Ihre Nährstoffe nimmt die Pflanze in aller Regel durch die Wurzel auf. Dafür müssen die Pflanzennährstoffe als Ionen im Bodenwasser gelöst sein.
Ionen sind Molekülteile, die entweder elektrisch positiv+ (Kationen) oder negativ– (Anionen) geladen sind.
- Kationen sind Ca2+, Mg2+, K+, Al3+, H+, NH4+ und an negativ– geladenen Bodenteilchen angeheftet, wie z.B. an Ton–
- Anionen sind PO43-, SO42-, NO3–, Cl–, die an positiv+ geladenen Verbindungen und Huminstoffen angelagert sind.
Damit die Pflanze nicht nur an frei im Bodenwasser verfügbare Nährstoffe gelangt, kann sie sich auch im Boden festgeheftete Nährstoffionen ablösen und für sich nutzbar machen.
Normalerweise ist es in der Chemie nicht möglich, dass zwei verschieden konzentrierte Lösungen nebeneinander existieren. Die Diffusion, also die selbständige Vermischung, würde dafür sorgen, dass es kein Konzentrationsgefälle eines bestimmten Nährstoffes geben würde. Es wäre also unmöglich, dass in der Pflanzenwurzel eine höhere Nährstoffkonzentration als im Bodenwasser sich befindet.
Um dennoch an eine höhere Nährstoffkonzentration als im Bodenwasser zu gelangen, bedarf es seitens der Pflanzenwurzel eines Kraftaktes, der natürlich Energie erfordert. Folglich muss die Pflanze einen Teil ihres durch Photosynthese erzeugten Traubenzucker in der Wurzel unter Zuhilfenahme von Sauerstoff verbrennen. Dabei entsteht, wie bei jedem Feuer, Abgase: Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O).
Diese beiden Abgase werden nicht entsorgt, sondern trickreich genutzt: Aus zwei Verbrennungsrückständen wird eine neue Verbindung:
| Kohlen-dioxid | CO2 | + | Wasser | H2O | => | Kohlen-säure | H2CO3 |
Es folgt Schritt zwei: Die Kohlensäure wird wieder aufgespalten in zwei neue Stoffe. Das sind jetzt Molekülreste und die sind nicht mehr elektrisch neutral wie die Moleküle, sondern elektrisch geladen.
| Wasserstoff | H+ | Kation, elektrisch positiv |
| Hydrogencarbonat | HCO3– | Anion, elektrisch negativ |
Damit hat die Pflanze in ihrer Wurzel die Möglichkeit, an zusätzliche Nährstoffionen zu gelangen. Sie bekommt im Tausch für ein HCO3– Ion ein anderes Anionen– aus der Bodenlösung und für ein H+ Ion ein anderesKation aus der Bodenlösung.
| H+ aus der Wurzel | wird getauscht gegen ein Nährstoffkation | Ca2+ Mg2+ K+ Al3+ NH4+ | aus der Bodenlösung |
| HCO3– aus der Wurzel | wird getauscht gegen ein Nährstoffanion | PO43- SO42- NO3– Cl– | aus der Bodenlösung |
Durch den 1:1 Ionenaustausch bleibt das Verhältnis von negativen und positiven Ionen im Boden trotz der Tauscherei gleich. Das Verhältnis von Kationen und Anionen in Pflanze und Bodenlösung bleibt unverändert, geändert hat sich aber die Zusammensetzung der Nährstoffionen in der Pflanze und im Boden.
Der Boden enthält nach dem Tausch weniger Nährstoffionen, dafür aber mehr H+ und HCO3– Ionen, die Pflanze dafür mehr Nährstoffionen und weniger H+ und HCO3– Ionen.
Welche folgen hat der Ionen- Austausch für Pflanzen und Böden?
| Pflanze | Boden |
|---|---|
| Energieverlust durch Traubenzuckerverbrennung | Nährstoffverarmung |
| Höhere Nährstoffkonzentration als in der Bodenlösung | H- Ionenkonzentration steigt = Boden wird saurer |
| Fossiertes Wachstum/ Fruchtbildung | Höhere Bodensäure löst mehr Nährstoffe aus den Steinen |
| Wurzelatmung wird durch Bodenversäurung behindert | Bodenleben wird durch Bodensäure reduziert |
| Weniger Nährstoffe aus Mineralisierung | Geringere Umwandlung organischer Masse in mineralische Masse |
Da Dauergrünland zu den biologisch aktivsten Kulturen mit der stärksten Pflanzendichte zählt, ist die Steigerung der Wasserstoffionenkonzentration im Boden nicht zu vernachlässigen. Das ist der Grund, warum bei nahezu jedem in Nutzung befindlichen Dauergrünland der pH- Wert reguliert werden muss.