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In einem vorherigen Artikel wird bereits erwähnt, wie man die Wichtigkeit der Nährstoffe in der Literatur einteilt. Dabei standen die Makronährstoffe an oberster Stelle. Doch weshalb sind sie wichtig und warum sind Mängel dieser Nährstoffe so schwerwiegend?
Es wird auf folgende Themen eingegangen:
Erklärung des Nährstoffs
Mangelsymptome der Nährstoffe
Düngemittel/Düngeverfahren der Nährstoffe
Stickstoff (Elementsymbol “N”) ist einer der drei Makronährstoffe, also einer der ausschlaggebendsten Pflanzennährstoffe. Er kommt zu 78% in unserer Luft als Molekül vor, welcher per Fixierungsverfahren (z.B. Ammonifizierung) in den Boden gelangen und anschließend aufgenommen werden können.
Pflanzen nehmen den Makronährstoff jedoch ausschließlich in anorganischer Form auf. Das heißt, dass die Elemente lediglich einzeln, in Ionenform oder in Molekülform in die Pflanze gelangen. Dadurch müssen diese mineralisiert werden. Mineralisationsverfahren werden von der Aktivität des Bodenlebens übernommen, wobei hier Faktoren wie gute Durchlüftung, Vermeidung von Staunässe und ein Nahrungsangebot für Mikroorganismen essentiell sind. Organisch ist bereits einiges verfügbar, welches allerdings von Faktoren wie dem Vorfruchtwert abhängt. Der organische Stickstoff wird von Mikroorganismen und anderem Bodenleben in Umlauf gebracht und ist zu 95% bereits im Boden vorhanden.
Dennoch kann die Aufnahme des Stickstoffs schädlich sein, da entweder die Auswaschungsgefährdung von Nitrat, das Entgasen von Lachgas in Form von Denitrifikation oder das Entgasen von Ammoniak naturnahe Ökosysteme gefährden können.
Um den Gefahren aus dem Weg zu gehen, wird bis heute per Düngeordnung versucht, den Stickstoffgehalt im Boden schubweise zu reduzieren.
Der Nährstoff ist unter anderem für die Biosynthese, also der Bildung lebenswichtiger Stoffe eines Organismus, sowie der Bildung von 20 verschiedenen Aminosäuren verantwortlich.
Pflanzen nehmen mineralisiertes Nitrat und Ammonium auf, um mit Stickstoff versorgt zu werden. Um dies erreichen zu können, werden Folge Prozesse benötigt:
Die Ammonifizierung, bei der Aminogruppen mit Hilfe von Wasser zu Nitrit oder Ammoniak mit Hilfe von Wasser zu Ammonium reagiert. Gesteuert wird dies durch Bakterien, Pilzen und Protozoen (aktives Bodenleben). Fixierungsverfahren wie die Ammonifizierung laufen im Bereich der Tonminerale im Boden ab, in dem die sogenannten Austauscherplätze positiv geladenes Ammonium aufnehmen und im Fall von hohen Pflanzeaufnahmeraten dieses pflanzenverfügbar machen.
Die Nitrifikation, bei der Stickstoffdioxid zu Nitrat wird. Dies geschieht in der Regel durch die Bakterien der Nitrobacter oder Nitrococcus.
Weiterhin kann jedoch durch den Prozess der Nitrifikation auch umgekehrt Ammonium zu Stickstoffdioxid per Bakterien (Nitrosomas oder Nitrosococcus) werden. Dieses Stickstoffdioxid kann zwar erneut in Nitrat umgewandelt werden, unterliegt jedoch der Gefahr der Denitrifikation, bei welcher das Stickstoffdioxid zu Lachgas oder Stickstoffmolekülen reagiert, welche die Umwelt schädigen. Deshalb werden meist zur Düngung zusätzlich Nitrifikationshemmer gegeben. Generell hat die Denitrifikation die Tendenz, in Böden mit anaeroben Verhältnissen abzulaufen.
Folgende Symptome können bei mangelndem Stickstoff auftreten:
allgemein schwache, kleinwüchsige Pflanzen (an hellgrüner Farbe erkennbar)
verminderte Bestandesdichte
Blätter können Starrtracht erleiden (anschließende Gilbung und Vertrocknung)
verminderter Ertrag
geringere Futterqualität von Futtergetreide
Bei der biologischen Fixierung von Distickstoff, also der bodeneigenen Düngung, wird mit Hilfe von zusätzlichen Elektronen und Wasserstoffatomen bei einer Temperatur von 20°C/1 bar per Nitrogenaseverfahren aus Eisen- und Molybdänelementen eine biologische Form des Stickstoffs - Ammoniak - erzeugt. Bei der Nitrogenase wird organischer Stickstoff in seiner Zusammensetzung reduziert und pflanzenverfügbar gemacht. Dieses Verfahren findet also jederzeit im Boden statt, damit Pflanzen überleben können.pflanzenverfügbare Nährstoffe entstehen.
