In den Boden geschaut
Die Pflanzen benötigen zum Wachstum Energie (Sonne), Wasser (aus Boden und Luft) und Nährstoffe (aus Boden und Luft). Nach den gegenwärtigen Lehrmeinungen werden in der Pflanzenernährung 16 bis 22 Elemente als lebensnotwendig angesehen. Der Hauptanteil der Pflanzenmasse wird von C (~45%), O2 (~42%) und H (~6%) gebildet. Der Anteil an mineralischen Elementen (z.B. Ca, Mg, S, N, P, K, Zn, Mn, Cu, Fe, B, Na, Mo) beträgt insgesamt nur etwa 7% (Bergmann 1993, Schilling 2000).
Der Großteil der mineralischen Nährstoffe wird von den Wurzeln aus dem Boden, korrekter aus der Bodenlösung, aufgenommen. Bei der Aufnahme können sich die gelösten Stoffe gegenseitig behindern, fördern oder indifferent verhalten (siehe Abbildung „Wirkungsgefüge“).
Wirkungsgefüge von Stoffen (mod. nach SGD Weinbau, 2006)
rote Pfeile: Antagonismus stark,
gelbe Pfeile: Antagonismus schwach,
grüne Pfeile: Synergismus
Seit langem ist bekannt, dass ab einem bestimmten Nährstoffniveau die Verhältnisse der Stoffe zueinander für die Ertragsbildung eine weit bedeutendere Rolle spielen als deren Absolutgehalte (siehe Abbildung). Man kann davon ausgehen, dass mehr als 90% der Böden Westeuropas dieses Niveau weit überschritten haben (Köster & Nieder, 2007).
Einfluss von Nährstoffmengen und -verhältnissen auf die Ertragsbildung (mod. nach Husz, 1988).
Nährstoffbereitstellung der Böden
In Abhängigkeit des geologischen Ausgangsmaterials kann ein Boden sämtliche oder nur Teile der für die Pflanze essentiellen Nährstoffe in ausreichender Menge zur Verfügung stellen. Die Nährstoffbereitstellung der Böden wird von den verfügbaren Gesamtnährstoffen, den Nährstoffgehalten in der Bodenlösung, der Nährstoffnachlieferungsrate und der Diffusionsrate einschließlich des von Boden zu Boden unterschiedlichen Massenflusses der Ionen zu den Pflanzenwurzeln beeinflusst. Zudem spielen noch bodeneigene Faktoren wie Bodenart (Sand-Schluff-Tongehalt), Humusgehalt, biologische Aktivität und Sorptionseigenschaften eine wichtige Rolle. Durch Bodenbearbeitung, Fruchtfolge, Art der Bewirtschaftung und Düngung kann direkt auf die mikrobiologischen Aktivitäten und damit auf die dynamischen Prozesse im Boden Einfluss genommen werden (siehe Abbildung). Stoffe, welche stark gebunden sind, können mobilisiert sowie Stoffe, die in hohen Konzentrationen gelöst sind, in festere Bindungsformen überführt werden.
Fließgleichgewicht und Stoffpools des offenen Systems Boden (mod. nach Schröder, 1992)
Bindungsformen und Verfügbarkeitsstufen
Je nach Bindungsform sind die Stoffe im Boden für die Pflanze besser oder schlechter verfügbar. In der Abbildung unten sind die verschiedenen Verfügbarkeitsstufen am Beispiel des Kaliums (K) dargestellt und zur Vereinfachung auf die mineralischen Bindungsformen eingeschränkt.
K kann zu den Strukturelementen gehören, ist extrem stark gebunden und spielt somit für die aktuelle sowie mittelfristige Pflanzenernährung keine Rolle (F4 = Fraktion 4).
Mit zunehmender Entfernung aus den Innenbereichen nimmt die Verwitterung zu. Von den angewitterten Randbereichen können einzelne Bruchstücke / Moleküle / Ionen bereits in den nächsten 10 bis 15 Jahren für die Pflanzenernährung relevant werden (F3 = Fraktion 3).
