauch. Eine Versteckmöglichkeit kann für die gefangenen
Tiere im Becher platziert werden (aber so, dass sie nicht wieder aus der Falle
gelangen können). Den Deckel mit 3 Stäben über dem Fanggefäß befestigen
Ergebnis
Die Falle nach1-2 d kontrollieren (mind. 24 h), reingefallene Tiere mit der
Zeit
Optik bestimmen, Tiere im Anschluss freilassen
Versuchsansatz 10 min, Beobachtungszeitraum: mind. 24 h, sonst je nach
Bedarf, Ansehen und Bestimmen: 20 min.
VERSUCH 93: BERLESE-TULLGREN-EXTRAKTOR
Die
Berlese-Vorrichtung
wird
eingesetzt, um im Erdreich befindliche
Organismen der Mesofauna zu
isolieren.
Sie
ist
eine
Extraktionseinrichtung,
die
die
Präferenzen
der
meisten
Bodenorganismen für Dunkelheit und
Feuchtigkeit ausnutzt.
In einem Trichter (z. B. Abgeschnittener
Flaschenhals) befindet sich die
Bodenprobe, die untersucht werden
soll. Der befüllte Trichter wird auf
einen dunklen Auffangbehälter (z. B.
Unterer Teil einer Flasche) mit einer
Fangflüssigkeit gesteckt. Von oben
kann mit einer 40 Watt-Glühlampe
beleuchtet werden, so dass es auf der
Oberfläche der Probe hell, warm und trocken wird. Im unteren Teil des Trichters ist die Erde
dunkel, kühler und feuchter. So wird nun ein Licht-, Wärme- und Feuchtigkeitsgradient
erzeugt. Die Tiere bewegen sich (beispielsweise entsprechend ihrer negativen Fototaxis) in
den unteren Teil der Probe und fallen schließlich durch die Maschen des Trichters in die
Fangflüssigkeit. Wird der Trichter mit einem Netz ausgekleidet (z. B. Mückengaze), hält das
die Bodenprobe gut zusammen. Die Maschengröße bestimmt die Körpergröße der
gefangenen Tieren (z. B. Mesofauna).
Materialien
Berlese-Tullgren-Extraktor (Bauanleitung siehe Materialien), belebte
Erdprobe
Durchführung Trichter des Berlese-Tullgren-Extraktors mit Bodenprobe und Flasche mit
Wasser (oder anderer Fangflüssigkeit) füllen, mit Zeitungspapier dunkel
einschlagen und 1-4 d stehen lassen, Fallenfang mit Optik bestimmen und
quantifizieren
Ergebnis
Man fängt Tiere, die durch die Maschengröße passen (Milben,
Springschwänzen, Larven, Spinnentiere, kleine Würmer).
Zeit
Versuchsansatz 30 min, Beobachtungszeitraum: mind. 1-2 d mit
Beleuchtung, ohne mehr
Abb. 42: Fanggefäß mit aufgesetztem Trichter
VERSUCH 94: BAERMANN- TRICHTER
Abb. 43: Baermann-Trichter
Der Baermann-Trichter ist eine Extraktionsapparatur, mit der man vor allem Nematoden
erhält (siehe Abb. 43). In der Forschung arbeitet man mit Bodenproben gefüllten Glasröhren
in Stativen und die Nematoden sedimentieren in Schläuchen, die durch eine
Schlauchklemme abgedichtet wurden. Durch das Lösen der Schlauchklemmen fängt man die
sich an dieser Stelle angesammelten Nematoden in einem darunter stehenden Gefäß auf.
Schüler verfügen nicht über Glasröhren, Stative, Schläuche und Schlauchklemmen. Daher
wurde eine vereinfachte Apparatur entwickelt, die einen ausreichenden Fang ermöglicht.