Im Jahre 1913 hatte die Landwirtschaft mit der Entdeckung des “Haber-Bosch-Verfahren[s]” einen deutlichen Fortschritt genießen können. Das Verfahren erzielt dasselbe Ergebnis wie die biologische Fixierung, nur unter anderen Bedingungen. Die technische Distickstofffixierung erzeugt mit denselben Ausgangsstoffen unter der Verwendung von Erdöl, Erdgas oder Kohle unter 400°C/200 bar und einem Eisen- oder Molybdänhaltigen Katalysator ebenfalls Ammoniak.
Mittlerweile gibt es einige Stickstoffdünger, die verwendet werden, wie z.B.:
Kalkammonsalpeter, der wichtigste Dünger Deutschlands, welcher sowohl schnell bewegliches Nitrat als auch langhaltig wirkendes Ammonium bietet
Nitratdünger wie Kalksalpeter oder Natronsalpeter; diese sind stark Auswaschungsgefährdet, weshalb sie eine untergeordnete Rolle spielen
Der älteste synthetische Dünger, Ammonsulfat, welcher schnell in die Pflanze eindringt, jedoch stark versauernd wirkt; hier ist ebenfalls die Gabe eines zusätzlichen Nitrifikationshemmers sinnvoll.
Das Nachdüngen von Nitrat und Ammonium ist in der Landwirtschaft ein fester Bestandteil. Dennoch bringt auch dies Gefahren mit sich, da sich die physiologischen Verhältnisse des Bodens verändern können:
Durch die Aufnahme des positiv-geladenen Ammoniums per Dünger wird positiv-geladener Wasserstoff von der Pflanze an den Boden abgegeben. Da der umliegende Bodenbereich, die Rhizosphäre, in der Regel sauer ist, bleibt der pH-Wert gering. Findet die Düngung also auf bereits saurem Boden statt, steigt die Gefahr einer Übersäuerung
Die Aufnahme von Nitrat durch Dünger löst in der Pflanze eine Reaktion aus, bei der dieser erst in Ammoniak umgewandelt wird, was gleichzeitig dafür sorgt, dass negativ-geladene Hydroxidionen frei werden, welche die Rhizosphäre alkalisieren. Danach erst wird das Ammoniak zu Ammonium, welches von der Pflanze genutzt werden kann.
Nitrat wird aufgrund der hohen Beweglichkeit schneller von Pflanzen aufgenommen, muss jedoch wie oben genannt, erst weiter zu anderen Stoffen reagieren, um pflanzenverfügbar zu werden. Ammonium ist nicht so schnell beweglich wie Nitrat, ist jedoch bei Aufnahme sofort pflanzenverfügbar. Dennoch tendiert Ammonium-N leicht zur Auswaschung, weshalb auch schon die ersten Versuche mit Ammoniumstabilisatoren stattgefunden haben. So kann der Verlustanteil von Ammonium in der gesamten Nmin-Gabe klein gehalten werden (Verlust von ca. 46% kann verhindert werden).
Phosphat (Elementsymbol “P”) in Böden kann in drei verschiedene Gruppen eingeteilt werden:
Gelöstes Phosphat, welches sich in der Bodenlösung befindet und am meisten verbraucht wird. Deshalb ist der Boden auf eine Nachlieferung angewiesen.
Labiles Phosphat, welches an die Bodenlösung abgegeben wird. Hier wird das Element an Tonminerale adsorbiert und ist dementsprechend nicht immer pflanzenverfügbar.
Stabiles Phosphat, welches nicht pflanzenverfügbar ist.
Der Makronährstoff gelangt meist per Mineraldüngung oder per Vorfrucht in organischer Form in den Boden. Generell werden die P-Vorräte der Böden bis 2060 als verbraucht geschätzt, weshalb die Phosphordüngung bald nicht mehr wegzudenken sein wird.
Um eine unnötige Verschwendung der Phosphatdüngung zu vermeiden, wird unter anderem deshalb in Gehaltsklassen gedüngt. So hat ein Boden der Klasse A eine hohe Ertragswirkung und Klasse E sehr niedrige Ertragswirkung bei einer Düngung. Bei Klasse A sollte in diesem Fall eine starke Erhaltsdüngung durchgeführt werden, während Klasse E kaum bis gar nicht gedüngt werden soll. Anzustreben ist immer Klasse C, da hier die Düngung der ungefähren Nährstoffabfuhr entspricht.
Über Zwischenfrüchte kann die Phosphoraufnahme der Folgefrüchte gesteigert werden, da diese die Mineralisation der organischen, als auch anorganischen Parteien lösen. Die tatsächliche Wirkung der Zwischenfrüchte variiert jedoch nach Pflanzenart. Lupinen sorgen für mehr verfügbaren Phosphor im Boden, während Fabaceae die Phosphataseaktivität steigern. Phosphatase wird für den Metabolismus der Pflanzen benötigt.
