Dünger-Nährstoffe in Boden und Pflanze

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

1 Ökologische Grundlagen
1.1 Wachstumsfaktor Licht
1.2 Wachstumsfaktor Temperatur
1.3 Wachstumsfaktor Luft
1.4 Wachstumsfaktor Wasser
1.5 Wachstumsfaktor Bodenbeschaffenheit

2.1 Wirkung organischer und anorganischer Dünger
2.2 Definition Dünger
2.3 Organische Dünger
2.4 Anorganische Nährelemente
2.4.1 Stickstoff
2.4.2 Phosphor
2.4.3 Schwefel
2.4.4 Bor
2.4.5 Silicium
2.4.6 Kalium
2.4.7 Calcium
2.4.8 Magnesium
2.4.9 Natrium
2.4.10 Eisen
2.4.11 Mangan
2.4.12 Zink
2.4.13 Kupfer
2.4.14 Weitere Metalle

3 Mangelkulturen - Experiment
3.1 Materialien
3.2 Tabelle (Übersicht der Nährstoffe)
3.3 Versuchsaufbau und Durchführung
3.4 Beobachtungen
3.5 Schlußfolgerung
3.6 Fotodokumentation: Versuchspflanzen eins und zwei

4. Geschichtliche Entwicklung der Wachstumsgesetze
4.1 Wirkungsgesetz der Wachstumsfaktoren

5 Überdüngungsbedingte Wasserverschmutzungen am Beispiel des Stickstoffs

6 Fachbegriffe - Erläuterungen

7 Literaturverzeichnis

Vorwort

Eine wissenschaftliche Studie erfordert Freude am Arbeiten, konsequente Beobachtung von Versuchen, sowie das Studium vielfältiger Fachliteratur. Wir haben versucht all dies zu vereinen, in unserem emsigen Interesse an der landwirtschaftlichen Ertragssteigerung. Um diesen Grundlagen auf die Spur zu kommen, haben wir uns zuerst eine Reihe von Fachbüchern beschafft, mit dem Ziele zu verstehen, warum man eigentlich düngt und welche Auswirkungen das Fehlen einzelner Nährstoffe auf die Pflanze hat. So widmen wir einen wesentlichen Teil der Arbeit der Beschreibung einzelner anorganischer Nährelemente, deren Anzahl und Vorkommen im Boden und den Erscheinungen bei Mangel dieser Nährstoffe. Um dies noch zu bekräftigen haben wir selbst noch einen Versuch angesetzt, der am Anfang unserer Arbeit stand.

Außerdem haben wir uns noch ein wenig den Wachstumsgesetzen, sowie abschließend der Wasserverschmutzung durch Düngung gewidmet.

Abschließend möchten wir noch bemerken, dass wir uns nicht dem landläufigen Trend der gruppeninternen Arbeitsteilung unterworfen haben, sondern jedes einzelne Wort miteinander abgestimmt haben.

An dieser Stelle möchten wir noch darauf verweisen, dass alle Kursiv gedruckten Fachbegriffe im Anhang (Seite 20) erläutert werden.

Dünger - Nährstoffe in Boden und Pflanze

1 Ökologische Grundlagen

Primär vorbestimmt ist die Entwicklung einer Pflanze durch ihre spezifischen genetisch bedingten Voraussetzungen. An ihrem jeweiligen Standort beeinflussen äußere Faktoren, wie Licht, Temperatur, Luft, Wasser, spezifische Beschaffenheit des Bodens, sowie Düngung ihre Entwicklung. Die Düngung ist praktizierte Pflanzenernährung sowie Bodenverbesserung.

1.1 Wachstumsfaktor Licht

Das Sonnenlicht bestimmt maßgeblich das Leben auf der Erde. Ohne das Sonnenlicht wäre die Existenz von Pflanze, Tier und Mensch undenkbar. Viele Vorgänge in der Natur werden durch das Licht gesteuert; die Photosynthese, zum Beispiel, ist wohl einer der wichtigsten Prozesse.

Pflanzenwachstum und Stoffproduktion sind abhängig von der Lichtmenge, der Lichtintensität und der zeitlichen Verteilung des Lichtes, außerdem spielt die Lage des Geländes zur Himmelsrichtung (Exposition), und der Neigungswinkel zur Horizontalebene (Inklination) eine nicht unerhebliche Rolle. Solche Einflüsse sind im Gegensatz zur Ebene im Hochgebirge von großer Bedeutung.

1.2 Wachstumsfaktor Temperatur

Die Temperatur eines Standortes ist von verschiedenen Wetterbedingungen abhängig. Das Großklima wird bestimmt durch die geographische Breite und die Lage zu den Weltmeeren. Das Kleinklima ist abhängig von Exposition, Inklination und den jeweiligen Bodeneigenschaften. Durch natürliche oder künstliche Veränderungen der Temperatur, dem sogenannten Aktivitätswechsel, können auch Reizwirkungen hervorgerufen werden. Eine zeitweilige Temperaturveränderung, zum Beispiel, kann den Stoffwechselrhythmus der Pflanze verändern.

Der Pflanzentod ist gleichbedeutend mit einer irreversiblen Plasmaschädigung. Diese wird hervorgerufen durch sehr hohe aber auch sehr niedrige Temperaturen.

1.3 Wachstumsfaktor Luft

Die Luft enthält für das Pflanzenwachstum unentbehrliche Stoffe, insbesondere Sauerstoff und Kohlendioxid.

Der Stickstoff der Luft wird als Nährstoff nur von wenigen niedrigen Organismen sinnvoll direkt verwertet; die höhere Pflanze kann ihn nur in Form von gelösten Salzen aufnehmen. Der Stickstoffvorrat der Luft stellt eine riesige Reserve als Rohstoff für die synthetische Herstellung von Stickstoffdüngemitteln dar, die den Stickstoff in pflanzenaufnehmbarer Form enthalten.

Die Pflanze benötigt Sauerstoff zur Energiegewinnung. Nicht nur für die oberirdischen Pflanzenteile, sondern im gleichen Maße auch für die Wurzeln. Die Aufnahme des Sauerstoffs geschieht entweder aus der atmosphärischen Luft oder aus der Bodenluft über die Wurzeln.

