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Bodenkunde (Subject) / 10. Nährstoffe (Lesson)

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• 1. Was ist der Unterschied zwischen Nährelement und Nährstoff? Nennen Sie die Definition für beides und erläutern Sie die Definitionen an einem Beispiel. Nährelemente sind lebensnotwendige chemische Elemente. Diese treten selten in Reinform in der Natur auf bzw. können in Reinform schlecht aufgenommen werden. Nährstoffe sind die chemischen Verbindungen der Nährelemente, welche von der Pflanze aufgenommen werden und aus welchen sie die Nährelemente entnehmen können, aus denen ihr Körper aufgebaut ist. So wäre K ein Nährelement und K+ der Nährstoff der so von der Pflanze aufgenommen wird. Genauer unterscheidet man zwischen Hauptnährelemente / -Nährstoffe und Spurenelemente /-Nährstoffe.
• 2. Nennen Sie die essentiellen Hauptnährelemente für Pflanzen. Welche davon werden von der Pflanze aus dem Boden aufgenommen? C, O, H → Luft N, P, S, K, Ca, Mg → Boden
• 3. Welche drei Elemente machen den Großteil der pflanzlichen Biomasse aus? C: 44 – 49% O: 42 – 46% H: 5 – 7% Rest: 5 – 10%
• 4. Warum kann man vom Nährelementgesamtvorrat des Bodens oft nicht auf die Verfügbarkeit von Nährelementen schließen? Es sind nur Elemente verfügbar, die in der Bodenlösung vorkommen. Man unterscheidet zwischen löslicher Fraktion, Austauschbarer Fraktion und Nachlieferbarer bzw. Reservefraktion. Ein Nährelement (vorkommend im Nährstoff) in der Reservefraktion muss erst austauschbar werden, d.h. lösbar werden. Es liegt als Salz oder Gestein oder in anderen unverwitterten Bestandteilen wie der Streu vor. Diese Elemente sind zwar da, aber die Pflanze kann nicht darauf zugreifen. Verwittern diese Teile, gehen die Elemente / Nährstoffe in die Austauschbare Fraktion über, an der Oberfläche von Bodenpartikeln. Hier sind sie zugänglich, es kann leicht in die lösliche Fraktion, die Bodenlösung übergehen. Man muss also beachten in welcher Form die Nährelemente vorliegen. Sie können allerdings durch Immobilisation oder Absorption wieder aus der Bodenlösung entfernt werden und in eine andere Phase übergehen (Rückwärts). Darüber entscheiden zusätzlich noch Eigenschaften wie pH-Wert, mikrobielle Aktivität etc. wie die Nährelemente vorliegen und freigesetzt werden.
• 5. Welche Bodeneigenschaften steuern die Verfügbarkeit von Eisen? Geben sie entsprechende Beispiele für Böden bzw. Standorte mit niedriger Fe-Verfügbarkeit an. pH-Wert, Mobilisierung (Verwitterung, Mineralisierung, Desorption) / Immobilisierung (Fixierung, Einbau in organische Substanz, Adsorption) und mikrobielle Prozesse (nehmen mit pH-Wert zu), Anzahl der Austauscher (Tonminerale) und das Redoxpotential muss niedrig sein, um Eisen verfügbar zu machen. Es kommt darauf an, wie das Eisen vorliegt. Liegt es als FeOOH vor, ist es leicht verfügbar, während es in einm Hämatit als Fe2O3 vorliegend besonders stark gebunden ist. Oxisol-Boden: Fe2O3 Hämatit, trotz mehr als 10% Fe schwer zugänglich für Pflanze
• 6. Welche drei Fraktionen unterscheidet man bei KATIONEN zur Einteilung pflanzenverfügbarer Anteile der im Boden vorhandenen Kationen? Welche Prozesse tragen jeweils zur Mobilisierung / Immobilisierung bei? Fraktionen der Kationen: Nachlieferer/Reservefraktion, Austauschbare Fraktion und lösliche Fraktion Mobilisierung: Verwitterung, Desorption, Mineralisierung Immobilisierung: Fixierung, Einbau in organische Substanz, Adsorption
• 7. Erläutern Sie kurz die Prozesse, die die pH-Abhängigkeit der Verfügbarkeit von P im Boden erklären. Bei pH 6 – 7 ist das P gut verfügbar, wenn der pH-Wert geringer ist, nimmt die Verfügbarkeit ab, da es dann als Eisen- und Aluminiumphosphat vorliegt. Bei größerem pH nimmt diese ebenfalls ab, da Phosphat sich mit Calcium zu Calciumphosphat verbindet, welches ebenfalls schwer löslich ist.