Die labile Phosphatgruppe kann unter einem bestimmten pH-Wert (6,5< / > 8,5) oder stark-alkalischen Konditionen von Eisen-, Aluminum- oder Calciumphosphaten den Makronährstoff abgeben, welcher pflanzenverfügbar werden kann. Da Pflanzen Phosphat in Form von Orthophosphaten aufnehmen, ist ein pH-Wert von 5,5-6,5 günstig. Dies gilt aber nicht für den ganzen Boden, sondern ausschließlich für die Rhizosphäre, also dem engen Bereich um die Wurzeln.
Um den Phosphorgehalt schätzen zu können, werden Methoden wie die Doppel-Lactat oder Calcium-Acetat-Lactat verwendet. Die sauren Lösungen zersetzen die Bodenproben, wodurch das Phosphat bestimmt werden kann. Dies gilt allerdings nur für den anorganischen Phosphor, da alle möglichen Verfahren zur Bestimmung die organischen P-Fraktionen vernachlässigen.
Dass Pflanzen Phosphat benötigen, liegt unter anderem an der Bildung von Membranlipiden, welche für Stabilität der Pflanze sorgen. Diese werden auch Phospholipide genannt.
Folgende Symptome können bei mangelndem Stickstoff auftreten:
verzögertes Wachstum (erkennbar zum Teil durch anthocyan-rötlicher Färbung)
gestauchter Wuchs
schwache Bestockung des Bestands und eine verringerte Dichte dieser
Blätter erleiden Starrtracht
die Spitzen der Blätter beginnen braun zu vertrocknen
gehemmte Stärkeeinlagerung der Körner und eine verschlechterte Qualität von Backweizen
Beispiele für Phosphatdüngemittlel sind Rohphosphat (Apatit), welches vor allem auf sauren Böden empfohlen wird; dazu gehört Hyperphos, ein im ökologischen Landbau zugelassenes fein vermahlenes Rohphosphat. Weiter gibt es leicht lösliche Düngemittel, die für alle Bodentypen geeignet sind, wie etwa: Triple-Superphosphat, Diammonphosphat oder Superphosphat. Organische Dünger enthalten meist unterschiedliche Phosphorgehalte, abhängig vom Ausgangsmaterial.
Kalium (Elementsymbol “K”) wird immer als einzelnes Element aufgenommen, also “Kᐩ”. Die Aufnahme kann sowohl über die Blätter als auch über den Boden stattfinden. Kaliumhaltige Silikate werden nach Verwitterungen pflanzenverfügbar und werden wie Phosphate an Tonmineralen adsorbiert. Tonreiche Böden haben einen großen Vorrat an Kalium in ihren Zwischenschichten und Austauscherplätzen. Durch Mensch und Tier wird Kalium in den Boden in Form von Wirtschaftsdüngern (z.B. Mist durch Hühner oder Schafe), Klärschlamm, Siedlungsabfällen oder Ernteresten abgegeben.
In der Pflanze ist Kalium für verschiedene Aufgaben wie der Aktivierung von Enzymsystemen, Zellwandausbildung, Aktivierung von Transportvorgängen oder Phloembeladung verantwortlich. Diese Vorgänge sind bei Blattfrüchten besonders hoch, weshalb sich ein sinkender Versorgungsgrad an Kalium im Boden negativ auf diese auswirken kann.
Weitere Mangelsymptome für Pflanzen können folgende sein:
Welketracht, indem Blätter sich wölben und schlaff nach unten hängen
Verfärbungen an Blattspitzen in Form von Chlorosen (reversibel) oder Nekrosen
Getreide neigt zu stärkerem Lager (→ Spruch: “Kali stärkt den Halm”)
Durchmesser der Blattstiele sind reduziert
Stärkeeinlagerung gehemmt, dementsprechend schlechtere Qualität des Ertrags
Kaliumdünger gibt es in verschiedenen Formen. Kalirohsalz (“Kainit”) oder Patentkali sind im Ökobau zugelassen. Weiter gibt es 40er-, 50er- und 60er-Kali, welches wie Kainit eine Kaliumchloridmischung darstellt.
Stickstoff, Phosphor und Kalium (NPK), die Makronährstoffe, sind ausschlaggebend für wichtige Funktionen in Pflanzen. Für Stickstoff sind Nitrifikation und Ammonifizierung äußerst wichtig, um von den Pflanzen aufgenommen werden zu können. Dank des Haber-Bosch-Verfahrens haben Landwirte heutzutage die Möglichkeit, genügend Stickstoff nachzudüngen. Der Phosphorbestand im Boden sinkt im Laufe der Jahre, weshalb Erhaltsdüngungen erforderlich sind. Ebenso sollte es den Pflanzen nicht an Phosphor aufgrund seiner Energiefunktionen mangeln. Kalium sorgt für den besten Halt der Pflanze, weshalb Mangelerscheinungen direkt nachgedüngt werden sollten.