Bodenfruchtbarkeit/Nährstoffdynamik im Boden Univ.Lek.DI Hans Unterfrauner

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1 Bodenfruchtbarkeit/Nährstoffdynamik im Boden Univ.Lek.DI Hans Unterfrauner

2 Inhalt Bodenfruchtbarkeit Erfassen Zusammensetzung von Pflanzen und Böden Interaktionen von Nährelementen Dynamik in Böden Phosphorkreislauf Bewerten, Optimieren Rechenbeispiel Ergebnisse bisheriger Untersuchungen (NDB)

3 Bodenfruchtbarkeit Definitionen Uni Münster: Hypersoil.Uni-muenster.de Der Begriff Bodenfruchtbarkeit wird hauptsächlich in der Landwirtschaft verwendet und in der Literatur vielfältig diskutiert. Gisi definiert Bodenfruchtbarkeit als "... die Fähigkeit eines Bodens, Frucht zu tragen, d.h. den Pflanzen als Standort zu dienen und nachhaltig regelmäßige Pflanzenerträge von hoher Qualität zu erzeugen". Synonym dazu werden die Begriffe Ertragsfähigkeit oder Produktivität des Bodens (Schröder) verwendet. Scheffer/Schachtschabel 2002 ist die Fähigkeit von Natur- und Kulturböden, den Pflanzen als Standort zu dienen Meyers Lexikon Maß für die Eignung eines Bodens für das Pflanzenwachstum; ausgedrückt wird seine Fähigkeit, die Lebensbedürfnisse der Pflanzen zu befriedigen, z. B. ihre Wurzeln mit Wasser, Luft und Nährstoffen zu versorgen Bodenfruchtbarkeit, Nährstoffdynamik Februar 09

4 odenfruchtbarkeit influssfaktoren Luft Wasser Flora Boden Fauna Mensch

5 Bodenfruchtbarkeit Pflanzen anspruch Wurzelraum Wasser Luft Engergie (Licht, Wärme) Nährstoffe Säurezustand Stabilität Boden eigenschaften Gründigkeit Wasserhaushalt Lufthaushalt Energishaushalt Nährstoffhaushalt Pufferkapazität Dynamik

6 Bodenfruchtbarkeit natürliche-erworbene Gestein und Relief Klima Lebewesen Natürliche Bodenfruchtbarkeit Langfristige Bewirtschaftung (Düngung, Fruchtfolge, Bearbeitung) Erworbene Bodenfruchtbarkeit Ertragspotential Erfassen Bewerten Otpimieren Aktuelle natürliche Einflüsse (zb Witterung, Luftqualität, Schädlinge) Kurzfr. anthropogene Maßnahmen (zb Düngung, Bearbeitung, FF, Pflanzensch.) Quelle: mod. nach Gisi, 1997 Ertragsleistung (Produktion) Bodenfruchtbarkeit, Nährstoffdynamik Februar 09

7 Bodenfruchtbarkeit Erfassen Bewerten - Optimieren durch Kenntnis möglichst vieler Elemente und deren Interaktionen S Q = f (E i, I i ) - Deutschland (zb Reichsbodenschätzung, Acker- Grünlandschätzrahmen Scheffer/Schachtschabel: charakterisieren nur Ertragsfähigkeit, Gründe einer schlechten oder guten Bewertung nicht zu entnehmen -International zb SIR: Storie Index Rating, FCC: Fertility Capability Classification LCC: Land Capability Classification - TBU: ökologische Bodenbewertung Erfassen: Bewerten: Optimieren/Umsetzen: TBU TBU Bodenfruchtbarkeit, Nährstoffdynamik Februar 09 TBU+??? Ertragspotential = Ertragsleistung, standortsindividuelle Optimierung der Maßnahmen (zb. Düngung, Bearbeitung, Fruchtfolge, Pflanzenschutz)

