14.03.2019 | Ausgabe 01/2019 (#89)

Das Ziel: weniger düngen

Viele landwirtschaftliche Produktionsmethoden bedeuten: Stress – für die Pflanzen und für die Böden. Quelle: Tim Mossholder/Unsplash

Ein Forschungsteam der Uni Hohenheim testet Mikroorganismen und bioaktive Substanzen mit dem Ziel, Düngemittel in der Landwirtschaft besser auszunutzen und eine höhere Stresstoleranz zu erreichen. Für Böden und Grundwasser kann das nur von Vorteil sein.

Stickstoff und Phosphat gehören zu den Hauptnährstoffen für das Pflanzenwachstum. Die Landwirtschaft muss beide Stoffe in Form von Düngern zuführen, um stabile Erträge zu sichern und die Nährstoffe zu ersetzen, die mit den Ernteprodukten entnommen werden. Das birgt auch Probleme, denn selbst gut entwickelte Pflanzenwurzeln erreichen oft nur einen Bruchteil der zugedüngten Nährstoffe im Boden.Stressfaktoren können das Wurzelwachstum und die Nährstoffaufnahme zusätzlich beeinträchtigen. Nicht verwertete Nährstoffe können ausgewaschen werden und ökologische Probleme durch Überdüngung und Umwandlung in Klimagase verursachen. Wissenschaftler der Universität Hohenheim in Stuttgart arbeiten deshalb gemeinsam mit anderen internationalen Universitäten an Möglichkeiten, die Ausnutzung von Düngern zu verbessern. Ein möglicher Ansatz: Mikroorganismen und bioaktive Substanzen. Als sogenannte Bioeffektoren  ollen sie die Wurzelaufnahme von Nährstoffen verbessern, indem sie über Signalwirkungen das Wurzelwachstum stimulieren, die pflanzliche Stressabwehrstärken und gebundene Nährstoffe  pflanzenverfügbar machen. Ein Schwergewicht der Forschung an der Universität Hohenheim.

Auch Pflanzen benötigen Nährstoffe für Wachstum und Gesundheit – doch die aktuell verwendeten mineralischen Dünger stehen zunehmend in der Kritik: Die klassische Gewinnung von Stickstoff für die Düngerproduktion aus der Luft ist so energieaufwendig, dass dafür mittlerweile zwei Prozent des weltweiten Energieverbrauchs nötig sind. Nicht aufgenommener Stickstoff im Dünger kann außerdem in Form von Nitrat ausgewaschen werden, Oberflächengewässer überdüngen, das Grundwasser verunreinigen oder in Form von Stickoxiden und  Ammoniak in die Atmosphäre gelangen.

Auch die Zugabe des für das Pflanzenwachstum notwendige Phosphats in  Form von Mineralsalzen ist nicht unproblematisch: Es handelt sich – ähnlich wie beim Mineralöl – um einen begrenzten natürlichen Rohstoff. Der Abbau in ausreichender Qualität wird künftig immer aufwändiger und die Anwendung ist aufgrund von Schwermetallverunreinigungen auch mit Risiken für die Umwelt verbunden.

Phosphat wird in Böden schnell in Form  schwerlöslicher Verbindungen festgelegt. Kulturpflanzen können während einer Vegetationsperiode daher meist weniger als 30 Prozent des zugedüngten Phosphats aufnehmen. Durch Abschwemmung können Phosphate in Oberflächengewässer geraten, wo sie zur Überdüngung beitragen und als Sedimente in den Ozeanen schließlich  unwiederbringlich verlorengehen.

Bio-Dünger nicht unproblematisch
Lösungsansätze für diese Probleme gibt es: Alternativen auf Recycling-Basis.  Kompostierter Haushaltsabfall und Produkte aus der Abwasseraufbereitung, Aschen, Stallmist, Gülle, Abfallstoffe aus der Tierverwertung und Gärrückstände aus Biogasanlagen sind nur einige Beispiele für diese Düngerarten.