In der Luft sollten zur optimalen Entwicklung mindestens ungefähr 15% Sauerstoff enthalten sein, wie es die atmosphärische Luft auch aufweist. In der Bodenluft wird dieser Wert meist jedoch erheblich unterschritten, je nach Gefüge und Wassergehalt. Die Aufnahme der Kohlensäure erfolgt durch die Blätter. Der Kohlensäurebedarf der Pflanze ist sehr hoch; etwa 40% der pflanzlichen Trockensubstanz bestehen aus Kohlenstoff.

1.4 Wachstumsfaktor Wasser

Der Wasserhaushalt ist der wichtigste Faktor für das Pflanzenleben überhaupt. Das Wasser fungiert als direkter Pflanzennährstoff sowie als Lösungs- und Quellungsmittel in Verwitterungsvorgängen und als Transportmittel der Pflanzennährstoffe im Boden.

1.5 Wachstumsfaktor Bodenbeschaffenheit

Böden teilt man nach ihrer Entstehung, ihrer ökologischen Funktion oder ihren Merkmalen ein. Wichtig hierfür sind zum Beispiel Tiefe, Farbe, Gefüge, Struktur und Zusammensetzung. Außerdem zeigen Böden charakteristische Schichten, sogenannte Horizonte, auf, deren Art, Anzahl und Anordung für die Einteilung des Bodens eine grundlegende Rolle spielt. Böden bestehen im allgemeinen aus Silikaten, die wiederum in verschiedenen Formen auftreten. Die Pflanzen entnehmen ihm Nährstoffe und sind somit auf ihn, als Lieferanten für fast alle wichtigen Wachstumsfaktoren, angewiesen.

2.1 Wirkung organischer und anorganischer Düngemittel:

Unter Boden versteht man die oberste, lockere Schicht der Erdkruste, die durch Verwitterung, Humusumsatz und Verlagerung von organischen sowie anorganischen in Wechselwirkung mit Bodenorganismen entstanden ist und sich fortwährend verändert. Klima und Boden zusammen bilden den ökologischen Standort. Der Boden stellt das natürliche Substrat dar, aus dem die Pflanzen Wasser und darin gelöste Nährsalze aufnehmen. Der Boden ist aber auch Lebensraum für viele Mikroorganismen, die in enger Wechselwirkung mit den Pflanzenwurzeln stehen und für deren Entwicklung von großer Bedeutung sind. Durch Verwitterung werden die Gesteine unter dem Wechsel von Temperatur, Feuchtigkeit und Sauerstoff in Bruchstücke von unterschiedlicher Korngröße zerlegt und können als solche durch Wasser, Eis oder Wind verlagert werden. Je nach Sortierung beziehungsweise Ablagerung entstehen daraus unter der Mitwirkung von Organismen Böden von unterschiedlicher Korngrößenzusammensetzung.

2.2 Definition: Dünger

Dünger oder Düngemittel sind Stoffe, die zur Verbesserung der Ernährung von Pflanzen bestimmt sind. Düngung bedeutet somit Zufuhr von Düngern zu Pflanzen oder zum Nährsubstrat, zum Beispiel zum Boden.

Dünger sollen das Wachstum fördern, was in der Regel eine Vermehrung der Pflanzenmasse bedeutet, aber teilweise auch eine Regulierung im Sinne einer Einschränkung des Wachstums bestimmter Pflanzenteile zur Erzielung höhere Erträge. Außerdem sollen Dünger einerseits den Ertrag erhöhen, wobei Vornehmlich der Nettoertrag interessiert, andererseits soll durch den Einsatz von Dünger die Qualität positiv beeinflußt werden.

2.3 Organische Dünger

Als organisches Material (Humus) bezeichnet man alle in und auf dem Boden befindlichen abgestorbenen beziehungsweise in der Zersetzung begriffenen pflanzlichen und tierischen Stoffe oder zugeführte organische Düngerstoffe und deren Umwandlungsprodukte. Mehr oder minder leicht zersetzbare Stoffe, wie Zucker, Stärke, Zellulose usw., dienen dem Mikroorganismen vorwiegend als Energiequelle und werden dabei letztlich bis zu CO2 und H2O abgebaut (Mineralisierung).

Biologisch schwer abbaubares Material, wie zum Beispiel Wachse, Harze, Gerbstoffe usw. reichern sich dagegen im Boden an und bilden die Ausgangsstoffe für neue dauerhafte Humusstoffe. Die Humifizierung ist ebenfalls wie die Mineralisierung stark abhängig von der Art des verrotteten Materials, sowie den vorherrschenden Ökologischen Bedingungen des Standortes.

Die Versorgung beziehungsweise Anreicherung der Böden mit Pflanzennährstoffen geschieht durch regelmäßige organische und anorganische Düngung. Dabei ist nicht so sehr der jeweilige Gehalt des Bodens an Gesamtnährstoffen entscheidend, als vielmehr in welchem Umfang diese den Pflanzen zugänglich sind.

2.4 Anorganische Nährelemente

Nährelemente kann man unterscheiden in Metalle und Nichtmetalle. Zu den Nichtmetallen zählen Stickstoff, Phosphor und Schwefel. Die Metalle kann man auch noch in zwei Untergruppen unterteilen, und zwar in die Gruppe der Metalle und in die Gruppe der -7- Schwermetalle. Zu der Gruppe der Metalle gehören zum Beispiel Kalium (K), Magnesium (Mg), Natrium (Na) und Calcium (Ca). Zu der Gruppe der Schwermetalle hingegen gehören Eisen (Fe), Mangan (Mn), Zink (Zn), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo) und Kobalt (Co). Hier soll zuerst auf die Nichtmetalle eingegangen werden.