• 8. Welches Hauptnährelement wird zwar von den Pflanzen aus dem Boden aufgenommen, kommt ursprünglich aber komplett aus der Atmosphäre (nicht aus Gesteinen oder Mineralen)? Stickstoff.
• 9. Warum ist die Rate der Nährstoffnachlieferung von der Bodenfestphase in die Bodenlösung entscheidend für die Pflanzenversorgung mit Nährstoffen? Die Rate ist entscheidend, da in der Bodenlösung immer genügend Nährstoffe vorhanden sein sollten, damit die Pflanzen gut versorgt sind. Nährstoffe in Bodenlösung haben den Vorteil, dass sie nicht ortsgebunden sind, sondern mit dem Wasserfluss auf und absteigen können. Die Pflanze kann nur immer so viele Nährstoffe aus der Lösung aufnehmen, wie in der Bodenlösung vorhanden ist. Daher kommt es darauf an, wie schnell diese Nährstoffe in die Lösung nachgeliefert werden können. Die Pflanze ist also auch von der Rate limitiert. Ist die Rate der Nährstoffaufnahme der Pflanze größer als die Nachlieferung in die Bodenfestphase, kommt es zu Nährstoffdefizit.
• 10. Warum ist die Menge eines Elementes, das einer Pflanze zur Verfügung steht nicht nur von Bodeneigenschaften, sondern auch von Pflanzeneigenschaften abhängig? Welche Gegenfrage müssten Sie eigentlich stellen, wenn jemand nach der Konzentration an pflanzenverfügbarem Nährelement in einem bestimmten Boden fragt? Für die Pflanzeneigenschaften ist die verfügbare Menge eines Elements entscheidend, da die Pflanze den Boden für sich günstig verändern kann und somit die Verfügbarkeit von Nährstoffen erhöhen kann. Außerdem nehmen manche Pflanzen bestimmte Nährstoffe schneller oder anders auf als andere. Weiter entscheidend ist die Wurzeldichte (reaktive Oberfläche), durchwurzelungstiefe, Symbiosen wie die Mykorrhiza und die Transpirationsrate einer Pflanze. Gegenfrage: Was für Pflanzen stehen auf diesem Boden?
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• 11. Was ist die Rhizosphäre? Welche Bodeneigenschaften sind dort anders als im Boden weiter von der Wurzel entfernt (3 Beispiele)? Es gibt die Rhizosphäre „im weiteren Sinne“ und im „engeren Sinne“. Im weiteren Sinne ist es die Region, wo die Wurzel wächst. Im engeren Sinne ist es die Region, wo die Wurzel wirkt. Die Rhizosphäre bezeichnet den unmittelbar durch eine lebende Wurzel in den bodenchemischen und bodenphysikalischen Eigenschaften beeinflussten Raum im Boden. Sie ist ein Teilbereich der Porosphäre und ein bodenbiologischer Hotspot (höchste spezifische Umsatzrate / Organismendichte). Ihre Ausdehnung beträgt wenige Millimeter. Veränderte Bodeneigenschaften in der Rhizosphäre sind: pH-Wert (die Wurzel versauert durch Protonenabgabe die Rhizosphäre), Mikrobielle Aktivität und die Nährstoffkonzentration (entleert sich mit der Zeit).
• 12. Welche Möglichkeiten des Transportes von Nährstoffen zur Wurzel gibt es? Interzeption: Wurzeln wachsen aktiv zu Nährelementen Massenfluss: Nährelemente bewegen sich mit Wasser Diffusion: Nährelemente bewegen sich im Wasser entlang des Konzentrationsgradienten
• 13. Welche dieser Möglichkeiten ist besonders stark davon abhängig, wie groß die Transkriptionsrate der Wurzel ist? Massenfluss: Je mehr die Pflanze transpiriert, desto mehr Wasser muss von der Wurzel aufgenommen werden und damit steigt auch der Transport der in der Lösung gelösten Nährstoffe zur Wurzel hin.
• 14. Welche dieser Transportarten ist/sind besonders stark vom Wurzelwachstum abhängig? Interzeption: Nur an der wachsenden Wurzelspitze kann die Wurzel über Interzeption Nährstoffe aufnehmen. Je stärker das Wachstum, desto mehr Bereiche durchpflügt die Wurzelspitze und desto mehr Nährstoffe werden aufgenommen.
