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Dokumentenidentifikation DE10055821A1 23.05.2002
Titel Verfahren zur Ermittlung der Verfügbarkeit von Stickstoff und/oder Kohlenstoff in Böden und von Erden, Sedimenten und Komposten für das Pflanzenwachstum zur Quantifizierung der Stickstoffdüngung
Anmelder Flick, Gerhard, Prof.Dr., 17033 Neubrandenburg, DE
Erfinder Flick, Gerhard, Prof.Dr., 17033 Neubrandenburg, DE;
Harig, Michael Peter, Dipl.-Chem., 17217 Alt Rehse, DE
Vertreter Voß, K., Pat.-Anw., 17036 Neubrandenburg
DE-Anmeldedatum 10.11.2000
DE-Aktenzeichen 10055821
Offenlegungstag 23.05.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.05.2002
IPC-Hauptklasse G01N 33/24
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der aktuellen Bioverfügbarkeit von Stickstoff und/oder Kohlenstoff in landwirtschaftlich genutzten Böden, von Erden, Sedimenten, Komposten usw. hinsichtlich der gezielten Pflanzenernährung und der Minderung der Umweltbelastung durch diese Nährstoffe.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein kostengünstiges und effizientes Verfahren zu gestalten, das die Bestimmung des Stickstoff- und/oder Kohlenstoffbedarfs von Böden, Erden, Komposten und dergleichen hinsichtlich eines optimalen Pflanzenwachstums, geringster Umweltbelastung und damit eine optimale Stickstoffdüngung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird das das Nachlieferungspotential für pflanzenverfügbaren bzw. organisch gebundenen N und/oder C durch Messung der Gehalte in der wasserlöslichen organischen Substanz (WOS) und wasserunlöslichen organischen Substanz (WULOS) ermittelt, die Bevorratungseigenschaften durch die Humusausstattung mittels Messung des organischen Kohlenstoffgehaltes Cgesamt erfasst, die Umsatzeigenschaften des Bodens durch Messung der Bodentextur und der Wasserkapazität in Kombination mit den Klimafaktoren ermittelt und durch Vergleich mit den Erträgen eine standortbezogene Einstufung mittels einer Entzugsrechnung und Bilanzierung der Nährstoffe und Kohlenstoff durchgeführt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der aktuellen, Bioverfügbarkeit von Stickstoff und/oder Kohlenstoff in landwirtschaftlich genutzten Böden, von Erden, Sedimenten, Komposten usw. hinsichtlich der gezielten Pflanzenernährung und der Minderung der Umweltbelastung durch diese Nährstoffe.

Stand der Technik

Der Anteil des nutzbaren organischen Stickstoffes des Bodens, von Erden und dergleichen zur Deckung des Nährstoffbedarfs der Kulturpflanzen am gesamten Düngerbedarf kann gegenwärtig noch nicht hinlänglich genau ermittelt werden, so dass trotz weiterentwickelter Untersuchungs- und Anwendungsverfahren zur Ermittlung der Freisetzung aus den Vorräten die Stickstoffdüngung letztendlich nach wie vor einen mehr oder minder zutreffenden Schätzungsanteil beinhaltet.

Es ist bekannt, dass die Mineralisation von Stickstoff und Kohlenstoff im Boden sowie in Erden und dergleichen einerseits vom verfügbaren Nährstoffvorrat (Norg) im Humus bzw. in der organischen Substanz und andererseits von der Temperatur (T) und der Feuchte (F) in Abhängigkeit von der Witterung, vom Humus (H) als Speichermatrix für schwerer verfügbare Nährstoffvorräte und für Wasser sowie als stoffwechselsteuerndes Strukturelement, von der Korngrößenverteilung (K) und Durchlüftung und schließlich von der Umsetzungsleistung der Bodenmikroflora abhängig ist. Für die Bildung von Vorräten, die Erhaltung eines Gleichgewichts oder dessen Einstellung auf ein niedriges oder höheres Niveau des umsetzbaren organischen Stickstoffs, des Norg, und parallel dazu des organischen Kohlenstoffs., des Corg, in Böden und von Erden und dergl. gilt daher folgende Beziehung:



Norg = Norg(T, F, K, H)



Corg = Corg(T, F, K, H).