Die Oberflächen der Tonminerale sind negativ geladen und bilden gemeinsam mit der organischen Substanz den „Sorptionskomplex“. Da es keine freien Ladungsunterschiede in der Natur geben kann, werden gegenteilig geladene Stoffe angelagert. Diese Anlagerung ist keine fixe (Ionen)-Bindung, die angelagerten Stoffe können durch andere Stoffe (z.B. Wurzelausscheidungen) ausgetauscht werden (F2 = Fraktion 2). Die „austauschbaren Kationen“ bilden einen der wichtigsten Pools für die Ernährung der Pflanzen und Mikroorganismen sowie die Aggregatstabilität.
Mit zunehmender Entfernung vom Sorptionskomplex nimmt dessen anziehende Wirkung ab. Man kommt in einen Bereich, in dem negativ und positiv geladene Teilchen im Gleichgewicht vorkommen, der Bodenlösung (F 1=Fraktion 1). Deren Zusammensetzung bzw. die Relationen der gelösten Stoffe sind für die Ernährung der Pflanze von größter Bedeutung. Pflanzenwurzeln können Stoffe nur in gelöster Form aufnehmen (Ausnahmen bilden kleine Bruchstücke von Aminosäuren und der Prozess der Endocytose).
Modellhafte Darstellung der Bindungsintensitäten eines Stoffes im Boden
Nährstoffverhältnisse
Zur optimalen Ernährung sollte die Bodenlösung eine Idealzusammensetzung von Konzentrationen, Verhältnissen und Spezies an Stoffen besitzen. Es gibt keinen Überschuss ohne gleichzeitigen Mangel an Stoffen! Ein Überschuss an K bedeutet gleichzeitig einen Mangel an Ca, Mg, (N).
Stoffe, die sich bei der Aufnahme aufgrund ihrer chemischen Ähnlichkeit gegenseitig stark hemmen, sind z.B. folgende Ionenpaare: NO3/Cl, SO4/MoO4, Mg/Mn. So bedeutet etwa eine hohe Konzentration an SO4 eine verminderte MoO4 Aufnahme mit der Folge eines stark gestörten Eiweißstoffwechsels, da Mo das Zentralatom der Nitrogenase und Nitratreduktase ist
Die Ausscheidungen der Pflanzenwurzeln können nur sehr beschränkt selektiv wirken. Der ausgeschiedene Säureschwarm verdrängt die Stoffe vom Sorptionskomplex, diese gehen in die Bodenlösung über und umspülen die Pflanzenwurzel.
Bodenuntersuchung / „Fraktionierte Analyse“
Um die oben dargestellten kinetisch-dynamischen Prozesse und unterschiedlichen Bindungsformen der Stoffe im Boden ausreichend abbilden zu können ist es notwendig, die Natur ins Labor zu holen. Es müssen Methoden angewandt werden, welche die spezifischen Verhältnisse des Standortes weitgehend simulieren können. Dazu verwenden wir in unserem Labor die Methode der „Fraktionierten Analyse“, welche seit 2004 ein genormtes Verfahren darstellt (ÖNORM S2122-1). Dadurch können Nährstoffverhältnisse und potentiell mobilisierbare Reservestoffe erkannt werden. Wir entwickeln die Methode laufend weiter und integrieren die aktuellen Erkenntnisse der Bodenforschung und die Ansprüche aus der Praxis.
Informationen zur Fraktionierten Analyse finden Sie hier.
Verwendete und weiterführende Literatur
Bergmann (1993). Ernährungsstörungen bei Kulturpflanzen. 3. Auflage, Gustav Fischer Verlag.
Fachbeirat für Bodenfruchtbarkeit und Bodenschutz beim Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft (BMLFUW) (2003). Richtlinien für die sachgerechte Düngung im Weinbau.
Husz (1974). Standortuntersuchung als Grundlage einer agrarökologischen Produktionsplanung. Habilitationsschrift, Univ. für Bodenkultur.
Schilling (2000). Pflanzenernährung und Düngung. Verlag Eugen Ulmer.
Scheffer-Schachtschabel (2010). Lehrbuch der Bodenkunde. 16. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag.
Schröder (1992). Bodenkunde in Stichworten. Gebrüder Borntraeger Verlagsbuchhandlung.
