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14.08.2020 - Peer Leithold (E-Mail schreiben an Peer Leithold)

Die Krux mit der Bodenprobenuntersuchung nach Albrecht und Kinsey

Unten stehend haben wir einen fachlich exzellenten Artikel aus dem Getreide Magazin (Ausgabe 3/2020) von Christoph Weidemann, Prof. Dr. Karl Mühling (Institut für Pflanzenernährung und Bodenkunde, Universität zu Kiel) und Dr. Lars Biernat (Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein) abgebildet. Darin gehen die Agrarwissenschaftler auf den Hintergrund der Bodenuntersuchung nach Kinsey bzw. Albrecht respektive deren Düngeempfehlungen ein.

Die wichtigsten Aussagen möchten wir hier kurz zusammenfassen und noch etwas ergänzen:

  1. Es gibt weltweit viele unterschiedliche Methoden der Bodenuntersuchung zur Charakterisierung der Zusammensetzung und Pflanzenverfügbarkeit von Nährstoffen. Eine Bodenuntersuchung ergibt nur dann Sinn, wenn die ermittelten Werte in kalibrierten und repräsentativen Feldversuchen zu einer ökonomisch sinnvollen Düngeempfehlung führen. Das gibt es für die Methode nach Kinsey/Albrecht für Deutschland nicht!
  2. Die Kationenaustauschkapazität (KAK) ist seit 1850* bekannt und wurde seitens deutscher Bodenkundler und Pflanzenernährer in den 1950er und 1960er Jahre intensiv untersucht. Aus diesen Erkenntnissen heraus entstanden in Deutschland die heutigen Untersuchungsmethoden durch den Verband Deutscher Landwirtschaftlicher Untersuchungs- und Forschungsanstalten (VDLUFA).
  3. Die KAK kann allerdings weder den Kalkbedarf noch die selektive und spezifische Nährstoffbindungen am Austauscher des Bodens berücksichtigen. Regionale Feldversuche werden nicht als notwendig erachtet. Somit wird die Interaktion von Pflanze und Boden völlig ausgeblendet. Die Kationenverhältnisse stellen im engeren Sinne keine Ertrags- und Wachstumsfaktoren dar.
  4. Dreiwertige Ionen haben eine größere Eintauschstärke als zweiwertige Ionen und diese wiederum als einwertige Ionen. Innerhalb der Kationen gleicher Wertigkeit hängt die Reihenfolge vom Ionendurchmesser ab. Je größer dieser ist, desto kleiner ist die Hydratationsenergie, umso eher wird das Ion eingetauscht. Es ergibt sich folgende Reihenfolge: Al+++ > Ca++ > Mg++ > NH4++ > K+ > Na+. Durch eine extrem hohe einseitige Düngung kann über einen Konzentrationseffekt dieses Gleichgewicht verschoben werden. Durch Pflanzenentzug, Auswaschung und Fixierung stellen sich dann aber wieder boden- und humustypische normale Verhältnisse von allein ein.
  5. Die Verteilung der Verhältnisse hängt stark von der geologischen Herkunft des Bodens, vom pH-Wert und vom Humusanteil ab. Eine Idealverteilung für alle Böden ist nicht gegeben. Eine reine Bilanzierung der benötigten Nährstoffmengen am Austauscher nach einem festen Zielwert führt zu Über- oder Unterversorgung der Nährstoffe in der Bodenlösung und zu möglichen gegenseitigen Behinderungen der Nährstoffe.
  6. Eine höhere Bodenversorgung mit Magnesium hat keine direkten Auswirkungen auf die Pflanzen, da diese Mg nicht selektiv und nicht über ihren Bedarf hinaus aufnehmen.
  7. Auch ist das bekannte Verkaufsargument „Magnesium macht den Boden hart“ falsch. Eine höhere Magnesiumversorgung hat keine negativen Auswirkungen auf die Bodenstruktur.
  8. Anstelle weniger und teurer Analytik sollte man nach dem VDLUFA Standard besser intensiver und nach unterschiedlichen Bodenmerkmalen bzw. Geländeunterschieden beproben. Eine genaue Bestimmung der Bodenart und der Humusgehalte verbessert die Interpretation der Düngeempfehlung zusätzlich.