Statt Glasröhre und Stativ kann eine 0,5-0,75 l-PET-Flasche verwendet werden und der
Schlauch mit Schlauchklemme wird durch einen sogenannten Raketenluftballon (ein
langgestreckter Luftballon) ersetzt. Dieser passt perfekt über den Schraubverschluss der
Flasche und kann auf die entsprechende Länge zurecht geschnitten werden, so dass er in
den Flaschenkörper vom Flaschenhals-Trichter, der umgedreht auf den Flaschenkörper
gesetzt wird, hängen kann. Man muss einen Wattebausch an den Ausgang des Trichters
setzen und den Ballon nun so mit Wasser füllen, dass der Wattebausch knapp unter Wasser
steht. Nun kann die belebte Bodenprobe in den vorbereiteten Flaschentrichter gefüllt
werden. Im Trichter entsteht, ähnlich wie beim Berlese-Extraktor ein Licht-, Wärme- und
Feuchtigkeitsgradient, dem die Nematoden und andere wasserbewohnende
Bodenorganismen entsprechend ihrer Präferenzen folgen. Will man den Fang nach ca. 2
Tagen unter einem Mikroskop betrachten, dann schneidet man einfach den unteren Teil des
Luftballons ab und fängt die darin befindliche Flüssigkeit samt Organismen auf.
Materialien
Baermann-Trichter (Bauanleitung siehe Materialien), belebte Erdprobe
Durchführung in den Baermann-Trichter die Bodenprobe füllen, darauf achten, dass der
eingelegte Wattebausch und der Luftballon gerade so mit Flüssigkeit
getränkt ist, mit Zeitungspapier dunkel einschlagen, 1-4 d stehen lassen,
Beleuchtung möglich, Fallenfang mit Optik bestimmen und quantifizieren
Ergebnis
Nematoden, wasserlebende Organismen (Microfauna)
Zeit
Versuchsansatz 30 min, Beobachtungszeitraum: mind. 1-2 d mit
Beleuchtung, ohne länger
Abb. 44: Baermann-Trichter vor der Auswertung
BODENBIOLOGISCHES PRAKTIKUM
Im Bodenbiologischem Praktikum versuchen die Schüler, wie biotische und abiotische
Umweltfaktoren auf verschiedene Bodenorganismen wirken. Unter biotischen
Umweltfaktoren, versteht man Einwirkungen anderer Organismen, z. B. Nahrungsangebot,
Fortpflanzungspartner, inner- und außerartliche Konkurrenten, Parasiten u.a. Als abiotische
Umwelteinflüsse wirken vor allem mit klimatischen und standörtliche Faktoren z. B.
Temperatur, Licht, Feuchtigkeit, Luftdruck, Kohlenstoffdioxid- und Sauerstoffgehalt usw.
Abb. 45: Toleranzbereiche
Tiergemeinschaften verändern sich durch die Einwirkung biotischer und abiotischer
Umweltfaktoren. Da Bodentiere relativ langlebig sind, müssen ihre Lebensansprüche am
Standort mittelfristig gesichert sein. Den Intensitätsbereich, den ein Lebewesen toleriert,
nennt man seine ökologische Potenz. Verschiedene Arten ertragen Schwankungen eines
Umweltfaktors unterschiedlich. Einige tolerieren große Veränderungen, das heißt sie haben
einen großen Toleranzbereich gegenüber diesem Umweltfaktor, andere halten nur kleine
Änderungen aus, ohne Schaden zu nehmen. Ökologen bezeichnen die erstgenannten als
euryöke Arten, letztgenannte als stenöke. Innerhalb jedes Toleranzbereiches gibt es ein
Minimum, ein Optimum und ein Maximum der Lebensintensität, die ein Organismus zeigt.
Das in der Grafik dargestellte Pessimum ist jeweils die Lebensgrenze des Organismus (siehe
Abb. 45). So bewirkt beispielsweise eine zu geringe Sauerstoffkonzentration (entspricht dem
Minimum des Umweltfaktors Sauerstoff), als auch eine zu hohe Konzentration (entspricht
dem Maximum des Umweltfaktors Sauerstoff) den Tod eines Lebewesens. Als Präferendum
bezeichnet man Vorzugsbereich gegenüber dem Umweltfaktor, das heißt hier herrschen
optimalen Lebensbedingungen für den Organismus. Einige der stenöken Arten haben einen
so kleinen oder extremen Toleranzbereich, so dass sie als Zeigerorganismen dienen können.