„Ein Problem besteht hier vor allem darin, dass die nötigen Nährstoffe in diesen Düngern häufig nicht durchgängig in ausreichender Menge vorhanden oder pflanzenverfügbar sind“, erklärt apl. Prof.  Dr. Günter Neumann vom Fachgebiet Ernährungsphysiologie der Kulturpflanzen an der Universität Hohenheim. „Sie werden durch die Aktivität von Bodenorganismen erst langsam freigesetzt, können auch pflanzenschädliche Nebenwirkungen entwickeln und Schadstoffrückstände enthalten.“

Es ist daher noch schwieriger als bei Mineraldüngern, die Düngung an den Bedarf während der Pflanzenentwicklung anzupassen. Auch das Risiko von Nährstoffverlusten ist groß. Dazu  kommt, dass die lokal anfallenden Mengen solcher Recyclingprodukte den Bedarf in der Landwirtschaft unterschreiten, aber auch deutlich überschreiten können, was sich am Beispiel der mit der Gülleausbringung verbundenen Probleme eindrücklich zeigt.

Bioeffektoren können 
Düngerausnutzung verbessern

Auf gesetzlicher Ebene wird mit Hilfe der Düngeverordnung versucht, unerwünschte Nährstoffausträge in die Umwelt  zu begrenzen. An der Entwicklung von Strategien zu einer verbesserten Ausnutzung von Düngemitteln setzen dagegen verschiedene Forschungsprojekte  an, an denen das Team um apl. Prof. Dr. Neumann beteiligt ist.

Der gemeinsame Forschungsansatz: Bioeffektoren – das sind Mikroorganismen  wie zum Beispiel Bakterien und Pilze, aber auch bioaktive Substanzen z.B. aus Pflanzen-, Algen- oder Kompostextrakten – die ohne wesentlichen  zusätzlichen Nährstoffeintrag mit der Pflanze interagieren und die Aufnahme von Nährstoffen aus Boden und Dünger  unterstützen.

Die Bewertungen solcher Bioeffektoren seien so vielfältig wie die ihnen zugeschriebenen Effekte und reichten von kompletter Wirkungslosigkeit bis hin zu  Ertragssteigerungen im zweistelligen Prozentbereich, so apl. Prof. Dr. Neumann. Das weise darauf hin, dass die  Wirksamkeit stark von den jeweiligen Anwendungsbedingungen abhängt. „Wir arbeiten hier quasi als Partnervermittlung und suchen nach den Bioeffektor- Düngerkombinationen und den Anwendungsbedingungen mit den besten Erfolgsaussichten.“

Stärkung gegen Stress
Fünf Jahre lang beschäftigten sich die  Hohenheimer Forscher dazu gemeinsam mit 21 europäischen Partner-Universitäten  und -Instituten sowie Düngemittel- Produzenten im EU-Projekt BIOFECTORmit dem Einsatz von Bioeffektoren  in Kombination mit verschiedenen Düngern. Die Projektbeteiligten testeten verschiedene Klimatische- und Bodenbedingungen am Beispiel von Tomaten,  Mais und Weizen. Insgesamt führten sie mehr als 150 Versuche in 11 Ländern mit 38 verschiedenen Bioeffektor-Produkten durch – mit kommerziellen Produktenebenso wie mit Neuentwicklungen.

Das Ergebnis: In etwa 30 Prozent der über 1.100 getesteten Versuchsvarianten konnte eine wachstumsstimulierende  Wirkung der Bioeffektoren nachgewiesen werden – aber je nach Zusammensetzung, Boden, Klima und Pflanzenart gibt es erhebliche Unterschiede. Tomaten zum Beispiel hätten sehr gut auf die Mikroorganismen-Präparate reagiert, berichtet apl. Prof. Dr. Neumann.

Bei Mais und Weizen seien die Effekte oft zu gering und zu variabel, um den wirtschaftlichen Aufwand zu entschädigen.  Mit einigen Ausnahmen: „Unter Stressbedingungen wie Trockenheit, Kälte oder erhöhten Salzgehalten bei der Bewässerung konnten wir stärkende Effekte erkennen“, so apl. Prof. Dr. Neumann, „und zwar besonders bei nichtmikrobiellen Bioeffektoren wie Pflanzen- und Algenextrakten, bei Siliziumpräparaten und bei Kombinationen  mit Mikronährstoffen wie Zink und Mangan.“

Weniger Schäden durch Klimawandel
So könnten Bioeffektoren zum Beispiel tropische Kulturpflanzen wie Mais, die in hiesigen Breiten oft unter kühlen Frühjahrstemperaturen leiden, aber auch Raps oder Wintergetreide gegen Kältestress stärken: „Normalerweise bereiten sich die letztgenannten Arten im Herbst langsam auf die kommende Kälte vor. Ist der Herbst aber zu warm, bleibt diese Anpassungsphase aus und die Pflanzen sind empfindlicher gegen Frost“, erläutert apl. Prof. Dr. Neumann.