Dies war eine kurze Zusammenfassung der wichtigsten Punkte, was zu bedenken ist, wenn Sie Bodenbeprobungsmethoden und deren Alternativen einschätzen wollen. Wer tiefer in die Materie einsteigen möchte und einen noch genaueren Überblick haben will, dem würde ich empfehlen den folgenden Fachartikel zu lesen.



Welche Methode für die Bodenanalyse?

Die zukünftigen Rahmenbedingungen einer verschärften Düngeverordnung fordern höchste Ansprüche an die Anbausysteme auf Marktfrucht- und Futterbaubetrieben. Vor allem der effiziente Umgang mit den umweltrelevanten Nährstoffen Stickstoff und Phosphor steht im Vordergrund. Hierfür ist eine ausgewogene Pflanzenernährung erforderlich, die abgeleitet aus etablierten Bodenanalysemethoden und langjährigen Feldversuchen über eine Düngeempfehlung den Landwirten angeraten wird.

Christoph Weidemann, Prof. Dr. Karl H. Mühling, Universität Kiel, und Dr. Lars Biernat, Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein

Pflanzenbauliche Probleme ließen sich in der Vergangenheit wirksam über den Pflanzenschutzmitteleinsatz und die Nutzung von .Reparaturstickstoff" korrigieren. Diese Möglichkeiten sind unter den künftigen Zielvorgaben allerdings nur noch stark eingeschränkt erlaubt und müssen viel mehr mit optimierter  Produktionstechnik realisiert werden. Dazu müssen ackerbauliche Grundsätze wieder verstärkt in den Fokus rücken, worunter insbesondere auch die Bodenanalyse , die Interpretation der Analyseergebnisse sowie die da zugehörige Düngeempfehlung zu zählen sind. Denn die Grundlage für sichere Erträge und eine hohe Nährstoffverfügbarkeit bilden ein aktives Bodenleben, ein optimaler Boden-pH-Wert sowie die ausgewogene Versorgung mit essenziellen Pflanzennährstoffen.

Dabei führen die steigen den Herausforderungen für die landwirtschaftliche Praxis zu einer deutlich kritischeren Betrachtungsweise der durch die Offizialberatung empfohlenen Bodenuntersuchungsmethoden als Grundlage regionstypischer Düngeempfehlungen. Grundsätzlich steht der Düngebedarf unterschiedlicher Kulturen in Abhängigkeit des Nährstoffbedarfs und des Nährstoffaneignungsvermögens der angebauten Früchte, der jeweiligen Ertrags- und Qualitätserwartungen sowie des Nährstoffangebots des Bodens unter Berücksichtigung der vorherrschenden Klimabedingungen.

Standards in der Bodenuntersuchung

Weltweit wurden in diesem Zusammenhang viele verschiedene Methoden erforscht und entwickelt, um die Zusammensetzung und Verfügbarkeit von Nährstoffen in Böden zu erfassen. Dabei führen allerdings nur kalibrierte Feldversuche unter repräsentativen Versuchsbedingungen zu entsprechenden, gesicherten standorttypischen Düngeempfehlungen. Auf dieser Basis hat der Verband Deutscher landwirtschaftlicher Untersuchungs- und Forschungsanstalten (VDLUFA) die in Deutschland verwendeten Bodenuntersuchungsmethoden standardisiert. Langjährige Feldversuchsaktivitäten führten zu einem Mengenkonzept mit Einteilung in Gehaltsklassen (A-E) und daraus abgeleiteten Düngeempfehlungen.

Ausgelöst durch verschiedene Aktivitäten meist privater Institutionen, wird im Gegensatz dazu die Methode zur Bestimmung der Kationenaustauschkapazität (KAK) als Grundlage für die Düngeentscheidung derzeit oftmals als "moderner" oder „fortschrittlicher" empfunden. Ihre Ursprünge liegen jedoch schon in den 40er-Jahren des letzten Jahrhunderts in den USA. Auch in Deutschland wurde in den 50er- und 60er-Jahren von Universitäten und offiziellen Beratungsorganisationen intensiv darüber geforscht. Die dort gewonnenen Erkenntnisse haben zur Entwicklung der heutigen VDLUFA-Methoden beigetragen.

