Strategie: Trockenresistenz des Grünlands durch regelmäßige Kalkung erhöhen

Auch das ist kohlensaurer Kalk: Die Kreidefelsen von Rügen.

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-dioxidCO2+WasserH2O=>Kohlen-säureH2CO3
Kohlensäure und Wasser werden zu Kohlensäure

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.

WasserstoffH+Kation, elektrisch positiv
HydrogencarbonatHCO3Anion, 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 Wurzelwird getauscht gegen
ein Nährstoffkation
Ca2+
Mg2+
K+
Al3+
NH4+
aus der Bodenlösung
HCO3– aus der Wurzelwird getauscht gegen
ein Nährstoffanion
PO43-
SO42-
NO3
Cl
aus der Bodenlösung
Gespräch zwischen Pflanzenwurzel und Boden: „Gibst Du mir ein H+, gebe ich Dir ein K+, brauchst Du noch ein NO3, dann bekomme ich ein HCO3 dafür.“

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?

PflanzeBoden
Energieverlust durch TraubenzuckerverbrennungNährstoffverarmung
Höhere Nährstoffkonzentration als in der BodenlösungH- Ionenkonzentration steigt = Boden wird saurer
Fossiertes Wachstum/ FruchtbildungHöhere Bodensäure löst mehr Nährstoffe aus den Steinen
Wurzelatmung wird durch Bodenversäurung behindertBodenleben wird durch Bodensäure reduziert
Weniger Nährstoffe aus MineralisierungGeringere 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.

Eine Kalkung ist für bewirtschaftetes Dauergrünland unumgänglich. Nur die regelmäßige Überprüfung und Abpufferung der Bodenlösung sorgt dafür, dass die Pflanze eine höhere Kalium- Ionenkonzentration als die der Bodenlösung speichern kann und damit die Wasserspeicherfähigkeit bei Trockenphasen deutlich höher als die des Bodens ist.
Fazit: Durch Kalkung wird die Trockenresistenz der Pflanze deutlich erhöht.

Strategien: Osmoregulation

In der Mongolischen Steppe regnet es oft monatelang nicht. Wasser finden die Pferde nur an Grundwasserquellen. Durch eine hohe Kalium- und Calciumversorgung sind die Steppengräser trockenresistenter als bei uns in Mitteleuropa.

Osmoregulation ist die Fähigkeit einer Zelle, die Konzentration an Wirkstoffen und Wasser zu regeln und zu kontrollieren. Normalerweise gleichen sich Konzentrationen in einem Flüssigkeitsraum immer aus. Folglich kann eigentlich weder der Nährstoffgehalt als auch der Wassergehalt einer Pflanzenzelle höher oder niedriger als der im Boden sein, denn die Pflanze ist mit ihren Zellen über die Wurzeln direkt mit dem Boden verbunden. Pflanzenzelle und Boden ist ein Flüssigkeitsraum. Wenn Pflanzen nicht in der Lage wären, ihren Nährstoff- und Wassergehalt ihn ihren Zellen entgegen der Bodenkonzentration zu steuern, dann wären sie völlig vom vorhandenen Boden abhängig. Dem ist nicht so, denn durch eine hohe Konzentration von Kalium und Calcium sind Pflanzen in der Lage, mehr Nährstoffe und mehr Wasser als im Boden in ihren Zellen zu speichern. Die Steuerung der Konzentration erfolgt in beide Richtungen. Bei einem Überangebot an Nährstoffen und Wasser verhindert die Osmoregulation zu hohen Nährstoffenkonzentrationen und Wassergehalte in der Zelle. Deshalb wird die Pflanze nicht nur trockenresistenter, sondern auch frostfester, weil die Pflanzenzellen nicht durch Frostsprengung geschädigt werden.

Durch eine ausreichende Ionenkonzentration, besonders von K+, Ca2+ und H+ (Proton) in ihren Zellen, ist eine Pflanze gegenüber Trockenstress resistenter, da sie bei Trockenheit des Bodens ihr Zellwasser samt Nährstoffen besser hält und nicht an den trockeneren Boden abgeben muss.

Eine Bodenprobe in der Mongolischen Steppe ergab, dass die Böden besonders reich an Calcium und Kalium sind, weil hier wenig Niederschläge für nur geringe Auswaschungen führen. Somit sind die Steppengräser in der Lage, aktiv im Austausch von H+ und HCO3 , gewonnen aus der Photosynthese, reichlich K+ und Ca2+ entgegen der Nährstoffkonzentration im Boden aufzunehmen. Eine Düngung dieser Nährstoffe ist nicht notwendig. Durch die optimalen Wasser- und Nährstoffgehalte in der Zelle sind die Pflanzen der Steppe trocken- und frostresistenter. Eigenschaften, die in der Steppe lebensnotwendig sind. In der Steppe nutzen die Pflanzen auch noch andere Mechanismen, den Trockenstress zu minimieren, wie Verhältnis Wurzelmasse zu Blättern, wenig Blattmasse, Drehen der Spaltöffnunfen aus Sonne und Wind, usw.

Die mögliche Strategie: Da wir in Deutschland in vielen Regionen immer öfter ein Steppenklima durch den Klimawandel registrieren, könnte eine ausreichende oder erhöhte Kalium- und Calciumversorgung der Grünlandböden die Gräser besser gegen Trockenstress zu schützen. Das würde bedeuten, die derzeitigen Düngeempfehlungen der Landwirtschaftlichen Untersuchungs- und Forschungsanstalten (LUFA) einzuhalten oder sogar um eine Stufe (+20%) zu erhöhen. Die LUFA registriert derzeit eher geringere als überhöhte Versorgungsstufen beider Nährstoffe beim Pferdegrünland. Betriebe mit vergleichbaren Grünlandflächen könnten einmal versuchen, eine Parzelle entsprechend den derzeitigen Empfehlungen der LUFA mit Calcium und Kalium zu düngen und die Vergleichsfläche mit 20% zu „überdüngen“. Nur so kann die Frage beantwortet werden, ob für diesen Standort eine Erhöhung der Calcium- und Kaliumdüngung das Grünland trockenresistenter machen kann.