In den Faktor Humus wird dabei in Kulturböden die bewirtschaftungs- und düngungsbedingte Reproduktion der organischen Bodensubstanz einbezogen. Der Pflanzenbestand trägt in Abhängigkeit von seinem Bedarf zum Entzug des Stickstoffs und zur Rückführung von pflanzenverfügbaren organischem Stickstoff bei.

Alle genannten Größen variieren in der Bodenkrume innerhalb von Klimazonen und von Bodeneinheit zu Bodeneinheit in einem weiten Bereich, so dass von einem landwirtschaftlich genutzten Standort zum anderen mit unterschiedlichen Nachlieferungsmengen von zumindest 20 bis 300 kg/ha und mehr ausgegangen werden kann. An ein und demselben Standort sind jedoch unter gemäßigten Klimabedingungen im Rahmen der üblichen Bodenbewirtschaltung, der Bevorratung bzw. der Abreicherung des Norg und damit der beeinflussbaren Stickstoffnachlieferung trotz der jahreszeitlichen Schwankungen engere Grenzen gesetzt. Für Substrate, Komposte oder Erden mit unterschiedlichen Bevorratungseigenschaften und Gehaltswerten an Stickstoff und Kohlenstoff gelten für deren Umsetzung Klima- und Standortfaktoren in vergleichbarer Weise, sobald sie dem System Boden angehören.

Dem Nitrat (NO3) kommt als eine der wichtigsten löslichen Stickstoffformen im Boden eine Schlüsselrolle zu. Mit der Nmin Methode liegt einerseits eine Bestimmungsmethode primär für Nitrat vor, die zur Abschätzung der Nitratverfügbarkeit wertvolle Hinweise liefert, andererseits zeigen sich immer wieder ihre Grenzen, z. B. bei trockenem Klima und flachgründigen Böden.

Obwohl der Stickstoffbedarf und die Mineralisation aus dem organischen Gesamtvorrat während einer Vegetationsphase u. a. wegen der Klimaschwankungen nicht immer kongruent verlaufen, haben Forschungen gezeigt, dass die Kenntnis der verfügbaren Nährstoffe bzw. der entscheidenden Vorratspotentiale und der dort gebundenen Vorräte zu einer gezielten Stickstoffdüngung beitragen kann. Nach dem Stand der Technik kann zu deren Ermittlung von zwei unterschiedlichen Ansätzen ausgegangen werden:

  • - Von biologischen Verfahren, bei denen aerobe und/oder anaerobe Umsatzprozesse imitiert werden, wie z. B. in-vitro Bebrütungsmethoden mit der analytischen Bestimmung der mineralisierten Endprodukte Ammonium bzw. Nitrat (Simulationsmodell),
  • - Von der klassischen Bodenanalytik zur Erfassung von unterschiedlich gebundenen Vorräten wie Kalium, Calcium, Phosphor u. a. anorganische Nährstoffe oder von aufzuschließenden Anteilen wie Gesamtstickstoff, Gesamtkohlenstoff u. a. (Kapazitätsmodell).

Für beide Methodengruppen gilt, dass

  • - Fragen nach den Bindungsstellen und Bindungsmechanismen, d. h. über die Bevorratungseigenschaften des Bodens im weitesten Sinn, die über die Verfügbarkeit der bestimmten Nährstoffe am jeweiligen Standort entscheiden, nicht dezidiert in die Interpretation der Werte eingehen
  • - gleichlautende Messergebnisse von bestimmten löslichen und unlöslichen organischen Stickstoffvorräten eine unterschiedliche Bedeutung haben können, da die Mobilisierung am jeweiligen Standort verschieden hoch sein kann.