 

Die Umsetzung von elementarem Schwefel im Boden ist ein mikrobieller, temperaturabhängiger Prozess, bei dem stark bodenversauernde Schwefelsäure freigesetzt wird und erst das Endprodukt „Sulfat-Schwefel“ von der Pflanze aufgenommen werden kann. Foto: Weidemann

Anstelle eines Gehaltsklassensystems wird bei den sogenannten alternativen Methoden die Fruchtbarkeit von Böden vor allern anhand der Verhältnisse der positiv geladenen Nährstoffe (Kationen) zueinander an den Austauscherteilchen (Tonminerale, organische Substanz) definiert.

Damit finden jedoch weder Kalkbedarf noch selektive und spezifische Nährstoffbindungen an den verschiedenen Austauscherteilchen des Bodens Berücksichtigung. Außerdem werden regionale Feldversuche, die auf Boden- und Klimaraum sowie Ertragsverhältnissen basieren, als nicht relevant erachtet. Damit wird die Interaktion von Pflanze und Boden völlig ausgeblendet. Grundsätzlich ist der Kationenaustausch zwar eine wichtige Bodeneigenschaft, bei der In terpretation der Analysemethoden und daraus abgeleiteter Düngeempfehlungen ist der Landwirt allerdings aufgefordert, die Ergebnisse kritisch zu hinterfragen. Dabei soll der folgende Abschnitt Hilfestellung zur Erklärung und Einordnung der wesentlichen Parameter geben.

Wie ist der pH-Wert richtig einzuschätzen?

Der pH-Wert gibt die Konzentration der sauer wirkenden positiven Wasserstoffionen (W) wieder. Er kann über verschiedene Methoden gemessen werden. Früher wurde eine künstliche Bodenlösung mit Kaliumchlorid bei Serienuntersuchungen landwirtschaftlich genutzter Böden verwendet. Im anerkannten Standardverfahren wird heutzutage jedoch Calciumchlorid dafür genutzt. Der besondere Vorteil der Lösung mit Calciumchlorid beruht auf der Konstanz der Messmethode gegenüber Schwankungen von Konzentration und Volumen der Suspendierungsflüssigkeit, sowie des Kalkpotenzials jedes beliebigen Bodens. Nimmt man dagegen nur Wasser, wie z. B. bei der Kinsey-Methode, fallen die gemessenen Werte etwa um 0,3 bis 1,0 Einheiten höher aus. Lediglich bei Böden mit pH 7 und darüber besteht kein Unterschied mehr zwischen bei den Methoden. Wer das nicht beachtet, der schätzt den pH-Wert auf sauren Böden zu hoch ein. Des Weiteren wurden beim Standartverfahren auf Grundlage vielzähliger Feldversuche Ziel-pH-Werte für Böden in Art und Humusgehalt festgestellt und die notwendigen Kalkmengen für deren Erreichung ermittelt.

Was besagt die Kationenaustauschkapazität?

Die Kationenaustauschkapazität (KAK) ist die Fähigkeit des Bodens, Kationen adsorptiv zu binden und damit vor Auswaschung zu bewahren, gleichzeitig aber auch in einer pflanzenverfügbaren Form zu halten. Die Bestimmung der KAK dient vor allem zur Standortcharakterisierung bzw. Einschätzung der Bodenfruchtbarkeit. Man unterscheidet dabei zwischen potenzieller und effektiver Kationenaustauschkapazität. Die potenzielle KAK bestimmt das maximal mögliche Austauschvermögen eines Bodens bei einem pH-Wert von 7. Da der optimale pH-Wert vieler leichterer oder organischer Böden deutlich unter pH 7 liegt, kann diese Kapazität dort nicht ausgeschöpft oder als Berechnungsgrundlage für Düngeempfehlungen verwendet werden.

Es gibt ca. acht verschiedene Methoden zur Bestimmung der potenziellen KAK, die jeweils andere Ergebnisse liefern und nicht direkt vergleichbar sind. Die effektive KAK ermittelt die beim aktuell vorliegenden pH-Wert austauschbaren, positiv geladenen Nährstoffe. Mit einer Änderung des pH-Wertes im Boden ändert sich auch die effektive KAK, da mit steigendem pH-Wert auch die effektive Austauschkapazität zunimmt und umgekehrt. Die Menge an Magnesium und Kali um, die an den Bodenteilchen angelagert werden kann, ist von der effektiven KAK direkt abhängig. Sie kann somit über die in einer Standarduntersuchung bestimm ten K- und Mg-Gehalte errechnet werden. Im Normalfall kann deshalb auf eine auf wendige Bestimmung der KAK verzichtet werden. Sowohl die potenzielle als auch die effektive KAK können mit sehr hoher Genauigkeit geschätzt werden, sofern Ton-, Schluff- und Humusgehalte des Bodens sowie der pH-Wert bekannt sind. (Tab.1).