2.4.1 Stickstoff

Die herausragende Stellung des Stickstoffs unter den Pflanzennährstoffen besteht darin, daß er wesentlicher Bestandteil der Proteine und Proteide, des Chlorophylls und anderer wichtiger Verbindungen ist und somit zu den Grundstoffen des pflanzlichen Lebens gehört. Ferner weisen die Pflanzen einen unvergleichlich höheren Bedarf an Stickstoff als an anderen Nährelementen auf. Diesen kann sie aber im Gegensatz zum Kohlenstoff in der Luft nicht über die Blätter aufnehmen, sondern muß ihn aus dem Boden beziehen. Der große Vorrat an Luftstickstoff muß also erst in Salzformen umgewandelt werden, also etwa in Ammonium und Nitrat, erst dann kann er über die Wurzeln aufgenommen werden. Stickstoffverbindungen als anorganische Endprodukte gehen entweder als Ammoniak, gasförmig, oder als Nitrat im Sickerwasser verloren, während die übrigen Nährelemente mehr im Boden verbleiben.

Stickstoffmangelsymptome treten zuerst an den älteren Blättern auf. Dort erfolgt der Abbau von Eiweiß und der Abtransport der Aminosäuren in noch voll funktionsfähige Pflanzenteile.

Die Blätter erscheinen hellgrün bis gelb (Vergilbung) oder rötlich. Der Stengel ist dünn aber stark verholzt, die Blätter bleiben klein. Stickstoffmangelpflanzen zeigen Zwergwuchs sowie eine verkürzte vegetative Phase und eine schlechte Bewurzelung, das heißt lange Hauptwurzeln mit geringer Verzweigung. Die Stickstoffdüngung äußert sich innerhalb kürzester Zeit in einer augenfälligen Dunkelfärbung der Blätter und Betonung der vegetativen Phase, das heißt Wachstum und Entwicklung.

Bei sinnvoller Anwendung führt sie zu hohen Erträgen und qualitativ hochwertigen Ernteprodukten. Insbesondere wird die Bildung von Eiweiß in grünen Pflanzenteilen und Körnern begünstigt.

Ein erhöhter Anteil an pflanzlichen Abfallstoffen trägt wesentlich zur Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit bei. Eine Stickstoff - Überdüngung hingegen führt zu einer schwachen Ausbildung des Halmstüzgewebes und verzögert die Reife einer Pflanze.

2.4.2 Phosphor

Phosphor ist im Gegensatz zum reaktionsträgen Stickstoff extrem bindungsfreudig. In Boden und Pflanze ist Phosphor fast ausschließlich fünfwertig. Entscheidend für die Pflanzenverfügbarkeit der vorher entstandenen anorganischen Phosphorverbindungen ist deren Löslichkeit unter den jeweiligen Reaktionsbedingungen des Bodens. Die Phosphoraus- waschung ist aufgrund der geringen Löslichkeit der weitaus meisten Phosphorverbindungen sehr gering. Unter Grünlandnutzung tritt dagegen überhaupt keine Phosphorauswaschung auf.

Durch oberflächlichen Abtrag von Boden (Erosion) oder durch auf gefrorenen Boden aufgebrachten Dünger kann je nach dem Grad der Hangneigung Phosphat in die Oberflächengewässer gelangen. Da es sich hierbei um effektive Verluste handelt sind entsprechende Gegenmaßnahmen notwendig, wie zum Beispiel Oberflächenschutz durch Begrünung, Humuszufuhr, Bearbeitung quer zum Hang und so weiter. Phosphor - Mangelpflanzen bleiben klein, kümmerlich und zeigen eine ähnlich starre Blätterhaltung wie die Stickstoff - Mangelpflanzen. Weitere typische Merkmale sind schwach ausgebildete Wurzeln, dünne Stengel, graugrüne bis schmutzig grüne, teilweise rötliche Verfärbung beginnend an den älteren Blättern. Außerdem charakteristisch ist eine verzögerte und schwache generative Entwicklung, das heißt mangelnde Frucht- beziehungsweise Kornausbildung. Besonders in der Jugendzeit der Pflanzen ist der Phosphorbedarf extrem hoch.

2.4.3 Schwefel

Der Anteil des organisch gebundenen Schwefels am Gesamtschwefelgehalt beträgt meist die Hälfte bis Dreiviertel und ist wesentlich vom Gehalt des Bodens an organischer Substanz und den spezifischen Umsetzungsbedingungen abhängig. Die organischen Schwefelverbindungen stammen von Pflanzen, Mikroorganismen oder Tieren. Moorböden, Aueböden sowie Marschen, die von Gezeiten tangiert werden, können sogar Gehalte von ein bis drei Prozent. Die Schwefelzufuhr zum Boden erfolgt durch sulfathaltige Mineraldünger sowie Immissionen (sogenannte ”Rauchgase”). Mangelsymptome sind den Stickstoffmangelerscheinungen sehr ähnlich; allerdings treten sie aber in den jüngeren Blättern zuerst auf. Der Schwefel gelangt durch Verbrennung von Kohle, Erdöl und so weiter als SO2 in die Atmosphäre und wird mit den Niederschlägen als schweflige Säure beziehungsweise Sulfat in den Boden eingewaschen. Aus der Zersetzung pflanzlicher und tierischer Abfallstoffe entstehen H2S und organische Schwefelverbindungen, die teils chemisch, teils biologisch unter aeroben Bedingungen zu Sulfat oxidiert werden, das von den Pflanzen als Nährstoff aufgenommen wird. Unter anaeroben Bedingungen erfolgt dagegen eine Desulfurikation bis zum H2S. Durch Mineraldünger kommt Sulfat in die Bodenlösung. Die natürlichen anorganischen Schwefelverbindungen (Sulfide) werden teils chemisch, teils biologisch in SO4 überführt, das im hohen Maße der Auswaschung unterliegt. Die Schwefelbilanz ist daher meist negativ.

