Nährstoffkreisläufe im Substrat: Wie Bodenleben Nährstoffe verfügbar macht

Was Nährstoffkreisläufe im Substrat bedeuten

In lebender Erde werden Nährstoffe nicht einmalig geliefert und aufgebraucht, sondern wandern fortlaufend zwischen verschiedenen Formen: gebunden in abgestorbenem Pflanzenmaterial, in der Biomasse von Mikroben und Bodentieren, oder gelöst als Ionen, die Wurzeln aufnehmen können. Dieses Wandern zwischen organischer und mineralischer Form ist der Kern jedes Nährstoffkreislaufs.

Den zentralen Umwandlungsschritt nennt man Mineralisierung: den mikrobiellen Abbau organisch gebundener Nährstoffe zu pflanzenverfügbaren Ionen. Wie unterschiedlich schnell das je nach Ausgangsmaterial geht – von schnell wirkenden Mehlen bis zu langsamem Kompost – erklärt ausführlich der Artikel zu organischen Düngern. Dieser Artikel konzentriert sich stattdessen auf das größere Bild: welche Organismen den Kreislauf antreiben und wie er als System funktioniert.

Der Stickstoffkreislauf als Beispiel

Am besten erforscht ist der Kreislauf des Stickstoffs. Bakterien wandeln organisch gebundenen Stickstoff zunächst durch Ammonifikation in Ammonium um. Andere Bakterien oxidieren dieses Ammonium bei der Nitrifikation weiter zu Nitrit und schließlich zu Nitrat – der Form, die Pflanzen neben Ammonium am häufigsten aufnehmen. Unter Sauerstoffmangel kann ein Teil dieses Stickstoffs über Denitrifikation als Gas verloren gehen; wie stark das von der Feuchtigkeit abhängt, beschreibt der Artikel zur Feuchtigkeit im lebenden Boden.

Ob frisches organisches Material den Kreislauf kurzfristig mit Stickstoff versorgt oder ihm sogar welchen entzieht, hängt vom Kohlenstoff-zu-Stickstoff-Verhältnis (C:N) ab. Liegt es über etwa 25:1 bis 30:1, verbrauchen die abbauenden Mikroben mehr Stickstoff, als das Material liefert, und entziehen ihn vorübergehend dem Substrat – ein Effekt, der bei frischem Stroh oder Holzmaterial auftreten kann. Liegt das Verhältnis darunter, wie bei den meisten Komposten und organischen Düngern, wird stattdessen Stickstoff netto freigesetzt.

Die Rolle von Fressfeinden: der mikrobielle Kreislauf

Ein oft übersehener Teil des Kreislaufs sind Organismen, die selbst keine Nährstoffe aus totem Material lösen, sondern Mikroben fressen. Protozoen, Nematoden und manche Milben weiden Bakterien und Pilze ab und scheiden dabei einen Teil der in deren Zellen gebundenen Nährstoffe wieder aus – für die Pflanze in verfügbarer Form.

In der unmittelbaren Wurzelzone, der Rhizosphäre, ist dieser Mechanismus als „microbial loop“ (mikrobieller Kreislauf) gut dokumentiert: Wurzeln geben Zucker und andere Stoffe als Ausscheidungen ab, die Bakterien anlocken und ernähren; Protozoen fressen diese Bakterien und setzen Nährstoffe frei, die die Wurzeln direkt aufnehmen können. Fachliteratur beschreibt sogar Einflüsse auf die Wurzelarchitektur selbst, wenn Protozoen die Bakteriengemeinschaft um die Wurzeln regulieren. Mehr zu den pflanzenseitigen Ausscheidungen, die diesen Kreislauf anstoßen, liefert der Artikel zu Wurzelexsudaten.