Für die Bodenanalytik ist es seit langem bekannt, dass Pflanzennährstoffe in Böden und dergleichen nach deren Extraktion mit bestimmten wässrigen Auszugslösungen mit Hilfe von chemischen Reagenzien bestimmt werden können. Bei Elementaranalysen der organischen Substanz nach Gesamtstickstoff und Gesamtkohlenstoff werden nach einem Säureaufschluss der Probe titrimetrische oder spektroskopische Standardmethoden angewandt, jedoch finden dazu alternativ auch Verbrennungsverfahren Anwendung. In der Regel werden für eine Reihe von Elementen solche definierten Auszuglösungen verwendet, die auf der Basis von Konventionen in der Beziehung zwischen Gehaltswerten und Ernteergebnissen die bestmögliche Übereinstimmung zeigen. Die auf das Bodengewicht bezogenen Analysenergebnisse werden in Gehaltsklassen eingeteilt, die für einen Großteil aller Böden gelten.

Demgegenüber stehen Verfahren, bei denen für die Bestimmung ein und desselben Elementes mehrere unterschiedlich hergestellte Fraktionen verwendet werden. Diese Verfahren nehmen für sich in Anspruch, dass durch bestimmte Verhältnisse entsprechender Gehaltswerte zueinander Hinweise zum dynamischen Verhalten der Nährstoffe erhalten werden können, wobei auch die Unterschiedlichkeit der Standorte Berücksichtigung findet.

So sind in der DE OS 195 13 310 beispielsweise einige Verfahren beschrieben, die es gestatten, das dynamische Verhalten einzelner Stoffe in Böden, Kompost und dergleichen aufzuzeigen, die hier parallel angewendet werden. Je nach eingesetzter Auszuglösung werden unterschiedliche Anteilsmengen der Nährstoffe extrahiert bzw. aufgeschlossen und damit einer Messung zugänglich.

Die bekannten Laborverfahren zur Bestimmung organischer Bodenkomponenten besitzen aber den Nachteil, das sie einerseits sehr aufwendig sind und andererseits die Komplexität der Beziehungen zur Pflanzenernährung nicht genügend erfassen.

In diesem Sinne ist das Problem einer gezielten Pflanzenernährung mit dem mengenbestimmenden Nährelement Stickstoff und der Versorgung der Böden mit Kohlenstoff bzw. Humus in der landwirtschaftlichen Praxis auch heute noch nicht in befriedigender Weise gelöst, obwohl dies aus Gründen eines effizienten Nährstoffeinsatzes und des Umweltschutzes wünschenswert wäre.