In den folgenden Versuchen experimentieren die Schüler mit Bodentieren, um ihre
Präferenzen gegenüber einzelnen Umweltfaktoren herauszufinden und auf den Lebensraum
bzw. die Lebensweise zu schließen. Aufgabenkarten erleichtern den Schülern das Erfassen
der Aufgabe. Bevorzugt können Feuerkäfer, Keller-, Mauer- und Rollasseln eingesetzt
werden, gut eignen sich aber auch Regenwürmer, Hundert- und Tausendfüßer. Die Schüler
lernen so einen verantwortungsbewussten Umgang mit den Tieren. Alle bei den Versuchen
eingesetzten Tiere werden im Anschluss wieder in die freie Natur entlassen.
MESSUNG ABIOTISCHER UMWELTFAKTOREN BEI T IEREN
In der Schule messbare abiotische Umweltfaktoren (und damit für Schülerversuche
geeignete Parameter) sind Temperatur, Feuchte, Licht und Säuregehalt. Dazu wurden von
der Autorin entsprechend Versuchsapparaturen professioneller bzw. aufwendiger Vorbildern
(vgl. Brucker/ Kalusche und Biedermann19) nachgebaut. So entstanden eine Temperatur-,
eine Feuchte- und eine Lichtorgel. Die Schüler dachten mit großer Kreativität und Freude
sich ein Regenwurm-Wahl-Labyrinth aus. Mit diesen Geräten können das Thermo-, Hyground Lichtpräferendum einer Tierart ermittelt werden. Die Tiere setzt man mittig in die
entsprechende Versuchsapparatur und beobachtet, wohin sie sich bewegen. Dort, wo sich
die meisten Tiere einer Art aufhalten, liegt ihr Vorzugsbereich für den entsprechenden
Umweltfaktor.
VERSUCH 95: TEMPERATURORGEL
Die Temperaturorgel20 besteht aus einer Metalllaufschiene und 2 Gefäßen: Das eine enthält
eine Kältemischung und das andere heizt. Dabei entsteht ein Temperaturgradient, der mit
Hilfe von elektronischen Thermometern punktuell gemessen werden kann. Eine Abdeckung,
die entsprechend der Tierart durchsichtig oder lichtdicht gewählt werden kann, verhindert
bei fliegenden, aber auch sehr flinken Tieren das Entkommen. Nach dem Einsatz in der Mitte
19
Wolfram Biedermann: Bau eines Ökofaktorensimulators in Praxis der Naturwissenschaften
Biologie, 4/ 47. Jg. 1998, Aulis Verlag Deubner & Co KG Köln
20
Bauanleitung im folgenden Kapitel
der Laufschiene beobachtet man die Bewegung der Tiere, die Schüler protokollieren den
Aufenthalt in entsprechend gewählten Zeiteinheiten.
Abb. 46: Skizze und Versuchsaufbau Temperaturorgel
VERSUCH 96: LICHTORGEL
Die Lichtorgel21 besteht aus einer abgedunkelten Metalllaufschiene und 2 Gefäßen, die zur
Stabilisierung der Versuchseinrichtung dienen. Durch die Abdeckung mit verschiedener
Transparenz entsteht in der Laufschiene ein Lichtgradient, der mit Hilfe von einem Luxmeter
gemessen werden kann. Nach dem Einsatz der Tiere in der Mitte der Laufschiene und dem
Abdecken beobachtet und protokolliert man in entsprechend gewählten Zeiteinheiten die
Bewegung der Tiere.
21
Bauanleitung im folgenden Kapitel
Abb. 47: Skizze und Versuchsaufbau Lichtorgel
VERSUCH 97: FEUCHTEORGEL
Die Feuchteorgel besteht aus 2 ineinander stapelbaren Gefäßen, die luftdicht abgedichtet
werden. Beide Gefäße sind in 4 Segmente unterteilt. Die im unteren Gefäß befindlichen
Kammern enthalten die hygroskopische22 Salze sowie einen mit Wasser getränkten
Wattebausch in kleinen PVC-Gefäßen (Plastik-Schnapsgläser bewährten sich), die oberen,
auf der Lauffläche befindlichen Kammern besitzen Öffnungen, so dass die Tiere von einem
ins andere Segment gelangen können. Günstig erwies sich, den Bodentieren gleichartige
Versteckmöglichkeiten pro Kammer zu bieten. Durch die hygroskopisch wirkenden Salze, die
das Kammerinnere des unteren und oberen Gefäßes trockneten, entsteht ein
Feuchtigkeitsgradient, der mit Hilfe von elektronischen Hygrometern gemessen werden
kann. Bei dieser einfachen Versuchsapparatur empfiehlt es sich, zu Beginn des Versuches die
22
wasserbindend, also trocknende Salze
Feuchtigkeit pro Kammer zu messen und nach dem Abschluss der Versuche. Der Mittelwert
reicht für die Bestimmung aus. Nach dem Einsatz in einer neutralen, gekennzeichneten
Kammer beobachtet man die Bewegung der Tiere, die Schüler protokollieren den Aufenthalt
in entsprechend gewählten Zeiteinheiten.Kleinere Tiere können in einer geteilten
Petrischale23 geprüft werden.