Was ist Kationenaustausch?

In der Bodenlösung befinden sich die Kationen (Nährelemente mit positiver Ladung) mit ein- oder zweifacher positiver Ladung. Jedes für sich, egal ob es sich um Ammonium, Kalium, Magnesium, Calcium oder Natrium handelt, ist mit einer ange lagerten Schicht aus Wassermolekülen umgeben. Um sich an ein Austauscherteilchen anzulagern, muss diese Wasserhülle abgestreift werden. Da für das Ausmaß dieser Anlagerung sowohl die Anzahl der positiven Ladungen (Wertigkeit) als auch die Größe der Wasserhülle eine Rolle spielen, ist dieser Vorgang außeror dentlich schwer und nur in theoretischen Modellen berechenbar. Man kann daher nicht durch simple Mengenberechnung die Belegung der Austauscher durch Düngung mit Kalium, Calcium oder Magnesium beliebig verändern.

Unternimmt man trotzdem den Versuch, die dafür nötigen Nährstoffmengen zu berechnen, stellt man schnell fest, welche exorbitanten Größenordnungen in der Umrechnung auf eine Düngeempfehlung dabei heraus kommen, um theoretisch nur eine Einheit (in cmolc/kg Boden) des jeweiligen Kations in der Austauscherbelegung zu verändern (Tab. 2). So kann z. B. auch ein etwaiges Überangebot an Kalium nicht da zu führen, dass beliebig viele andere Kationen vom Austauscher verdrängt wer den und als Folge möglicherweise die Bodenstruktur verschlechtert wird. Die Ursachen schlechter Bodenstruktur liegen häufig eher in zu einseitiger Bewirtschaftungsweise sowie der Bearbeitung bzw. Beerntung der Ackerflächen zu Unzeiten und können in der Regel durch  bekannte ackerbauliche Maßnahmen (Bodenbearbeitung, Fruchtfolge, Kalkung, angepasste Bereifung und Luftdruck etc.) wirkungsvoll gelöst werden.

Kationenverhältnisse

Die Kationenverhältnisse geben nur über den momentanen ökologischen Zustand eines Bodens Auskunft, stellen aber keine Wachstums- und Ertragsfaktoren dar. Sie sind Rechenwerte, die in weiten Grenzen variieren, ohne dass die Pflanzen davon einen Nutzen haben oder einen Schadenerleiden. Es gibt genügend Böden, die von einem als ideal angenomme nen Verhältnis mit 60 bis 70 Prozent Calcium 10 bis 20 Prozenz Magnesium, 2 bis 5 Prozent Kalium und 0,5 bis 3 Prozent Natrium am Austauscher ganz erheblich abweichen (Tab. 3) und dennoch optimale Erträge bringen. Ein falsches Verständnis von Kationenaustausch kann damit zu in effizientem Düngemitteleinsatz führen.

Düngerformen

Während die Düngeempfehlungen aus den Ergebnissen der Standardbodenuntersuchung nach VDLUFA in Nährstoffmengen erfolgen, legen manche Anbieter von alternativen Bodenuntersuchungen mit einbezogener KAK auch die Form der Düngemittel fest. Das ist zu hinterfragen, da Kulturen unterschiedlich auf Nährstoffformen reagieren (z. B. Chlorid-Verträglichkeit) und da sich Nährstoffverfügbarkeit und pH-Wert nach einer Düngung verändern können. So führt z. B. eine Schwefeldüngung mit elementarem Schwefel zu einer starken Bodenversauerung (100 kg 90%-iger elementarer Schwefel entspricht einem Kalkverlust von 162 kg CaO), hingegen läuft eine Schwefeldüngung über Kieserit pH-neutral ab. Elementarer Schwefel wird zudem erst nach seiner Umsetzung in Sulfat-Schwefel pflanzenverfügbar. Dieser Umsetzungsprozess ist abhängig von der Bodentemperatur, wodurch eine gezielte Schwefelernährung der Kultur und eine effiziente Stickstoffausnutzung verfehlt werden.

