Entwicklung von einfachen und robusten Analyseverfahren zur Optimierung der organischen Düngung im nachhaltigen Anbau von Zierpflanzen und Topfkräutern

Hintergrund und Motivation

Der aktuelle Trend im Gartenbau geht hin zu einer nachhaltigeren Produktionsweise. Dies bedeutet u.a. einen zunehmenden Verzicht auf Torf sowie die Umstellung von mineralischen auf organische Düngemittel. Für den Gärtner steigt damit das Kulturrisiko erheblich. Wird der organische Dünger zu schnell mineralisiert, können die Pflanzen durch die Salzanreicherung geschädigt werden. Ist die Mineralisation zu gering, drohen Qualitätsverluste durch Stickstoffmangel. Auch der pH-Wert kann sich in torfreduzierten Substraten in Kombination mit organischen Düngern durch mikrobielle Prozesse innerhalb kürzester Zeit erheblich verändern. Um diese Risiken zu beherrschen, ist eine fortlaufende Kontrolle der aktuellen N-Versorgung und des pH-Werts sowie des Salzgehalts im Substrat unabdingbar. Es gibt zwar am Markt Einstichelektroden zur direkten Bestimmung des pH-Werts und des Salzgehalts im Substrat (Abb. 1) sowie auch Systeme zur Messung des mineralischen Stickstoffs in wässrigen Lösungen, deren Ergebnisse sind jedoch trotz korrekter und reproduzierbarer Messwerte nur schwer interpretierbar. Zum einen fehlen aus pflanzenbaulichen Exaktversuchen abgeleitete Richtwerte und zum anderen werden die Messwerte u.a. von Substrateigenschaften beeinflusst. Zudem ist bei der Bestimmung des Mineralstickstoffs das notwendige Extraktionsverfahren nicht ausreichend standardisiert. Und auch die Qualität der Analyseergebnisse leidet oft unter einer mangelhaften Pflege und Kontrolle der Elektroden und Messsysteme.

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Abb. 1: Messung des Salzgehalts, des Wassergehalts und der Temperatur des Substrats mit einer Einstichelektrode (Foto: HSWT)

Ziele des Forschungsprojekts

Im Rahmen des Forschungsprojekts sollten daher Verfahren entwickelt werden, die vergleichbare Werte wie die etablierten Laborverfahren nach VDLUFA-Methodenbuch liefern. Als Ausgangspunkt dienten etablierte Systeme, die mithilfe von Exaktversuchen im Labor geprüft und schrittweise weiterentwickelt wurden. Die fertigen Systeme wurden anschließend von den Berater:innen des Erzeugerrings für Blumen und Zierpflanzen Oberbayern e.V. intensiv in der Praxis validiert.

Ergebnisse des Forschungsprojekts

Direkte Bestimmung des pH-Werts

Der pH-Wert im Substrat kann durch Einstechen einer Glaselektrode mit ausreichender Genauigkeit direkt gemessen werden. Lediglich bei der Messung in relativ trockenen Substraten traten größere Unterschiede zum Laborverfahren auf. Bei den Messungen des Erzeugerrings in Praxisbetrieben betrug die mittlere Abweichung weniger als 0,3 pH-Einheiten. Nur bei gut 10 % der Proben waren die Abweichungen mehr als 0,5 pH-Einheiten (Abb. 2). Anzumerken sind dabei zwei Dinge:

  • Für die Einstichmessungen lassen sich nur spezielle Glaselektroden einsetzen. Glaselektroden für die Messung in Nährlösungen würden beim Einstechen in das Substrat sehr schnell verschleißen bzw. brechen und die ebenfalls angebotenen Metallelektroden bieten keine ausreichende Genauigkeit.
  • Um zuverlässige Messwerte zu erhalten, ist die ordentliche Pflege und regelmäßige Kalibrierung der pH-Elektrode sehr wichtig.
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Abb. 2: Vergleich der von den Berater:innen mittels Einstichelektrode bestimmten und den im Labor gemessenen pH-Werte

Direkte Bestimmung des Salzgehalts

Für die Messung des Salzgehalts sollte ursprünglich die in der Praxis relativ weit verbreitete Aktivitäts-Messsonde nach Tepe verwendet werden. Diese arbeitet nach einem vergleichbaren Prinzip wie die Elektroden zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit von wässrigen Lösungen. Ein bekanntes Problem ist die starke Abhängigkeit des Messsignals von der Substratfeuchte. Die Praxis versucht dies durch Messung bei vergleichbarer Substratfeuchte zu kompensieren. Das macht aber die Vergleichbarkeit der Messwerte bei unterschiedlichen Rahmenbedingungen und damit eine allgemeingültige Interpretation schwierig. Daher wurde im Projekt der Ansatz verfolgt, die aktuelle Substratfeuchte über einen kapazitiven Feuchtefühler zeitgleich zu messen und damit das Aktivitätsmesssignal auf eine definierte Feuchtigkeit (Kulturfeuchte nach VDLUFA) zu normieren. Abb. 3 zeigt exemplarisch die Reduktion der feuchtigkeitsabhängigen Streuung der Aktivität durch die Normierung auf Kulturfeuchte.