Es hat sich gezeigt, dass neben den unterschiedlichen Bindungsformen und -mechanismen für die Nachlieferung aus dem Stickstoffgesamtvorrat und wasserlöslichem organischen Vorrat (Norg) in der Natur und damit auch in direkter Konsequenz bei einer Analyse im Labor auch die molekularen Bindungsstellen innerhalb der Bodenaggregate von entscheidender Bedeutung sind, da die Freisetzung des mineralischen Stickstoffs (Nmin) als Pflanzennährstoff über die Stoffwechselleistung syntropher Gesellschaften der Bodenmikroflora in sogenannten Mikrohabitaten erfolgt. Daneben fungiert die überwiegend in Ruhestellung befindliche mikrobielle Biomasse des Bodens selbst als systemimmanenter biologischer Speicher für die gefragten Nährstoffe Stickstoff und Kohlenstoff. In Kenntnis dieser systemaren Zusammenhänge des organischen Bodenstoffwechsels wird angestrebt, so wie durch eine Analytik unterschiedlich gebundener bzw. in unterschiedlichen Auszugslösungen erscheinende Kationen und Anionen des Bodens und deren Verhältnisse zueinander auch verschiedene Fraktionen des Corg und des Norg unter definierten Bedingungen zu erfassen und die jeweiligen C/N- Verhältnisse) zu bestimmen.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein kostengünstiges und effizientes Verfahren zu gestalten, dass die Bestimmung des Stickstoff- und/oder Kohlenstoffbedarfs von Böden, Erden, Komposten und dergleichen hinsichtlich eines optimalen Pflanzenwachstums, geringster Umweltbelastung und damit eine optimale Stickstoffdüngung ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Untersuchungen haben gezeigt, dass neben den unterschiedlichen Bindungsformen und -mechanismen für die Nachlieferung aus dem Stickstoffgesamtvorrat und wasserlöslichem organischen Vorrat (N- org) in der Natur und damit auch in direkter Konsequenz bei einer Analyse im Labor auch die molekularen Bindungsstellen innerhalb der Bodenaggregate von entscheidender Bedeutung sind, da die Freisetzung des pflanzennährenden mineralischen Stickstoffs (N- min) über die Stoffwechselleistung syntropher Gesellschaften der Bodenmikroflora in sogenannten Mikrohabitaten erfolgt. Daneben fungiert die überwiegend in Ruhestellung befindliche mikrobielle Biomasse des Bodens selbst als systemimmanenter biologischer Speicher für die gefragten Nährstoffe Stickstoff und Kohlenstoff. In Kenntnis dieser systemaren Zusammenhänge des organischen Bodenstoffwechsels wurde angestrebt, so wie durch eine Analytik unterschiedlich gebundener bzw. in unterschiedlichen Auszugslösungen erscheinende Kationen und Anionen des Bodens und deren Verhältnisse zueinander auch verschiedene Fraktionen des Corg und des Norg unter definierten Bedingungen zu erfassen und die jeweiligen C/N- Verhältnisse) zu bestimmen.

Als Vorratspotentiale für verfügbar werdenden Stickstoff und Kohlenstoff werden die wasserlöslichen organische Substanzen (WOS) betrachtet, die in geringen Mengen ungebunden im Boden vorkommen, biologisch in der Biomasse und vornehmlich aber adsorptiv an organischen Bindungsstellen wie Humus und an anorganischen Bindungsstellen wie Schluff und Ton gebunden sind.

Die Gehalte an Nährstoffen Böden in Form von wasserlöslichen Norg und Corg und die verfügbar werdenden Mengen an Stickstoff und Kohlenstoff sind, wie im Stand der Technik dargestellt, von sehr vielen Faktoren abhängig. Zur Bewertung schlägt die Erfindung drei zu erfassende, bedingt variable komplexe Kenngrößen des Bodens vor:

  • A) Die standortspezifische Bevorratung an gesamter organischer Bodensubstanz und das Nachlieferungspotential des Bodens,
  • B) die nachlieferbaren bzw. verfügbar werdende Mengen der Vorräte (Norg, Corg) - in Form der wasserlöslichen organischen Substanz sowie,
  • C) die Umsatzeigenschaften in Abhängigkeit vom Klima und bewirtschaltungsbedingten äußeren Faktoren.

Damit kann die Bioverfügbarkeit von N und/oder C mit akzeptablem Aufwand relativ genau ermittelt werden.

Entsprechend der Erfindung erfolgt dann durch Zuordnung der Messergebnisse und Vergleich mit den Erträgen im Feldversuch oder in der landwirtschaftlichen Praxis eine standortbezogene Einstufung des Norg und des Corg mittels Entzugsrechnung und Bilanzierung der Nährstoffe Stickstoff und Kohlenstoff, die eine Gegenrechnung von zugeführten und abgeführten Nährstoffmengen einschließt.

Damit kann erreicht werden, Böden und Flächeneinheiten und Regionen mit vergleichbaren Standorteigenschaften räumlich abgegrenzte Konzentrationsmuster zuzuordnen und neben den bewirtschaftsbedingten Individualwerten auch durchschnittliche Richtwerte zu ermitteln. Es wird ein Einteilungsschema für einzelne Standorte möglich, das das Bevorratungs- und Nachlieferungsvermögen für unterschiedliche Bodentypen innerhalb einer abgegrenzten Bodeneinheit angibt und mit dem für diesen Standort unter bekannten Bewirtschaltungsbedingungen die Nachlieferung von Stickstoff und somit das konkrete Nährstoffangebot ermittelt wird.