8 Nährstoffe Was benötigt eine Pflanze. Energie Wasser Nährstoffe Sonne Boden Luft BWasser Luft 6 CO H 2 O + Energie => C 6 H 12 O O 2

9 Nährelemente/Nährstoffe Nährelement: Element ohne dem Pflanzenwachstum unmöglich ist Nährstoff: Für Wurzeln aufnehmbare Form der Nährelemente Grundnährelemente: Makronährelemente: C, H, O N, K, Ca, Mg, P, S Mikronährelemente: Nützlichen Elemente: Cl, Fe, Mn, Zn, B, Cu, Mo, Ni Si, Na, Co, V, andere

10 Zusammensetzung einer Pflanze Bodenfruchtbarkeit, Nährstoffdynamik Februar 09

11 Zusammensetzung eines Bodens Kalkboden Ca, (Mg), CO 3, Organische Substanz (C,O,H, N, P, K, ) Silikatboden Si, Al, Fe, K, Mg, Ca, P, S, Zn Cu, Zn, Mn, Mo, Ni, Organische Substanz (C,O,H, N, P, K, )

12 Transportmechanismen Massenfluss: Wasserstrom zur Wurzel, durch Transpiration angetrieben Diffusion: Ausgleich von Konzentrationsunterschieden Wurzelwachstum: Wachsende Wurzeln erschliessen ständig unberührte Bodenbereiche ( Abweidung des Bodens durch die Wurzeln )

13 Wirkungsgefüge Ca Cu Mg Na Wirkungsweise Mn Zn Antagonismus stark K N Antagonismus schwach Synergismus Fe P B Bodenfruchtbarkeit, Nährstoffdynamik Februar 09

14 Übertritt der Nährstoffe in die Wurzel Über die Wurzel werden nur im Wasser gelöste Nährstoffe aufgenommen Situation Wurzelspitze Wurzelrinde Casparystreifen SO 4 -- Cl - NO 3 - HPO 4 -- H 2 PO 4 - B(OH) 4 H 3 BO 3 Gefäß MoO 4 -- Ca ++ Mg ++ K + NH + Mn ++ 4 NH 3

15 Übertritt der Nährstoffe in die Wurzel Über die Wurzel werden nur im Wasser gelöste Nährstoffe aufgenommen Situation Wurzelhaare Wurzelrinde Casparystreifen Kompetitive Sorptionsstellen unspezifische Sorptionsstellen NO - 3 SO -- 4 Mg ++ Cl - Mn ++ K + Gefäß Träger

16 Definitionen Kompetitive Bindung: Prozesse sind nur für chemisch eng verwandte Teilchen möglich: zb: NO 3 /Cl, SO 4 /MoO 4, Mg/Mn Unspezifische Bindung: Prozesse orientieren sich an Konzentrationen/Verdrängungswirkungen: zb: Ca, K und NH4 hemmen die Mg Aufnahme, Auch untereinander findet man entsprechende Effekte Wichtig: Zusammensetzung des Sorptionskomplexes

17 Praktische Konsequenzen (kompetitve Hemmung) NO 3- /Cl - : -Senkung der Nitratgehalte im Erntegut durch Cl - haltige Dünger (sofern kein hoher Zuckergehalt gefordert) - Verringerung von Fe Chlorosen durch Cl - da Nitrat Aufnahme red. SO 4 -- /MoO 4 -- : - bei Mo Mangel geringe Mengen SO 4 verwenden - bei hohen SO 4 Gehalten Mo düngen - bei hohen Mo Gehalten (Molybdänose) SO 4 -- düngen Mg ++ /Mn ++ : - Mn- Vergiftung durch Mg Düngung auf sauren Böden vermeiden (Mn blockiert die Mg Transportstellen ) Ca ++ /Sr ++ : Cu ++ /Zn ++ : - Ca Zufuhr setzt Sr Aufnahme herab - Zn Mangel führt zur Cu Überschuss