Abb. 48: Skizze und Versuchsaufbau Feuchteorgel
VERSUCH 98: WAHLVERSUCH BEI REGENWÜRMERN
Die Schüler konstruierten selber ein kleines Labyrinth, das mehrere Umweltfaktoren oder
auch nur die Präferenz für säurehaltige Substanzen ermittelte. Die Konstruktionen
entstanden aus Papier, Pappen, Abflussrohren, Lego® und Holz. Prinzipiell wurde dem
Regenwurm eine Labyrinthecke mit Essig und eine andere mit Erde angeboten. Damit der
Versuch nicht zu zeitaufwendig wird, sollten agile Tiere verwendet werden, da man den
Versuch zur Überprüfung der Ergebnisse mit dem gleichem Wurm wiederholen sollte. Es
versteht sich von selbst, mit dem Regenwurm verantwortungsbewusst umgegangen werden
muss. Das gelingt vor allem, wenn die Schüler sich ihren „eigenen“ Regenwurm mitbringen.
23
Ogilivie, D. M., Stinson, R. H. 1995: Schulbiologische Untersuchungen mit lebenden Tieren. Ernst
Klett Schulbuchverlag, Stuttgart, S. 263
Abb. 49: Aufgabenkarte zu Wahlversuch
Abb. 50: Verschiedene Labyrinth-Varianten
MESSUNG ABIOTISCHER UMWELTFAKTOREN BEI PFLANZEN
VERSUCH 99: WACHSTUMSVORAUSSETZUNGEN FÜR PFLANZEN BILINGUAL
Pflanzen benötigen zum Wachstum bestimmte Bedingungen. Diese können in Quell- und
Keimversuchen untersucht werden. Die Schüler erhalten den Auftrag, Bohnensamen erst
quellen, dann keimen zu lassen. Bohnensamen werden hell/ dunkel, trocken/ feucht, warm/
kalt auf verschieden Materialien zum Keimen gebracht (oder auch nicht).
Anschließend können die Experimente fortgesetzt werden, indem die jungen
Bohnenpflanzen mit jeweils verschiedenen Lösungen gegossen (siehe Versuch 89) oder
unterschiedlichen Bedingungen (siehe Versuch 99) ausgesetzt werden. Man beobachtet das
Wachstum.
Samen brauchen Feuchtigkeit und Wärme, das Licht ist unbedeutend. Anders ist es bei den
jungen Pflanzen: Sobald die ersten Keimblätter sich aus dem Samen schieben, benötigt die
Pflanze zusätzlich Licht zur Entwicklung.
Fächerverbindend können den Schülern verschiedene Aufgaben gestellt werden. Eine der
Beispielaufgaben wird hier dargestellt, weitere Arbeitsblätter dazu im Anhang. Als Grundlage
für die Versuchsanleitungen nutzte die Autorin Calabrese, I., Rampone, S. (2007)24.
Abb. 51: Ergebnis einer Schülerarbeit
24
Calabrese, I., Rampone, S. 2007: Cross-curricular Resources for Young Learners. Oxford
University Press
What plants needs to grow
Preparation
Materials:
sunflower
seeds or beans
soil
sand
cotton wool
water
transparent
plastic bag
cardboard box
shovel
label and
pencil
5x
5 pots
Experiment 1
Fill a pot with soil (sand).
Make 3 small holes in the soil (sand).
Put 3 seeds in each hole.
Cover the seeds with some soil (sand).