2.4.4 Bor

Der durchschnittliche Gesamtborgehalt der Böden beträgt meist weniger als 0,01% und hängt stark vom bodenbildenden Gestein ab. Borsäure und die meisten Borrate sind in Wasser leicht löslich und daher unter humiden Bedingungen stark auswaschungsgefährdet, insbesondere in sauren bis schwach sauren sorptionschschwachen Sanden. Die Aufnahme des Bors erfolgt entweder als hydratisiertes B(OH)4- Ion oder als undissoziierte Borsäure und ist stark tempera- turabhängig. Borsäure kann sehr gut Membran durchdringen. So sehr leicht das Bor auch aufgenommen und transportiert werden kann, nach dem Eintritt in die Blätter wird es das am wenigsten mobile Mikroelement (Bauelement der Zellwände). Demzufolge ist die Verlagerung von einem Blatt in das andere sehr gering. Während jüngere Blätter schon Mangelsymptome aufweisen, können die Borgehalte älterer Blätter der gleichen Pflanzen noch völlig ausreichend sein. Bor findet sich vor allem in den vegetativen Pflanzenteilen. Eine intakte junge Pflanze in einer borfreien Nährlösung ist in ihrem Wurzelwachstum bereits nach acht Stunden deutlich gehemmt, nach 48 Stunden wird das Wurzelwachstum vollständig eingestellt. Demzufolge beeinträchtigt Bormangel die Zellstreckung, in späteren Stadien dann wahrscheinlich auch die Zellteilung.

Bormangelsymptome sind Wachstumshemmungen der Wurzeln und eine abnormale Entwicklung des Vegetationskegels, begleitet von einer Verdickung und Brüchigkeit der Stengel und Blattstiele. Jüngere Blätter sind starr, verkrüppelt und anfangs von tiefgrüner bis blaugrüner Farbe, bis sie schließlich absterben. Die besondere Stellung des Bors unter den Mikroelementen ist dadurch gekennzeichnet, daß Mangel, Optimum und Toxizität innerhalb eines sehr engen Konzentrationsbereiches liegen.

2.4.5 Silicium

Mit durchschnittlich 20 bis 35% ist das Silicium im Boden enthalten, im Sande bis zu 47%. Durch Verwitterung entsteht Kieselsäure (H4SiO4). Kieselsäure ist eine sehr schwache Säure von geringer Löslichkeit; die Dissoziation nimmt mit steigendem pH-Wert zu. Der Gehalt der Bodenlösung an reaktionsfähiger Kieselsäure nimmt mit fallendem pH-Wert und steigender Temperatur zu und beträgt zwischen 2 und 30 Milligramm Silicium pro Liter, also mehr als eine Zehnerpotenz höher als beim Phosphat. In Form von Düngemitteln hinzugeführte, hoch quellfähige und damit aktive Kieselsäure verbessert die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Bodens. Ebenfalls ist sie in Form von Ca-Silikaten basisch wirksam durch Freisetzung von OH--Ionen.

Die Aufnahme der Kieselsäure durch die Pflanze erfolgt einerseits in undissoziierter Form, bei höherem pH-Wert auch als H3SiO4- im Austausch gegen OH- beziehungsweise HCO3-. Im Wurzelbereich besteht eine gewisse Konkurrenz zwischen Phosphat und Silikat um den gleichen Carrier (=Träger). Kieselerde ist in Pflanzen relativ schwer beweglich und findet sich in der Regel in Form von Salzen. Die Bindungsformen der Kieselsäure sind ähnlich dem Phosphat und dem Borat. Durch Wasser läßt sich Kieselsäure relativ leicht heraustrennen.

Metalle

Von den Nichtmetallen, die in der Regel als Bauelemente in organischen Strukturen vorkommen, ist die Wirkung der Metalle überwiegend als die von Funktionselementen anzusehen. Charakteristisch ist, daß sie in der Pflanze größtenteils als freie Ionen im Zellsaft orliegen, oder in anderen organischen Strukturen, zum Beispiel Eiweiß, locker angelagert sind. Alkali- und Erdalkalimetalle sind bekannte Cofaktoren von Enzymen, deren Reaktionsbereitschaft und optimale Aktivität von einer gewissen Konformation der Proteinkomponente abhängig ist. Nun soll genauer auf die einzelnen Metalle eingegangen werden.

2.4.6 Kalium

Die gesamte Kaliumreserve des Bodens beträgt zwischen 0,2 bis 3 Prozent; alkalische Böden können sogar 7% erreichen. Diese anorganische Reserve liegt in Mineralböden überwiegend in silikatischen Formen vor. Hierbei unterscheidet man primäre Minerale und Gesteine oder sekundäre, durch Verwitterung entstandene Tonminerale. Demzufolge haben Tonböden einen hohen, Sande hingegen einen niedrigen Kaliumgehalt. Saure Gesteine, wie zum Beispiel Granit, weisen einen besonders hohen Gehalt an Kalium auf. Kalium kann im Boden in verschiedenen Bindungsformen vorkommen, es ist entweder fest in das Metallgitter eingebaut oder in den Zwischenschichten aufweitbarer Tonminerale festgelegt. Auch kann es sich als freies Ion in der Bodenlösung befinden. Als Kaliumsättigung bezeichnet man den Anteil der Kaliumionen an der Gesamtaustauschkapazität des Bodens. Von einer guten Kaliumversorgung kann man bei einem Gehalt von vier bis fünf Prozent reden. Um diesen Wert zu erreichen,werden für schwerere Böden höhere Gehalte an Kaliumionen durch eine entsprechende Kaliumdüngung empfohlen. Die Versorgung der Pflanzen mit Kalium hängt einerseits von dem Gesamtkaliumgehalt (Kapazität) ab, aber auch von der Kaliumkonzentration der Bodenlösung (Intensität) und der Nachlieferungsrate, bewirkt durch Verwitterung von primären Mineralen. Die Pflanzenverfügbarkeit beziehungsweise das Angebot an Kaliumionen kann durch ein oder mehrmalige Extraktion des Bodens mit verschiedenen Lösungsmitteln oder durch Bestimmungen des Kaliumgehaltes in bestimmten Pflanzenorganen oder durch Bestimmung des Kaliumentzugs ermittelt werden. Es ist dabei zu berücksichtigen, daß es auch eine Art Luxuskonsum an Kaliumionen gibt. Tongehalt, Art der Tonminerale und Kaliumsättigung sind also für die Kaliumversorgung von Pflanzen von wesentlicher Bedeutung.