18 Praktische Konsequenzen Verdrängungswirkung - Gleichsinnig geladene Ionen konkurrieren sich gegenseitig. (zb Ca, Mg, K, Na, NH 4 ) - Mg Überschuss <=> Mangel an Ca, K - K Überschuss <=> Mangel an Mg, Ca - Ca Überschuss <=> Mangel an Fe, B, Mn, Mg, K - K ist besonders konkurrenzfähig, sinkt das ph, nimmt Aufnahme stark ab, bei Zufuhr von Ca nimmt Aufnahme wieder zu (Synergismus) Festlegungen - Gegenteilig geladene Ionen können stabile Verbindungen bilden - PO 4 Überschuss <=> Festlegung Cu, Zn, Mn - Fe Überschuss => Festlegung von PO 4

19 Bindungsstärken der Elemente K K K K K K K K Wurzelhaar K K K K Ca 60 80% Mg 10 20% K 1,5 K4% Na 0,5 1% [4] Kapillare (Bodenpore) Bodenfruchtbarkeit, Nährstoffdynamik Februar 09

20 Dynamik im Boden Mobilisierung Reserve Abbau, Mineralisation, Auflösung, Desorption Austauschbar Wasser löslich Dünger Niederschlag Grundwasser Aerosole N-Fixierung Nicht verfügbar Pflanzenentzug Auswaschung Erosion Denitrifikation Fraktion IV Fraktion III Fixierung, Einbau in organische Moleküle, Ausfällung, Adsorption Immobilisierung Fraktion II Fraktion I

21 Phosphor im Boden Lithogenes P Verwitterung Düngung Dünger P 18 40kg/ha/a Min. P kg/ha P sorbiert Desorption Sorption Fällung Lösung P in der Bodenlösung 0,4-0,8kg/ha Optimal 2mg/l Auswaschung P-Aufnahme Mineralisierung Mineralisierung Immobilisierung P in Pflanzen Pflanzen 15 50kg/ha P anorganisch Ca, Al, Fe P im Grundwasser Auswaschung 0,1-0,3kg/ha/a P Humus/MO kg/ha kg/ha Bodenfruchtbarkeit, Nährstoffdynamik Februar 09

22 Phosphor in der Bodenlösung 14 PO 4 min + organisch PO 4 mineralisch (Ortho) PO4 [mg/l]

23 Puffersysteme im Boden ph Bereich Puffersubstanz Reaktion (Beispiel) Veränderung 8-6,5 Carbonat CaCO 3 + 2H + = Ca 2+ + CO 2 + H 2 O Verlust von Carbonat 7-5,5 Austauscher AT]-M + 2H + = AT]-H 2 + M 2+ Verlust aust. Kationen Basensättigung sinkt Zerstörung Austauscher 5,5-4,2 Silikate (SiO) 3 Al + 3H + = (SiOH) 3 + Al 3+ Verlust KAK Al in Bodenlösung 4,8-3,0 Al Oxide, Hydroxide Al (OH) 3 +3H + = Al H 2 O + Al in Bodenlösung Al austauschbar < 3 Fe Oxide, Hydroxide FeOOH + 3H + = Fe3+ + 2H 2 O Fe, Mn in Bodenlösung Fe, Mn austauschbar

24 Analytische Bewertung Bodenfruchtbarkeit, Nährstoffdynamik Februar 09

25 eispiel: Otpimierung 1) Umrechnen von Analysenwerten [mg/kg, %] auf kg Nährstoff pro Hektar 2) Kalkulieren des Nährstoffbedarfes 3) Bewerten und Optimieren

26 Annahmen: Annahme: Bodenart: sandiger Lehm Dichte: 1,5g/cm 3 Porenvolumen: 45% Humusgehalt: 2,0% Durchwurzelung: 30cm KAK: 80mmolc/kg Ergebnisse 1: BV [m 3 /ha] BG [t/ha] WK [m 3 ] HG [t/ha]