Zu den nasschemischen und physikochemischen bzw. spektroskopischen Labormethoden für die Aufbereitung und Messung der. Gesamtgehalte von Stickstoff und Kohlenstoff und der den Umsatz bestimmenden Rahmengrößen wie Textur und Wasserkapazität sowie der wasserlöslichen Fraktionen werden in den Ansprüchen 2 bis 4 spezielle Verfahrensschritte vorgeschlagen.

Mit der Erfindung sind die verfügbaren Nährstoffmengen von Stickstoff und Kohlenstoff zunächst in der Form von Norg-Fraktionen und Corg-Fraktionen und über ein nachfolgendes Ermittlungsverfahren, in welchem sämtliche Messwerte und deren Verhältnisse zueinander berücksichtigt werden, wesentlich einfacher und genauer zu bestimmen. Die Angaben erfolgen in Gewichtseinheiten pro Flächeneinheit als. Versorgung oder Fehlbedarf.

Beispiele

Nachfolgend soll das Verfahren an einem Beispiel erläutert werden. Die Fig. 1 zeigt ein graphisches Modell der zu bestimmenden Größen und deren Beziehungen zueinander. Die Fig. 2 zeigt ein Schema der Auswertung und Interpretation aufgrund der entsprechenden Standortdaten.

Zur Ermittlung der konkreten Werte wird wie folgt verfahren:

  • 1. Bestimmung von wasserlöslichen organischen Substanzen (WOS) im Labor.

    Im ersten Schritt wird aus einer bei Temperaturen von bis zu 50°C luftgetrockneten und auf 2 mm Korngröße gesiebten Probe ein Heißwasserextrakt hergestellt. Dann wird die gleiche Probe herangezogen, um mindestens einen weiteren Auszug, vorzugsweise jedoch zwei weitere wässerige Extrakte mit anorganischen Salz- oder Pufferlösungen herzustellen, und zwar wie folgt:

    Extrakt 1 mit kochendem Wasser unter Inkubation der Probe auf einer speziellen Kochbank während einer Stunde oder in Mikrowellen-Aufschlussgeräten in kürzerer Zeit mit oder auch ohne Druckanwendung als die "Fraktion 1", Extrakt 2 mit kochender anorganischer Puffer- oder Salzlösung, vorzugsweise mit 0,04 molarem Phosphatpuffer als "Fraktion 2", Extrakt 3 mit kalter Salzlösung, vorzugsweise 0,01 bis 0,10 molarem Phosphatpuffer als "Fraktion 3" unter Bewegung in einem Laborschüttler während eines Zeitraums von 1 bis 2 h. Die Proben werden vorzugsweise mit Hilfe einer Kochbank extrahiert und die Extrakte nach nasschemischen oder physikochemischen Standardmethoden nach dem Gehalt an organischem Stickstoff und Kohlenstoff analysiert.



  • 2. Bestimmung der wasserunlöslichen organischen Substanzen Stickstoff - Ngesamt - und Kohlenstoff Cgesamt (WULOS) mittels genormter Standardmethoden





  • 3. Die Parameter Textur und Wasserspeicherkapazität werden wie folgt mit genormten Standardmethoden bestimmt:





  • 4. Nun erfolgt eine Beurteilung sowohl der Gesamtwerte als auch der wasserlöslichen Fraktionen sowie der Rahmenparamter Textur und Wasserkapazität wie folgt, wobei zwischen Angebot und Erwartung in Abhängigkeit vom Standort unterschieden wird:





Zusätzlich zu der Beurteilung der Werte nach ihrer Höhe erfolgt eine Beurteilung nach ihren Verhältnissen zueinander wie folgt:





Nach der Ermittlung der Gehaltswerte und mitbestimmenden Rahmeneigenschaften wird durch einen Messwertevergleich mit den Erträgen nun eine standortbezogene Einstufung unter Einbeziehung des standörtlichen Klimas mit Hilfe von Entzugsrechnungen und Bilanzierungen der Nährstoffe und Kohlenstoff durchgeführt.