Die Aufnahme des Kalium und der Transport in der Pflanze erfolgen relativ rasch aufgrund der geringen Bindungsstärke und der relativ kleinen Hydrathülle, mit der das Ion umgeben ist. Allerdings bestehen Unterschiede m Aufnahmevermögen der Pflanzenarten.

Mangel an Kalium kommt vor allem auf kalkreichen organischen Böden und auf tonreichen, kaliumfixirenden Standorten vor. Charakteristisch für Kaliummangelpflanzen ist die sogenannte Welketracht, die Blätter, beziehungsweise die ganze Pflanze zeigen hier einen gestörten Wasserhaushalt. Von diesen Symptomen werden zuerst die älteren Blätter betroffen. Die natürliche Kaliumnachlieferung aus dem Boden durch Verwitterung reicht in der Regel nicht für höhere Erträge aus, sodaß eine entsprechende Mineraldüngerzufuhr notwendig ist.

2.4.7 Calcium

Der Gesamtcalciumgehalt der Böden liegt zwischen 0,1 und 1,2 Prozent und ist damit in der Regel niedriger als der Gesamtkaliumgehalt. Carbonathaltige Böden weisen meist höhere Calciumgehalte auf, im Gegensatz zu Sanden. Im Unterschied zum Kalium geht das Calcium mit organischen Substanzen stabile Bindungen ein, zum Beispiel Chelatkomplexe, deren Menge zwar nicht groß, aber von erheblicher Bedeutung für die Bodenfruchtbarkeit ist. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß Calciumionen in der Bodenlösung oft bis zu 100 mal konzentrierter als die Kaliumionen vorkommen, dann sind die im Vergleich zum Kalium meist erheblich niedrigeren Calciumgehalte der Pflanze auffällig. Aus diesem Grund kann die Versorgung mit Calcium durch ein hohes Kaliumangebot beeinflußt werden. Calciummangelsymptome treten zuerst im Wurzelgewebe auf. Jüngere Blätter zeigen im unteren Blattdrittel Einschnürungen, Verkrümmungen und auflösende Zellwände, bis schließlich die Sproßspitze abknickt.

2.4.8 Magnesium

Der Gesamtmagnesiumgehalt des Bodens schwankt zwischen 0,05 Prozent in Sanden und 0,5 in Tonen. Es kann aus Kristallgittern nicht so leicht durch Verwitterung herausgelöst werden wie etwa das Calcium. In Böden mit Feinmaterial nimmt die Höhe des Magnesiumgehaltes zu; organisch gebundenes Magnesium ist kaum von Bedeutung. Magnesiumsalze sind meist leichter löslich als Calciumsalze, weil die stark hydratisierten Magnesiumionen leicht aus dem Boden ausgewaschen werden können. Magnesiumionen (2-fach positiv geladen) werden von der Pflanze, im Gegensatz zu Calcium und Kalium, nur im geringen Maße aufgenommen, da die Hydrathülle und die Hydratationsenergie größer ist, mit der das Wasser-Dipol-Molekül vom Ion festgehalten wird. Dadurch ergibt sich für das Magnesiumion eine geringere Wanderungs-geschwindigkeit.

Magnesiummangel beginnt sich vor allem an älteren Blättern anzuzeigen. Bei weiterführender Beobachtung stellt man fest, daß sich zwischen den Blattadern Chlorophylldefekte mit dunkelgrünen, gesunden Abschnitten abwechseln. Diese anfänglichen Sprenkelungen gehen mit zunehmender Zeit immer mehr ineinander über, wobei die Blattränder noch über einen längeren Zeitraum vollkommen gesund aussehen können.

2.4.9 Natrium

Das Natrium ist dem Kalium zwar chemisch durchaus ähnlich, dennoch verhält es sich in der Pflanze und im Boden wesntlich anders, was auf seinen geringeren Ionendurchmesser und seine doppelt so große Hydrathülle zurückzuführen ist.

In humiden Gebieten liegt der Natriumanteil des Bodens bei nur 0,1 bis 1 Prozent. Die Aufnahme durch die Pflanze geht schneller vonstatten als bei Calcium und Magnesium, das Kalium hingegen wird doch noch etwas schneller aufgenommen. Bei einem sehr hohem Natriumanteil kann es durch seine Quellwirkung zu einer Einschränkung von Wasserteansport, sowie -aufnahme kommen.

In der Pflanze befindet sich das Natrium hauptsächlich als freies Ion im Zellsaft. Die Mangelerscheinungen sind bis heute nicht richtig geklärt, meist deuten sie aber auf einen gestörten Wasserhaushalt hin.

Schwermetalle

Als letzte Nährstoffgruppe soll hier jetzt die Untergruppe der Schwermetalle behandelt

werden, die Schwermetalle unterscheiden sich von den übrigen Metallen vor allem durch ein höheres spezifisches Gewicht, außerdem sind sie mit höheren Wertigkeiten versehen und zum Valenz-wechsel befähigt.

2.4.10 Eisen

Eisen hat in Böden schwankende Anteile von 0,5 bis 5 Prozent, also recht hohe Anteile. In den Tropen zum Beispiel, kann der Eisengehalt der Böden sogar auf 10 Prozent steigen. Hochmoore hingegen sind äußerst arm an Eisen.

Eisenmangel tritt vor allem in tonarmen, gut durchlüfteten und aufgekalkten Sanden zu Zeiten, in denen ein recht hoher Bedarf besteht.

Eisen nimmt die Pflanze über ihre Wurzeln in Form von Fe² +-Ionen oder Fe-Chelaten auf. Fe³ + muß vor der Aufnahme erst einmal reduziert werden. Ob die Pflanze ausreichend mit Eisen versorgt wird, hängt also davon ab, in wie fern die Pflanzenwurzel in der Lage ist, Eisen zu reduzieren. Einen Eisenmangel wird, aufgrund der Konkurrenzsituatin mit anderen zweiwertigen Metallen, noch verschärft, wenn ein Überschuß an anderen Metallen solcher Art vorhanden ist, vor allem aber bei einem Calciumüberschuß.