Wie Mykorrhiza und andere Partner am Kreislauf teilnehmen

Neben Zersetzern und Fressfeinden gibt es Organismen, die in einer direkten Tauschbeziehung mit der Pflanze stehen. Mykorrhizapilze etwa versorgen Wurzeln mit Nährstoffen und teils Wasser, im Gegenzug erhalten sie von der Pflanze Zucker aus der Photosynthese. Stickstofffixierende Bakterien wandeln Luftstickstoff in für Pflanzen nutzbare Formen um. Beide Gruppen zählt die Bodenkunde zu den Mutualisten – Organismen, die sich mit Pflanzen gemeinsam entwickelt haben und beide Seiten begünstigen. Näheres dazu beschreibt der Artikel zur Mykorrhiza als Pflanzen-Boden-Beziehung.

Auch Regenwürmer tragen zum Kreislauf bei, indem sie organisches Material fressen und in ihrem Kot an Stickstoff, Phosphor und Kalium angereichert wieder ausscheiden. In Summe funktioniert der Nährstoffkreislauf also nur, wenn mehrere Organismengruppen zusammenarbeiten – Zersetzer, Fressfeinde und Mutualisten – und regelmäßig neues organisches Material als Ausgangsmaterial erhalten.

Wie stark einzelne Gruppen zum Kreislauf beitragen, hängt zusätzlich von der Vielfalt der Nahrungsquellen ab. Unterschiedliches organisches Material – etwa eine Mischung aus Kompost, Pflanzenresten und Wurzelausscheidungen statt einer einzigen Quelle – begünstigt eine vielfältigere Lebensgemeinschaft, weil jede Organismengruppe etwas andere Ausgangsstoffe bevorzugt. Einseitige, immer gleiche Inputs fördern dagegen tendenziell nur die wenigen Arten, die genau dieses Material am besten verwerten.

Warum der Kreislauf Zeit und Kontinuität braucht

Anders als eine Düngergabe, die sofort verfügbare Ionen liefert, baut sich ein funktionierender Nährstoffkreislauf über Wochen und Monate auf. Erst wenn Zersetzer, Fressfeinde und Mutualisten in ausreichender Zahl vorhanden sind und regelmäßig neues Material zum Abbau erhalten, stellt sich eine einigermaßen gleichmäßige Nachlieferung ein. In einem frisch angesetzten Substrat mit wenig organischer Substanz ist dieser Kreislauf entsprechend noch schwach ausgeprägt, selbst wenn einzelne Zutaten nährstoffreich erscheinen.

Typische Fehler und Irrtümer bei Nährstoffkreisläufen

• „Organischer Dünger wirkt wie Mineraldünger, nur langsamer.“ Tatsächlich hängt die Freisetzung von einem funktionierenden Kreislauf aus mehreren Organismengruppen ab, nicht nur von Zeit. Fehlt etwa aktive Biologie in einem frisch angesetzten Substrat, bleibt die Freisetzung aus, egal wie lange gewartet wird.

• Frisches, holziges Material ohne Ausgleich einarbeiten. Wegen des hohen C:N-Verhältnisses kann das kurzfristig Stickstoffmangel auslösen. Mehr zur Erkennung beschreibt der Artikel zu Stickstoff.

• Sofortige Wirkung von Kompost-Tee oder Inokulaten erwarten. Solche Zugaben können einzelne Organismengruppen ergänzen, ersetzen aber nicht die kontinuierlichen organischen Inputs, die den Kreislauf langfristig tragen.

• Hohe Salzgaben als harmlos einstufen. Konzentrierte Mineraldünger können Pilze, Nematoden und Protozoen zurückdrängen und damit ausgerechnet die Organismen schwächen, die in organisch geführten Systemen die Freisetzung übernehmen.

• Nährstoffkreisläufe mit Hydrokultur gleichsetzen. In weitgehend sterilen Systemen ohne nennenswerte Biologie gibt es keinen biologischen Kreislauf in diesem Sinn; dort werden Nährstoffe stattdessen direkt über die Nährlösung gesteuert.

Weitere Grundlagen zu organisch geführten Substraten sammelt die Kategorie Living Soil.