Abb. 52: Bilinguales Arbeitsblatt zu Versuch 99
MESSUNG BIOTISCHER UMWELTFAKTOREN BEI TIEREN
ERMITTLUNG DER POPULATIONSGRÖßE DURCH METHODE DES „MARKIEREN S UND
FREILASSENS“
Bereits im späten 19. Jh. gingen der Fischereibiologe C.G.J. Petersen und der Ornithologe F.C.
Lincoln 1930 zur Einschätzung der Populationsgrößen bei Fischen und Vögeln gleich vor. Sie
wird daher als Petersen- oder Lincoln-Methode bezeichnet. Das „Markieren und Freilassen“
ist die am häufigsten angewandte Methode, um Populationen zu quantifizieren. Zuerst fängt
man eine Populationsstichprobe, zählt und markiert die gefangenen Tiere mit einer Farbe
und/oder einer Zahl. Mit Schülern empfiehlt es sich, Korrekturflüssigkeit (weiß) zu
verwenden. Die Farbe sollte schnell trocknen, damit die Bodentiere, die hier untersucht
werden sollen, nicht in ihren dunklen, engen Verstecken am trocknenden Farbklecks kleben
bleiben und verenden. Ist die Farbe getrocknet, setzt man die Tiere wieder aus und fängt in
einem vorher bestimmten Zeitabstand (hier 24 h bei Schülerauftrag oder 7 d während des
wöchentlichen Unterrichts) die markierten und nicht markierten Tiere wieder zum Auszählen
ein. Die unmarkierten werden nun ebenfalls mit Farbe versehen und freigelassen. Im
entsprechenden Intervall die Stichprobe wiederholen. Bei der Anwendung der Methode geht
man davon aus, dass:
… markierte Tiere sich gleichmäßig in der Gesamtpopulation verteilen
… es sich um eine isolierte Population handelt, bei der während der Fangzeit keine
Immigrationen und Emigrationen (Ein- und Auswanderungen) vorkommen
… sich alle Tiere gleich gut fangen lassen
Es lohnt sich, bei dieser Methode statistischen Verfahren anzuwenden, um die Schüler die
Populationsgröße berechnen zu lassen.
VERSUCH 100: ERMITTLUNG DER POPULATIONSGRÖßE (NACH OG ILVIE/ STINSON
25
1995)
Materialien
Durchführung
Korrekturflüssigkeit, Keller- und Mauerasseln
Einen bestimmten Ort (z. B. Baumstumpf, Stein) mit Asseln ausfindig
machen, gefundene Tiere einsammeln und mit Punkt der
Korrekturflüssigkeit auf „Rücken“ (1-2 Thoraxsegmente) versehen und
wieder freilassen
Nach 24 Stunden Ort erneut aufsuchen und alle vorhandenen markierten
und unmarkierten Tiere zählen, Stichproben an folgenden Tagen (o.
Nächten) wiederholbar
Erfassen der gefundenen Tiere (Ns), der davon markierten Tiere (Nms) und
den bis zu bestimmten Zeitpunkt markierten Tiere (N mp) in einer Tabelle.
25
Ogilvie, D.M., Stinson, R.H.: Schulbiologische Untersuchungen mit lebenden Tieren. Ernst
Klett Schulbuchverlag, Stuttgart, 1995, 1. Auflage, S. 213ff.
Berechnen, wie groß Population ist:
Gesammelte Tiere multiplizieren mit dem Quotienten aus markierten
Tieren bis zum Zeitpunkt zu den markierten Tieren überhaupt:
(Np=Ns · Nmp / Nms)
Nach mehreren Stichproben den Mittelwert aus der ermittelten
Populationsgröße berechnen.
Am gleichen Ort wurden stets markierte und unmarkierte Tiere in
unterschiedlichem Verhältnis gefangen. Je mehr Zählungen erfolgen, desto
besser kann die Populationsgröße eingeschätzt werden.
Vorbereitung (Markierung): 15 min., Zählung: 5 min.
Ergebnis
Zeit
Beispiel für einen Erfassungsbogen für die Einschätzung der Populationsgröße von Asseln:
Gesamtzahl aller
gefangenen
Tiere an diesem
Tag
Datum
Ns
12
10
21
23
14.05.
15.05.
18.05.
21.05.