Eisenmangel zeigt sich in solcher Art, daß sich die Blätter der Sproßspitze hellgrün bis leuchtend gelb verfärben. Ein solcher Mangel tritt vor allem auf leichten, zur Trockenheit neigenden carbonatreichen oder auch alkalischen Böden auf.

2.4.11 Mangan

Mangan tritt im Vergleich zu Eisen im deutlich geringerem Maße auf, sein Anteil im Boden beträgt durchschnittlich 0,02-0,3%. Sandböden sind noch sehr viel ärmer an Mangan (Anteil ca. 30 ppm); in Böden mit mehr Feinbodenanteil steigt auch der Mangananteil. Mangan liegt im Boden in silikatischer Bindung als Gitterbausteinmagmatischer Gesteine und Minerale, in Form von schwerlöslichen, teils hydratisierten Manganoxiden, oder auch in Form von Mangansalzen vor. Me² + -Ionen werden an Tonmineralen und Eisenoxiden sorbiert, treten aber auch als freie Ionen in der Bodenlösung oder als Manganchelate auf.

Von der Pflanze wird Mangan entweder als Mn² +-Ion oder Manganchelat aufgenommen. Mangelerscheinungen sind zuerst Chlorosen an den mittleren bis oberen Blättern. Blattadern und umgebende Zonen bleiben grün.

2.4.12 Zink

Zink hat im Boden einen Anteil von etwa 10-300 ppm. Böden mit einem hohen Anteil an Feinpartikeln sind recht reich (ca. 50 ppm und mehr), grobe Sande relativ arm (ca. 20 ppm) an Zink. Die Aufnahme durch die Pflanze erfolgt wiederum wie bei Eisen und Mangan, als Chelat oder als Zn² +-Ion. Es steht in Ionenkonkurrenz zu Kupfer, was zur Folge hat, daß mit steigendem Zinkangebot der Kupfergehalt der Pflanze klar zurückgeht. Ein Mangel an Zink äußert sich in der Regel als Chlorosen der Interkostalfelder jüngerer Blätter, die auch sehr klein bleiben.

2.4.13 Kupfer

Der Gesamtkupfergehalt eines Bodens liegt zwischen 5-50 ppm, ist also recht gering. Im Boden ist es in Form von verschiedenen anorganischen Kupferverbindungen. In humusreichen Böden überwiegen vornehmlich Kupferchelate. Auch die Aufnahme des Kupfers durch die Pflanze erfolgt in Form von Chelaten oder Cu² +-Ionen.

Kupfermangelkulturen sind an starken Chlorosen (bis zur Weißfärbung) und Verkrümmungen der jüngsten Blätter zu erkennen.

2.4.14 Weitere Metalle

Als weitere Metalle seien noch Kobalt und Molybdän genannt, die hier aber aufgrund ihrer geringeren Bedeutung nicht weiter behandelt werden.

3 Mangelkulturen - Experiment:

Eine Pflanze braucht zu ihrer Entfaltung, wie bereits ausgeführt, eine Vielzahl verschiedener Mineralien. Um herbeizuführen, welche Folgen ein Mangel an verschiedenen Mineralien hervorruft, erscheint es durchaus sinnvoll, einen Mangelversuch durchzuführen. Hierzu wurden fünf Gefäße, in dem hier geschilderten Fall 300 ml-fassende Erlenmeyer- kolben, mit je einer speziellen Mineraldüngerlösung befüllt, und je ein Pflanzenableger eingesetzt. Die Ableger stammen alle von derselben Mutterpflanze ab, sie haben alle die gleiche Anzahl Blätter, sowie einen identischen Entwicklungszustand, damit sie problemlos über einen längeren Zeitraum untereinander verglichen werden können. Der Versuch läuft über einen Zeitraum von etwa sechs Wochen, begonnen mit dem 22.03.00. Ziel des Versuches soll es sein nachzuweisen, welche Mineralien für eine bestimmte Versuchspflanze besonders lebensnotwendig sind, und somit den Beweis anzutreten, daß der Einsatz von Düngemitteln unter bestimmten Bedingungen, zum Beispiel in der Landwirtschaft, durchaus notwendig sein kann, um den Pflanzen die Existenz zu ermöglichen und zu erhalten.

3.1 Materialien:

1. Fünf Kulturgefäße (hier: Erlenmeyerkolben, 300 ml)

2. Watte

3. 5, den bereits genannten Kriterien genügenden, Versuchspflanzen

4. 5 Mineralsalzlösungen nach Knop (siehe nachstehende Tabelle)

3.2 Tabelle:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.3 Versuchsaufbau und Durchführung:

Die jeweiligen Salzmengen werden in je einem Liter destilliertem Wasser gelöst und 300 ml hiervon werden in je einen Erlenmeyerkolben gegeben. Die Versuchspflanzen werden eingesetzt, die Erlenmeyerkolben gemäß ihrer darin befindlichen Lösung mit der zugehörigen Zahl beschriftet. Rund um die Pflanzen wird Watte in den Gefäßhals gestopft, um den Kolben zu verschließen und so die Lösung vor Fremdstoffen von außen zu bewahren. Der ganze Versuchsapparat wird an einen sonnenhellen Ort über mehrere Wochen plaziert. Über diese Zeitraum hinweg wird wöchentlich der Entwicklungszustand der Pflanzen schriftlich und mit einem Foto dokumentiert.

3.4 Beobachtungen über sieben Wochen (15.3.-3.5.2000)

Standort- und pflegebedingt brachten die ausgewählten Ableger bereits einen recht schlechten Allgemeinzustand mit.

Bereits nach einer Woche zeigte sich beim Kontrollgefäß (1) im Vergleich zum Zustand bei Versuchsbeginn eine durchaus positive Entwicklung. Auch ein neues Blatt hat sich unter den Versuchsbedingungen gebildet, wobei gleichzeitig festgestellt werden mußte, daß Blattspitzen sowie Blattränder teilweise leicht vertrocknet waren, was zu Beginn nicht verzeichnet wurde.

Auch in der zweiten Woche ist eine ausgeprägt gute Entwicklung festzustellen. Der Zustand der Pflanze scheint sich verbessert zu haben, nur noch an zwei Blättern konnte eine leichte Vertrocknung der Spitzen und Ränder erkannt werden. Eine leichte Wurzelbildung ist bereits erkennbar.

