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Unser Autor: Hansgeorg Schönberger, N.U. Agrar GmbH, Schackenthal
Als offenes System steht der Boden ständig mit seinen benachbarten Systemen Wasser und Luft im Austausch – zwangsläufig kommt es zu gasförmigen und flüssigen Stoffeinträgen in und -austrägen aus dem Boden. Einträge sind z.B. der massive Schwefeleintrag (vor der Zeit der Entschwefelungsanlagen) oder die Deposition von Stickstoff aus der Luft. Stoffausträge erfolgen z.B. durch Ammoniakverluste oder Nitratauswaschung.
Ob es sich um einen guten oder schlechten Boden handelt, bestimmen die Prozesse, die an der Grenzfläche zwischen festen Bodenbestandteilen (mineralische und organische) und dem Bodenwasser stattfinden. Für den Ackerbau ist dies vor allem die Nährstoffdynamik im Boden. Sie bestimmt (nicht allein) die Ertragsfähigkeit des Bodens.
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Boden als Reaktor: Sind Nährstoffe frei?
Für Pflanzen sind nur wenige Minerale im Boden lebensnotwendig. Für die Proteinbildung sind z.B. die Hauptnährelemente Stickstoff (N), Phosphor (P) und Schwefel (S) erforderlich. Phosphor braucht die Pflanze zudem für den Energiehaushalt.
Notwendig sind auch Kalium (K), Kalzium (Ca) und Magnesium (Mg) – und zwar für die Gewebebildung und Stabilität sowie für die Aufrechterhaltung des Turgordrucks und für die Lichtaufnahme (Mg als Bestandteil des Chlorophylls). Essentielle Spurenelemente sind Bor (B), Molybdän (Mo), Chlor (Cl), Eisen (Fe), Mangan (Mn), Zink (Zn) und Kupfer (Cu).
Doch viele Elemente wie Kalzium, Natrium oder Kalium sind überwiegend in Kristallen im Boden eingebaut oder liegen als unlösliche Verbindungen vor, die nicht von den Pflanzen aufgenommen werden können. Der Gesamtgehalt an Nährstoffen im Boden ist um ein Vielfaches höher als der Gehalt an verfügbaren Nährstoffen.
Dieser Anteil setzt sich zusammen aus den im Bodenwasser gelösten und den durch Wurzelausscheidungen bzw. durch Nährstoffaustausch leicht mobilisierbaren Nährstoffen. Pflanzen nehmen Nährelemente – auch Mineralstoffe oder Nährsalze genannt – meist über die Wurzel aus der Bodenlösung in Form von Ionen als Anionen oder Kationen auf. Wie das beispielhaft bei Kalium funktioniert, zeigt folgende Übersicht:
Diese Bindungsformen gibt es
Im Boden liegen die Nährelemente in verschiedenen Bindungsformen vor:
Mineralisch: Die Nährelemente sind im Kristallgitter von Mineralen oder in Molekülen amorpher Verbindungen (z.B. Eisenoxid) gebunden und werden bei Verwitterungsprozessen freigesetzt. Diese Form von Bindung versorgt die Pflanzen nur wenig.
Organisch: Nährelemente können in organischen Verbindungen vorliegen und werden bei der Zersetzung der organischen Substanz mineralisiert, z.B. N und P aus Nucleinsäuren, N und S aus Proteinen, N und Mg aus Chlorophyll. Phosphor kommt auf enzymatischem Weg (Phytase) aus Phytaten. Ein Großteil davon findet sich in Gülle und in der organischen Fraktion des Bodens.
Sorptiv: Nährelemente wie Kalium, Ammonium, Kalzium sowie Magnesium sind häufig als austauschbare Kationen an Austauscher (mineralische oder organische Bodenpartikel) gebunden und weniger als Anionen.
Nicht gebunden: Diese Nährelemente liegen als ungebundene Ionen in der Bodenlösung vor und können von den Pflanzen direkt aufgenommen werden, wie z.B. Nitrat und Kalium.
Über 98% der Nährelemente im Boden sind mineralisch oder organisch gebunden. Nur etwa 2% liegen an den Austauschern sorbiert bzw. ungebunden in der Bodenlösung vor. Mit Ausnahme von N, S und P sind die übrigen Nährelemente mineralisch gebunden.
Fest in mineralischen oder organischen Bodenbestandteilen eingebundene Nährstoffe gehören zur Reservefraktion. Sie werden erst durch intensive Verwitterungs- sowie Zersetzungsprozesse mobilisiert und spielen somit im Normalfall für die Pflanzenernährung keine Rolle. Nachlieferbar oder verfügbar sind Nährelemente, die weniger fest gebunden sind. So setzen z.B. die Ausscheidungen von Pflanzenwurzeln die Nährstoffe im Laufe einer Vegetationsperiode frei.
Nährstoffe, die durch Bodenpartikel adsorbiert sind und gegen Ionen aus der Bodenlösung bzw. durch Pflanzenwurzeln ausgeschiedene H+-, OH und HCO3Ionen ausgetauscht werden können, gehören zur leicht austauschbaren Fraktion. Am besten pflanzenverfügbar sind die bereits im Bodenwasser gelösten Nährstoffe – die Wurzeln können sie als freie Ionen aufnehmen.
Reaktion mit Potenzial
Wie die Nährstoffe im Boden vorliegen, bestimmen chemische Prozesse. In einer Vielzahl reagieren die Elemente im Boden miteinander, z.B. beim Ionenaustausch (Desorption und Adsorption). Zudem bilden sich chemische Verbindungen neu, werden abgebaut oder verlagert. Diese Prozesse stehen in enger Wechselwirkung mit dem pH-Wert und den Redoxverhältnissen im Boden.
Das Redoxpotenzial beschreibt, wie stark die im Boden enthaltenen Stoffe oxidieren oder reduzieren. Die Messung erfolgt mit Hilfe von Elektroden, die die elektrische Spannung im Boden messen. Bei hoher positiv-geladener Spannung (> 550 mV) ist die Sauerstoffkonzentration im Boden sehr hoch – es herrschen oxidative Bedingungen.
In nassen, dichtlagernden Böden mit eingeschränktem Gasaustausch verstärken sich dagegen reduzierende Verhältnisse. Im Extremfall entstehen anaerobe Bedingungen. Die Folge: Lachgasverluste und ein...