27 Rechenbeispiel/Nährstoffe Weizen, Ertrag 5t/ha IST Pf. Entzug Differenz Bemerkung Parameter Einheit Wert kg/ha kg/ha kg/ha phcacl 2 -log [H+] 6,9 Verfügbarkeit? Humus % 2, Qualität? C/N - Nt 8, N-Nachlief. Nmin mg/kg 17,00 76,5 120,00-43,5 Wann? Ca mg/kg 1332, , "Magnet"? Mg mg/kg 43, , "Magnet"? K mg/kg 77, , "Magnet"? P mg/kg 3,15 14,1 27,50-13,4 Wann? Cu mg/kg 0,04 0,18 0,07 + 0,11 Reserven? Zn mg/kg 0,07 0,31 0,43-0,12 Wie? Mn mg/kg 0,10 0,45 0,50-0,05 Wie?

28 Rechenbeispiel Sorptionskomplex/Magnet Parameter Anteil mmolc/kg Anteil %KAK Optimal % KAK Bewertung Zugabe kg/ha Ca 66,6 83, ok 0 Mg 3,6 4, zu niedrig 345 K 2,0 2,5 1,5-4 ok 0

29 Optimierte Zufuhr N 43,50kg/ha P 13,40kg/ha Zn 0,12kg/ha (Blatt) Mn 0,05kg/ha (Blatt) Mg 345,00kg/ha

30 Auswertungen 2007/2008 Bodenfruchtbarkeit, Nährstoffdynamik Februar 09

31 ph Werte 316 Proben ph Wasser ph KCl 40% 2% 3% 10% 34% 2% 9% 13% <5 5-5,5 5,6-6,5 6,6-7,5 >7,5 45% <5 5-5,5 5,6-6,5 6,6-7,5 >7,5 42%

32 Humusgehalt [%] 316 Proben 7% 8% 23% 17% <1,5 1,6-2,5 2,6-3,6 3,7-4,5 >4,5 45% Bodenfruchtbarkeit, Nährstoffdynamik Februar 09

33 Elektr. Leitfähigkeit [ms/cm] 316 Proben 44% 7% 3% 46% <0,5 0,6-1,0 1,1-1,5 >1,5

34 Bodenschwere 316 Proben 19% 6% 1% leicht leicht/mittelschwer mittelschwer schwer 74%

35 CEC Pot [mmolc/kg] 316 Proben 9% 6% 14% 22% sehr schwach schwach mittel stark stark sehr stark 49% Bodenfruchtbarkeit, Nährstoffdynamik Februar 09

36 Potentielle Säure 316 Proben 13% 8% 42% 24% < , , >60 7% Bodenfruchtbarkeit, Nährstoffdynamik Februar 09

37 Ungenutztes Sorptions-Potenial 316 Proben 50% 2% 14% < %

38 Basensättigung [%Tp] 316 Proben 22% 27% 24% < >90 27% Bodenfruchtbarkeit, Nährstoffdynamik Februar 09

39 Sorptionskomplex 316 Proben 17% Ca 3% 12% 13% Mg 10% 5% 31% 55% < >90 30% K 54% 8% 5% <5 5,1-9,9 9,9-20 >20 23% <1 1,1-1,5 1,51-4 4,1-6 34% Bodenfruchtbarkeit, Nährstoffdynamik Februar 09

40 Phosphor-PO Proben PO 4 [mg/l] 15% 10% 38% 48% PO 4 pfl [kg/ha] 6% 14% 37% <2 2-4, >10 18% 2% PO 4 Res [kg/ha] 24% 15% < >160 17% 21% < % Bodenfruchtbarkeit, Nährstoffdynamik Februar 09

41 Kalium - K 316 Proben K [mg/l] 22% 29% 57% K pfl [kg/ha] 8% 14% 30% < >40 19% 14% K Res [kg/ha] 23% 21% < >300 22% < % Bodenfruchtbarkeit, Nährstoffdynamik Februar 09

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