In der dritten Woche konnten im Vergleich zur vorherigen Woche keine erwähnenswerten Veränderungen festgestellt werden.

In der vierten bis sechsten Woche läßt sich schon eine stärkere Neublattbildung feststellen. Auch eine erste Blütenbildung zeigt sich hier. Wurzeln prägen sich nun schon verstärkt aus, allerdings zeigt sich nach wie vor, daß die ältesten Blätter langsam, von den Rändern aus nach innen hin, leichte Vertrocknungserscheinungen zeigt.

Besonders auffällig erscheint in der siebten Woche die überaus üppige Wurzelbildung, begleitet von einer zunehmend hohen Anzahl von Blüten beziehungsweise Knospen. Im Zuge des näherrückenden Sommers und der damit verbundenen erhöhten Lichtintensität zeigt sich eine leichte Grünfärbung des Wassers, die auf leichte Algenbildung zurückzuführen ist.

Im zweiten Versuchsgefäß (Mangelkultur ohne Calciumnitrat, siehe auch Tabelle Seite 14) entwickelt sich die Pflanze im Laufe der ersten Woche vergleichbar gut wie das Kontrollgefäß, jedoch weist sie kaum vertrocknete Stellen an den Blatträndern auf.

In der zweiten Woche ist ein gewisser Blattwuchs festzustellen sowie eine beginnende, leichte Wurzelbildung. Wiederum waren keine erwähnenswerten Vertrocknungsstellen zu verzeichnen.

In der vierten bis sechsten Woche ist der Gesamtzustand der Pflanze weiterhin beständig gut, weitere Neublattbildungen sowie Bildung einzelner Wurzeln, wobei die Wurzeln zwar weniger dicht, aber um so länger gewachsen sind, finden statt.

Nach der siebten Woche ist eine geringe Bildung von Blüten beziehungsweise Knospen zu erkennen. Auch die Wurzelbildung ist durchaus prächtig geraten. Ebenfalls wiederholt festzustellen ist, daß die Blätter kaum Vertrocknungsstellen aufweisen. Lediglich die Blattränder sind stellenweise leicht vertrocknet. Auch diese Lösung weist seit kurzer Zeit eine sehr leichte Grünfärbung auf, obwohl keinerlei Algenpartikel zu sehen sind.

Das dritte Versuchsgefäß (Mangelkultur ohne Eisenchlorid, siehe auch Tabelle Seite14) kann leider keinen Aufschluß geben, ob eine Wachstums- und Entwicklungsbedingte Abhängigkeit bezüglich Eisenchlorid besteht, da bereits nach der zweiten Woche festgestellt werden mußte, dass der Stengel der Pflanze abgeknickt war, wodurch sie schließlich eingegangen ist.

In der ersten Woche war beim vierten Versuchsgefäß (Mangelkultur ohne Magnesiumsulfat, siehe auch Tabelle Seite14) eine ausgeprägt positive Entwicklung zu verzeichnen. Auch hier waren lediglich die Blattspitzen vertrocknet.

Während der zweiten Woche hat zusätzlich die Färbung der Blätter stark abgenommen, auch sind sie nicht gewachsen. Positiv zu beobachten war, dass sich kleine Wurzeln gebildet haben. In den darauffolgenden Wochen ist eine Ausbreitung der Vertrocknung an den Blättern von außen nach innen zu sehen. Auch haben sich Wurzeln und Blätter nur geringfügig weiterent- wickelt.

Wie bei einigen anderen Versuchspflanzen ist die Lösung während der sechsten Woche leicht grünlich geworden. Im Gegensatz zu den vorhergegangenen Wochen ist die Wurzelbildung ausgeprägt, wenn auch noch nicht besonders dicht. Blattspitzen und -ränder sind nur noch vereinzelt vertrocknet, wobei gleichzeitig zwei Neublattbildungen festzustellen waren. Trotz dieser erstaunlichen positiven Umentwicklung waren keine Anzeichen von Knospen- beziehungsweise Blütenbildung zu erkennen.

Versuchspflanze fünf (Mangelkultur ohne Kalium, siehe auch Tabelle Seite14) schien bereits in der ersten Woche unter den gegebenen Bedingungen einzugehen. der Stengel hing seitlich hinunter. An den Blättern waren allerdings keine Vertrocknungsstellen zu sehen.

In der zweiten Woche schien sich die Pflanze angesichts der prächtigen Blattfärbung, begleitet von geringfügigen Vertrocknungen der Spitzen, erholt zu haben, auch wenn ihr Gesamteindruck noch etwas schwach zu sein schien.

In den darauffolgenden Wochen ist ergänzend nur festzustellen, dass die älteren Blätter

zunehmend leicht vertrocknen. Gleichzeitig ist eine minimale Neublattbildung zu beobachten. Während der sechsten Woche sind fast ausschließlich nur die unteren, älteren Blätter vertrocknet. Direkt über den Wurzeln, die mittlerweile relativ dicht gewachsen sind, haben sich neue Blätter gebildet. Die Lösung ist entgegensätzlich den anderen farblos und klar.

3.5 Schlußfolgerung der Beobachtungen

Aufgrund der Tatsache, daß Versuchsgefäß 1 mit allen in unserem Fall notwendigen Mineralien versorgt wurde, konnten erwartungsgemäß keine Mangelerscheinungen festgestellt werden. Besonders ausgeprägt erscheint bei Nummer 1 die Blütenbildung, was darauf schließen läßt, das die Versorgung mit den zugesetzten Mineralien durchaus ausreichend ist.

Versuchsgefäß 2 wies eine vergleichbare Entwicklung wie 1 auf, daraus läßt sich schließen, daß das fehlende Mineral, Calciumnitrat, für die Entwicklung der Pflanze von eher untergeordneter Bedeutung ist.

Versuchsgefäß 4 weist eine im Vergleich zu 1 und 2 weniger erfreuliche Entwicklung auf.