„Bioeffektoren können offensichtlich über Signalfunktionen natürliche  Anpassungsreaktionen an Kälte- oder Trockenstress stimulieren. Die Produzenten werden damit besser gegen klimawandelbedingte Wetterschwankungen abgesichert.“ Das fand bereits in die Praxis Eingang: Der Rapszüchterverbund  „Rapool-Ring“ setzt inzwischen standardmäßig Saatgutbeizungen zur Förderung des Wurzelwachstums und zur Erhöhung der Stresstoleranz ein.

Auf die richtige Kombination kommt es an Bioeffektoren, so apl. Prof. Dr. Neumann,  könnten richtig angewendet sowohl der konventionellen als auch der ökologischen Landwirtschaft zugutekommen. „An der Wurzel platziert können Bioeffektoren den Pflanzen helfen, durch Förderung des Wurzelwachstums oder durch Mobilisierungsprozesse leichter an die Düngernährstoffe heranzukommen und diese effizienter zu nutzen. Dadurch muss weniger Dünger ausgebracht werden.“

Das gelte sowohl für organische als auch für Mineralstoffdünger. Wichtig  sei jedoch die Höhe und die Art des Nährstoffangebotes. Bei hoher Nährstoffverfügbarkeit sind bei optimalem Wachstum oft keine zusätzlichen Bioeffektor- Wirkungen zu erwarten, während   bei zu niedrigem Nährstoffangebot die Wirtspflanzen häufig so stark gestresst sind, dass sie die Wurzelbesiedelung durch wachstumsfördernde Mikroorganismen nicht mehr ausreichend mit ihren Wurzelabscheidungen unterstützen können.

Auch die Art des Düngerangebotes spielt offenbar eine wichtige Rolle: Bei  den organischen Düngern ist ein hoher pflanzenverfügbarer Stickstoffgehalt besonders förderlich für die Interaktion mit Bioeffektoren auf Mikroorganismen-Basis. Bei den Mineraldüngern zeigen sich günstige Wirkungen in Kombination mit Ammonium als Stickstoffquelle, besonders auch bei platzierter Anwendung nahe der Wurzel. „Solche Zusammenhänge müssen für erfolgreiche Anwendungen zukünftig stärker berücksichtigt werden“, betont der Experte.

Projekte „Biofector “, „DiControl“ und „Microbial Consortia as Inoculants  for Improved Crop Performance“
Das Vorhaben Biofector („Resource preservation by application of bioeffectors in European crop production“) startete am 1.9.2012 und fand am 31.8.2017 seinen Abschluss. Die Europäische Union förderte das Projekt in ihrem 7. Forschungsrahmenprogramm mit insgesamt 5.999.821 Euro. Die wissenschaftliche Koordination lag in der Hand der Universität Hohenheim.
Projekt-Homepage: http://www.biofector.info/
Mehr Infos: http://www.bio-effector.eu/

Im Verbundprojekt DiControl („Auswirkungen des pflanzenbaulichen Managements sowie der Anwendung mikrobieller Biokontrollstämme auf Bodengesundheit und Suppressivität  gegenüber Pathogenen im Rahmen einer nachhaltigen Pflanzenproduktion“) geht es ebenfalls um Bioeffektoren im Pflanzenschutz und ihre Wechselwirkungen mit den Gemeinschaften von Bodenmikroorganismen in verschiedenen Anbausystemen. Im Rahmen der Förderinitiative BonaRes fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Arbeitsgruppe von apl. Prof. Dr. Neumann hier bereits in der zweiten Projektphase seit Oktober 2018 mit rund 319.200 Euro zunächst für weitere drei Jahre bis Ende September 2021. Die Koordination obliegt dem Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau (IGZ).
Projekt-Homepage: http://dicontrol.igzev.de


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