• 15. Die Konzentration an Essigsäure-extrahierbarem P im Boden beträgt 25 mg P/kg Boden. Die Lagerungsdichte des Bodens beträgt 1,3 g/cm³. Wie hoch ist der Vorrat an extrahierbarem P im Wurzelraum (Einheit: kg/ha), wenn: (1) die Durchwurzelungstiefe 30 cm beträgt, (2) die Durchwurzelungstiefe 90 cm beträgt? Masse des Bodens bei 30 cm Tiefe auf 1 ha: 10.000 m² ⋅ 0,3 m ⋅ 1300 kg/m³ = 3.900.000 kg 3.900.000 kg ⋅ 0,000025 kg/kg = 97,5 kg 90 cm Durchwurzelungstiefe: 292,5 kg
• 16. Skizzieren Sie den Zusammenhang zwischen Weizen-Ertrag und N-Verfügbarkeit. Warum findet sich solch ein Zusammenhang für die Biomasseproduktion in einem naturnahen Ökosystem häufig nicht? Hoher Weizen Ertrag bei hoher N-Verfügbarkeit, der Weizenertrag steigt annähernd linear mit der Erhöhung der N-Verfügbarkeit, bis zur Sättigung, da N meist ein wachstumslimitierender Faktor ist. Solche einfachen Zusammenhänge zwischen Nährstoffkonzentration und Biomasseproduktion finden sich in Monokulturen, wie den meisten ackerbaulichen Systemen; in natürlichen Ökosystemen kommt es zur Artenverschiebung, weil unterschiedliche Arten unterschiedlich gut an die jeweiligen Umweltbedingungen angepasst sind, d.h. Pflanzen, die besser an den erhöhten N-Eintrag angepasst sind setzen sich durch. Man kann also sagen, dass naturnahe Ökosysteme viel heterogener sind.
• 17. Beschreiben Sie kurz, wie man den N-Düngerbedarf in der Landwirtschaft ermittelt. Düngebedarf = Soll-konzentration – Ist-Konzentration Die Soll-Konzentration kann tabellarisch anhand der Bodeneigenschaften abgelesen werden. Die Ist-Konzentration wird regelmäßig untersucht: Die Differenz ist die nötige Düngung. Eine Fehlerquelle ist, dass Nährstoffe aus der Bodenfestphase nachgeliefert werden während des Jahresverlaufs, was zu Stickstoffüberfluss führt (schwer vorherzusagen wie viel nachgeliefert wird / stark abhängig von der Witterung). Dies begünstigt die Auswaschung, was das Grundwasser belastet. Außerdem herrscht die Angst vor Stickstoffmangel, da dies enorme Wachstumseinbußen verursacht. Die Landwirte nehmen daher eine Übersättigung in Kauf. Die optimale Düngermenge ist der Pflanzenbedarf minus der Menge, die durch den Boden bereitgestellt und nachgeliefert wird.
• 18. Auf welche Eigenschaften wirkt sich Düngung im Wald aus, die auf dem Acker keine Rolle spielen? Die Antwort des Systems ist viel komplexer als bei landwirtschaftlichen Böden. Mit der erhöhten Stickstoffkonzentration geht eine Artenverschiebung einher, d.h. die Artenzusammensetzung und daraufhin das Ökosystem ändert sich. Es wird also nicht direkt unbedingt ein verstärkter Zuwachs erreicht. Oftmals habe Pflanzen wie Kräuter, die stickstofflimitiert sind, hier eine Chance. Düngung führt zu verstärktem Zuwachs (v.A. durch Kräuter). Das Wachstum der Kräuter ist stickstofflimitiert. Die Artenzusammensetzung der Bodenfauna und vor allem Flora verändert sich. Verschiedene Arten reagieren auch anders auf verschiedene Nährstoffe. Es kann aber auch die Nährstoffkonzentration im Boden völlig verändern (durch andere Bakterien etc.)
• 19. Nennen Sie zwei der Ellenbergzeigerwerte, die im Zusammenhang mit der Nährstoffverfügbarkeit stehen. Ist eine 9-stufige Skala die angibt, welche Ausprägung von Klima- und Bodenfaktoren eine jeweillige Art zeigt Lichtzahl (wie viel Licht braucht die jeweilige Art (z.B. 1 = Schattenpflanze / 9 = Volllichtpflanze) Reaktionszahl (geben den pH-Wert an, sind aber nicht der pH-Wert), z.B. 1 = Starksäurezeiger, 9 = Kalk- und Basenzeiger.

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