Die einzelnen Messwerte werden je Probe zur Auswertung und Interpretation aufgrund der entsprechender Standortdaten wie schematisch in Fig. 2 dargestellt, den entsprechenden Flächeneinheiten zugeordnet und in der Folge daraus standortbezogene Gehalts- und Nachlieferungsklassen ermittelt. Die nachstehende Tabelle zeigt ein Einteilungsschema mit jeweils 5 Bevorratungsstufen und 5 Umsatzstufen mit den Rangfolgen sehr nieder, nieder, mittel, hoch, sehr hoch.



Dabei ist davon auszugehen, dass vom jeweiligen Gesamtvorrat an löslicher organischer Substanz (Fraktion 2) ein bestimmter Prozentsatz der Nährstoffkomponente Stickstoff für den Pflanzenbestand zur Verfügung steht.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Ermittlung der Verfügbarkeit von Stickstoff und/oder Kohlenstoff in Böden und von Erden, Sedimenten und Komposten für das Pflanzenwachstum zur Quantifizierung der Stickstoffdüngung, bei dem aus einer Probe mehrere Teilmengen mittels verschiedener chemischer Verfahren auf den Gehalt an unterschiedlich gebundenen anorganischen Nährstoffen analysiert und die verfügbare Nährstoffmenge berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass
    1. A) dass das Nachlieferungspotential für pflanzenverfügbaren bzw. organisch gebundenen N und/oder C durch Messung der Gehalte in der wasserlöslichen organischen Substanz (WOS) und wasserunlöslichen organischen Substanz (WULOS) ermittelt,
    2. B) die Bevorratungseigenschaften durch die Humusausstattung mittels Messung des organischen Kohlenstoffgehaltes Cgesamt erfasst wird,
    3. C) die Umsatzeigenschaften des Bodens durch Messung der Bodentextur und der Wasserkapazität in Kombination mit den Klimafaktoren ermittelt werden und
    4. D) durch Vergleich mit den Erträgen eine standortbezogene Einstufung mittels einer Entzugsrechnung und Bilanzierung der Nährstoffe und Kohlenstoff erfolgt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des N- und C-gehaltes in der WOS ein Heißwasserextrakt und wahlweise weitere wässerige Extrakte aus der gleichen Probe mittels chemischer Mittel, die über dispergierende Eigenschaften verfügen und gleichzeitig Tauschprozesse begünstigen, parallel analysiert und verglichen werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des N- und C-gehaltes in der WOS anorganische Salzlösungen, vorzugsweise 0,04 mol Phosphatpuffer oder 0,01 bis 0,1 Boratpuffer oder Mischungen aus beiden oder auch Calciumchloridlösungen Verwendung finden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktionsrückstände (die Filterkuchen) getrocknet und zur Bestimmung von Gesamt-Reststickstoff und Gesamt-Restkohlenstoff (Wulos) nach standardisierten nasschemischen oder physikochemischen Methoden herangezogen werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Textur und Wasserkapazität mit Hilfe von Standardmethoden ermittelt wird um die Bevorratungs und Umsatzeigenschaften zu definieren.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleich mit den Pflanzenerträgen bzw. deren Nährstoffentzügen an einem bestimmten Standort und eine Berechnung der Nachlieferung von Stickstoff aus der organischen Substanz mit Hilfe der Größen von analytischen Messwerten und deren Beziehungen zueinander in einem Kalibrationsmodell erfolgt, welches durch Einbeziehung der Bevorratungsleistung und der Umsatzeigenschaften von Böden und dergleichen das Nährstoffangebot und die zu erwartenden Nährstoffmengen qualitativ und quantitativ ermittelt.






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