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Abb. 3: Feuchteabhängigkeit der Aktivität (links) und Reduktion der Streuung der Aktivitätswerte durch die Normierung auf Kulturfeuchte (rechts)

In weiteren Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass zwischen den feuchtenormierten Aktivitätswerten und dem Salzgehalt nach VDLUFA substratunabhängig ein enger linearer Zusammenhang besteht, d.h. die feuchtenormierte Aktivität lässt sich in einen Salzgehalt nach VDLUFA umrechnen. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein Prototyp eines Messgeräts gebaut, der von den Berater:innen des Erzeugerrings intensiv in der Praxis getestet wurde. Allerdings war die Genauigkeit unter Praxisbedingungen im Vergleich zu den Messungen unter kontrollierten Bedingungen deutlich geringer und ist daher für eine Anwendung in der Praxis ungenügend (Abb. 4). Mögliche Ursachen sind u.a. vertikale Feuchtegradienten im Topf, insbesondere bei einer Ebbe-Flut-Bewässerung. Hinzu kommt ein ungenügender Substratschluss sowohl der Sonde für die Substratfeuchtemessung als auch der Aktivitäts-Messsonde.

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Abb. 4: Zusammenhang zwischen den in den Praxisbetrieben mittels Einstichelektrode direkt bestimmten Salzgehalten und den im Labor ermittelten Werten nach VDLUFA (die Farben kennzeichnen die vom Messgerät bei der Salzgehaltsmessung ausgegebene Einstufung der Substratfeuchte)

Bestimmung des löslichen Stickstoffs basierend auf einer volumendefinierten Probenahme

Für die volumendefinierte Probenahme wurde an der HSWT ein spezieller Bohrstock entwickelt (Abb. 5 links). Dieser besteht aus einer Bohrhelix, die in eine Metallhülse gesteckt wird. Mit einem kleinen Akkuschrauber wird die Bohrhelix in das Substrat eingedreht, wobei die Metallhülse in das Substrat hineingezogen wird. Anschließend wird der gesamte Bohrstock aus dem Substrat herausgezogen und der Inhalt vollständig in eine Kunststoffflasche gegeben. Je nach Größe des Topfs bzw. der Einstichtiefe des Bohrstocks werden 5 bis 8 Einzelproben entnommen. Anschließend werden 300 ml CaCl2-Lösung (destilliertes Wasser führt zu vergleichbaren Ergebnissen) zugegeben, das Gemisch für 20 bis 30 Sekunden kräftig geschüttelt und die Suspension filtriert. In den klaren Filtraten wird der Gehalt an Ammonium- und Nitratstickstoff z.B. mittels Teststäbchen oder Küvettentests gemessen (Abb. 5 rechts)

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Abb. 5: An der HSWT entwickelter Bohrstock zur volumendefinierten Beprobung von Topfpflanzensubstraten und Schnellteste zur Ammonium- bzw. Nitrat-N-Bestimmung.

Die Erprobung unter Praxisbedingungen zeigte, dass das Verfahren zwar relativ aufwendig, aber durchaus anwendbar ist. Die analytische Leistungsfähigkeit ist für eine Beurteilung des Ernährungszustandes ausreichend gut. Die mittlere Abweichung zwischen der Vor-Ort-Analyse und der Bestimmung im Labor betrug lediglich etwa 30 mg N/l und nur bei etwa 15 % der Proben war die Abweichung größer als 50 mg N/l (Abb. 6). Probleme bereiteten allerdings Substrate mit kunststoffumhüllten Langzeitdüngern, da die Düngerkörner z. T. im Bohrstock zerdrückt werden, während sie vor der Laboranalyse in der Regel ausgelesen werden. Auch Substrate mit sehr groben bzw. langfaserigen Bestandteilen waren schwierig zu beproben, da der Bohrstock leicht verstopft und damit die entnommene Probenmenge zu gering ist.

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Abb. 6: Zusammenhang zwischen den von der Beratung vor Ort sowie den im Labor der HSWT bestimmten Stickstoffgehalten (n=104)

Zusammenfassung

Im Rahmen des Forschungsprojekts konnten praxistaugliche Verfahren zur Vor-Ort-Bestimmung des pH-Werts und des N-Gehalts entwickelt werden. Sie führen zu vergleichbaren Ergebnissen wie die etablierten VDLUFA-Untersuchungsmethoden, wodurch die Ergebnisse leicht zu interpretieren sind. Bei der Bestimmung des Salzgehalts erwies sich der gewählte Lösungsansatz zwar als grundlegend geeignet, ist in dieser Form aber noch nicht praxistauglich. Hier besteht weiterer Forschungsbedarf. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts insbesondere zur korrekten Durchführung der Analysen sowie die Hintergründe zu den Veränderungen der chemischen Substrateigenschaften im Zusammenhang mit der Umstellung auf torfreduzierte und organisch gedüngte Substrate und Grundsätze zur Bewertung von Analysenergebnissen wurden in einem Leitfaden zur Optimierung der Düngung im Topfpflanzenbau durch einfache und robuste Verfahren zur Vor-Ort-Analyse zusammengestellt.

Die Bauanleitung für den Bohrstock (Materiallisten, 3D-Druckdateien und Konstruktionszeichnungen) steht unter einer 'Creative Common Lizenz' (CC BY-SA 4.0) allen Interessierten zur Verfügung und kann bei den Projektverantwortlichen erworben werden.