Dennoch ist ihr Zustand zu Versuchsende noch als befriedigend einzustufen. Daraus läßt sich schließen, daß ein Defizit an Magnesiumsulfat für die Pflanze nicht lebensbedrohlich ist, sie aber dennoch erheblich in ihrer Entwicklung beeinträchtigt.

Versuchsgefäß 5 zeigte minimale Weiterentwicklung der Blätter und Wurzeln, dennoch war ihr Zustand nicht als besonders kritisch zu beurteilen. Somit läßt sich folgern, daß Kalium die äußere Entwicklung der Pflanze wesentlich beeinflußt.

4 Geschichtliche Entwicklung der Wachstumsgesetze

Die ersten Ansätze zur Quantifizierung des Einflußes der Wachstumsfaktoren liegen 150 Jahre zurück, und haben letztlich zu den heute bekannten Gesetzmäßigkeiten geführt. Die ständig wachsenden Erkenntnisse über Wirkung und Einsatzmöglichkeiten der Mineralstoffe haben seit dieser Zeit zu einer enormen Steigerung der Erträge geführt und damit in weiten Teilen der Erde die Gefahr des Hungers gebannt. J. von Liebig war der este, der unter Heranziehung eines Versuches die Menge der auf das Pflanzenwachstum einwirkenden Mineralien zu dem daraus resultierenden Ertrag in Beziehung setzte. 1855 hat Liebig das Gesetz des Minimums aufgestellt, welches besagt, ”daß der jeweils im Minimum befindliche Wachstumsfaktor allein (!) für den Ertrag entscheidend ist.”

Im Jahre 1869 hat A. Mayer die Gültigkeit des Minimumgesetzes auf alle

Produktionsfaktoren ausgedehnt. E. Liebscher erkannte 1895, ”daß die Steigerung des Ertrages durch Erhöhung eines Produktionfaktors nur bis zu einem gewissen erzielbaren Höchstbetrag möglich ist, dann aber mehr oder minder rascher Ertragsabfall einsetzt. Ferner ist der im Minimum befindliche Nährstoff umso stärker ertragswirksam, je mehr die anderen Faktoren sich im Optimum befinden (Optimumsgesetz).” Etwa 50 Jahre später hat A. Voisin auf die ertragsmindernde Wirkung durch Überschuß eines Nährstoffes durch sein Gesetz des Maximums hingewiesen.

4.1 Wirkungsgesetz der Wachstumsfaktoren

Die erste, auch heute noch gültige mathematische Formulierung der Funktion zwischen Wachstum und Ertrag hat E. Mitscherlich im Jahre 1909 aufgestellt. Dieses besagt, ”daß der Pflanzenertrag mit der Steigerung eines jeden Wachstumsfaktor zunimmt, und zwar proportional zum jeweils erreichbaren Höchstertrag fehlenden Ertrag; der Ertragszuwachs wird also immer geringer. Dieses Gesetz hat Gültigkeit für alle Wachstumsfaktoren.

5 Überdüngungsbedingte Wasserverschmutzungen am Beispiel des Stickstoffs

In den letzen 40 Jahren hat sich die Stickstofffreisetzung besonders in den Industrieländern mehr als verzehnfacht. Dies wird durch die Nutzung fossieler Brennstoffe oder den Einsatz von Stickstoffdüngern in der Landwirtschaft verursacht. Die Spätfolgen dieser Stickstoffberieselung der Umwelt waren bis zum heutigen Zeitpunkt kaum abzuschätzen. Durch Modellversuche zeigte sich die schädliche Wirkung. Hierzu wurden Grasflächen und Wälder lange Zeit untersucht.

Kurzfristig gesehen hat die Stickstoffdüngung zwar positive Effekte, wie zum Beispiel, dass die Pflanzen schneller wachsen und mehr Kohlenstoff speichern, den sie als Kohlendioxid aus der Luft aufnehmen. Wenn jedoch über längere Zeit Stickstoff gedüngt wird, verschiebt sich das Gleichgewicht der Pflanzenvielfalt zugunsten schnell wachsender, neuer Arten, die andere verdrängen. Trotz einer höheren Wachstumsrate speichern sie weniger Kohlenstoff, dafür aber mehr Stikstoff in ihren Geweben.

Wenn dann Pflanzen absterben, zersetzen Mikroorganismen das Pflanzenmaterial. Bei diesem Vorgang werden Nitrate als lößliche Formen des Stickstoffs frei und reichern sich im Boden an. Aufgrund dieser Tatsache stellen sie eine enorme Bedrohung für das Grundwasser dar. Gleichzeitig zu diesem Vorgang lagern sich weniger Kohlenstoffverbindungen in der Erde ab, als bei den einheimischen Pflanzen, wodurch die natürliche Speicherung dieses wichtigen Elements im Boden gestört wird.

Fachbegriffe - Erklärungen

Extraktion, Verfahren, um eine Substanz aus einer Mischung oder Lösung abzutrennen.

Man verwendet dazu ein Lösungsmittel, in dem der zu extrahierende Stoff gut löslich ist, nicht aber die anderen Mischungsbestandteile. Zuweilen müssen mehrere Extraktionsschritte nacheinander durchgeführt werden, bis die gewünschte Substanz durch anschließende Destillation oder durch Verdampfung des Lösungsmittels isoliert werden kann.

aerob, mit Sauerstoff lebend

sorption, Aufnahme eines Stoffes durch Adsorption und (oder) Absorption (lat.: “hinunterschlucken)

Dissoziation, Trennung, Zerfall; Trennung von Molekülen, die sich in Flüssigkeiten zu größeren Gebilden vereinigt hatten

Extraktion, das extrhieren, das Herausziehen, Auszug

Welketracht, Blütenknospen, die kurz vorm verwelken sind Chlorose, Bleichsucht (griech.: chloros “ hellgrün”) Interkostal, zwischen den Blattadern liegend

Chelat, „Besitzen Liganden mehrer - in der Regel zwei - Koordinationsstellen, so legen sie sich krebsscherenartig um das Zentralion und bilden mit ihm Ringe aus. Hieraus leitet sich auch der Name dieser Komplexe ab (griech. Chele: Krebsschere)“

Literaturverzeichnis

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