Abhängig vom Verhältnis von Calcium zu Magnesium und häufig unabhängig vom pH-Wert werden teilweise erhebliche Mengen an Calcium- (Kohlensaurer Kalk) oder Magnesiumdüngemitteln (Dolomit , Kieserit) vorgeschlagen. Geologisch bedingt hohe Mg-Mengen in tonigen Böden (z.B. Marschböden) oder auch hohe Ca-Mengen in Carbonatböden und deren Auswirkung auf die Bodeneigenschaften können durch Düngung, wenn überhaupt, nur sehr begrenzt beeinflusst werden. Außerdem zeigen wissenschaftliche Untersuchungen, dass das Ca-Mg-Verhältnis in sehr weiten Grenzen variieren kann, ohne dass es das Pflanzenwachstum und den Ertrag beeinflusst. So sind z.B. auch engere Ca Mg-Verhältnisse als unproblematisch einzuordnen. Bei hohen pH-Werten und/oder hohen Magnesiumgehalten wird oft auch eine Gipsdüngung (CaSO) von Anbietern alternativer Bodenuntersuchungen empfohlen. Diese ist zwar nicht pH-wirksam, kann aber durch hohe Mengen an Calcium eine Konkurrenz zur Magnesiumaufnahme für die Pflanze bedeuten. Genauso können höhere Mengen an reinem Kalium einen Kalium-Magnesium-Antagonismus bewirken, also eine Konkurrenz bei der pflanzlichen Aufnahme.

Eine hohe Calcium- oder Kaliumdüngung kann deshalb einen Magnesiummangel verursachen. Eine höhere Bodenversorgung mit Magnesium hat hingegen keine direkten pflanzlichen Auswirkungen, da die Pflanzen Magnesium nicht selektiv und auch nicht über ihren Bedarf hinaus aufnehmen. Mittlerweile ist es zudem auch erwiesen, dass Magnesium auf die Bodenstruktur keine negativen Auswirkungen hat. Abweichend von den standortspezifischen Kationenverhältnissen sind die zur Einstellung idealer Nährstoffrelationen im Boden, nach Vorstellungen alternativer Methoden, erforderlichen Düngergaben in der Regel unwirtschaftlich hoch. Zielführend ist hier die Einstellung der Nährstoffe in die Gehaltsklasse C nach kulturspezifischer Düngeempfehlung über die Fruchtfolge - dann sind keine negativen Effekte zu befürchten.

Statt  wenige teure, nicht für alle Flächen repräsentative Untersuchungen durchzuführen, ist es für die Optimierung der Kalk und Nährstoffversorgung wesentlich er folgreicher, insbesondere auf unterschiedlichen Schlägen die verschiedenen Bodenarten gezielt zu beproben und zu untersuchen. Darüber hinaus ist für die düngeverordnungskonforme Dokumentation der P-Bodenanalyse lediglich die CAL-Methode bzw. die in Schleswig-Holstein angewendete DL-Methode zugelassen.

Fazit

Die in Deutschland etablierten Bodenuntersuchungsmethoden nach VDLUFA basieren auf jahrzehntelanger Forschung, müssen sich ständiger Qualitätsüberprüfungen unterziehen, und die daraus ab geleiteten Düngeempfehlungen sind an vielzähligen regionalen Feldversuchen kalibriert. Etwaige Missverhältnisse in der Kationenbelegung kommen ausreichend über die Gehaltsklasseneinteilung (A- E) und daraus folgenden Düngeempfehlungen zum Ausdruck. Für die Erstellung einer Düngebedarfsermittlung als Grundlage für eine hohe Nährstoffeffizienz auf Basis der guten fachlichen Praxis sind die von den Offizialbehörden empfohlenen, kostengünstigen Analysemethoden uneingeschränkt zu empfehlen. Sehr zielführend können tiefergehende Analysen der Bodenart (Schlämmanalyse), des Humusgehaltes, Analysen auf Mikronährstoffe der bewirtschafteten Standorte sein. Flächenscharfe Nährstoffbilanzen als Ergebnis von Düngezufuhr und Nährstoffabfuhr können dabei wertvolle Hinweise auf eine bedarfsgerechte Düngung geben.

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