Anzahl der
wiedergefunden
en, markierten
Tiere an diesem
Tag
Anzahl der
unmarkierten
Tiere an diesem
Tag
Geschätzte
Gesamtzahl der
Tiere in der
Population
Nmp
6
13
12
Np
15
34
25
Nms
4
8
11
Beispielrechnung:
Np
=
Ns
.
Nmp
Nms
Np
=
10
.
6
4
Np
=
15
Vermutlich umfasste die Assel-Population dieser Stichprobe 15 Tiere.
VERSUCH 101: ZERSETZUNG VON ZELLULOSE UND LIGNIN
Lignin und Zellulose sind die Hauptbestandteile von Holz. Lignin lagert sich zwischen die
Zellulosefasern ein und sorgen für eine erhebliche Versteifung (Verholzung). Zellulose ist ein
hochmolekulares Polysacharid, das aus dem Disacharid Zellobiose aufgebaut ist. Beide Stoffe
werden im Boden abgebaut. Einfache Versuche zeigen die Leistungsfähigkeit der
Mikroorganismen, die dies bewirken. Dabei werden verschiedene Papiersorten in
Probegefäße, die gleichmäßig feucht, warm gehalten und belüftet werden, mindestens 14
Tage beobachtet. Es eignen sich gleich große Stücken Kaffeefilterpapier (bestehend aus
Zellulose und Stärke) sowie unbedrucktes Zeitungspapier (bestehend aus Lignin- u.
Zellulosefasern). Die Schüler ermitteln die Fläche, die durch Abbauvorgänge verschwunden
sind. Je nach Fähigkeit der Schüler können Rechtecke oder Kreise berechnet werden.
Materialien
Filterpapier, Zeitung, Schere, Pflanzgefäße (z. B. Quarkbecher mit Deckel),
Geodreieck, Erdproben
Durchführung Erdproben in Pflanzgefäße füllen, anfeuchten und jeweils ein Stück Papier
(das sich gut berechnen kann) rein legen. Versuchseinrichtung an einen
warmen, aber nicht sonnigen Platz stellen und ab und zu belüften. Am Ende
der Beobachtungszeit das Papier neu vermessen und berechnen, Vergleich
mit Tabelle
Ergebnis
Papierstücken haben Löcher und dunkel humifizierte Stellen, die
abgemessen und berechnet werden, Bewertung anhand der Tabelle:
Zeit
nach BRUCKER, S. 46
Abbau
2 cm2
3 cm2
5 cm2
6 cm2
Versuchsatz: 10 min, Versuch: 2-3 Wochen
Beurteilung
schlecht
befriedigend
gut
sehr gut
VERSUCH 102: BESTIMMUNG DER NAHRUNGSPRÄFERENZEN VON BODENTIEREN
Für die Untersuchung von Nahrungspräferenzen können die Kotmengen der Tiere ermittelt
werden oder man berechnet den Verbrauch eines vorher quantifizierten
Nahrungsangebotes. Als definierte Menge kann z.B. eine bestimmte Anzahl von
Laubblattquadraten dienen, die man sich zuschneiden muss. Die angebotene Nahrung kann
variieren: Laub einer bestimmten oder mehrerer Arten in verschiedenen Zersetzungsstadien
bzw. frisches Laub. Man stellt die bevorzugte Nahrung fest. Zur Ermittlung der Kotmenge
wählt man eine Laubblattart aus und ermittelt so den Verbrauch. Verwendet man
verschieden Arten Laubblätter, so berechnet man die weggefressene Blattfläche.
Materialien
Aufbewahrungsbox, Schere, Waage, (verschiedene) Laubblätter, Keller- und
Mauerasseln, Tausendfüßer, Saftkugler, Regenwürmer,
Durchführung Aus den Laubblättern Quadrate (1x1 cm) schneiden, jeweils eine Tierart mit
der definierten Nahrungsmenge in den Behälter legen, beobachten,
Kotmengen abwiegen oder verbrauchte Blattfläche ausmessen und
berechnen
Ergebnis
Zeit
Nach dem Versuch Tiere wieder aussetzen!
Alle vorgeschlagenen Tiere favorisieren verrottetes Laub gegenüber
frischem, weiche Blätter gegenüber harten. Die Autorin hat festgestellt, dass
vor allem Birke bevorzugt wird.
Versuchsansatz: 10 min., Versuch: 1-2 Tage
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Boden - Eine Lehrerhandreichung

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