Boden und Pflanzennährstoffe
Für ihr Wachstum beziehen Pflanzen Kohlenstoff und Sauerstoff aus der Luft in Form der Gase Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2). Aus dem Boden nehmen sie über ihre Wurzeln Wasser auf. Aus dem Boden erhalten sie in Ionenform auch alle benötigten Nährstoffe. Somit bildet der Boden die Grundlage allen Pflanzenlebens – im wahrsten Sinne des Wortes. Dieses hochkomplexe System unterliegt beständigen chemischen, physikalischen und biologischen Veränderungen.
Zu den festen Bestandteilen des Bodens gehören zum einen die Verwitterungsprodukte der gesteinsbildenden Mineralien (Silikate, Tonmineralien, Kalk), die sowohl an mineralische Substanzen als auch an organische Humusstoffe gebunden sind. Nur ein verschwindend geringer Teil befindet sich gelöst im Boden. Zum anderen zählen die organischen Substanzen und deren Zersetzungsprodukte zu den festen Bodenbestandteilen. Zu den organischen Substanzen im Boden zählen alle Überreste von Pflanzen und Tieren sowie ihre Umwandlungsprodukte. Humus bezeichnet organische Substanz, die bereits eine weitgehende Veränderung erfahren hat.
Pflanzennährstoffe
Für die Pflanzenernährung wichtig sind insbesondere die Elemente Stickstoff, Phosphor, Kalium, Kalzium und Magnesium. Dazu kommen die sogenannten Spurenelemente wie Eisen, Bor, Kupfer oder Mangan. Diese Pflanzennährstoffe finden sich als elektrisch geladene Teilchen, die man als Ionen bezeichnet, im Boden. Positiv geladene Ionen nennt man Kationen, negativ geladene Ionen nennt man Anionen. Ein Anion ist zum Beispiel das Nitrat (NO32-). Die meisten Nährstoffe werden als positiv geladene Kationen (K+, Mg2+, Ca2+) aufgenommen. Das Wort »Ion« stammt aus dem Griechischen und bedeutet »das Wandernde«: Ionen können sich zwischen elektrischen Ladungen und im Boden zwischen Bodenteilchen und Wurzeln bewegen.
Die Ionen der Nährstoffe sind durch ihre Ladungen an die Tonmineralien und Humussubstanzen im Boden gebunden. Diesen Bodenteilchen kommt die wichtige Aufgabe zu, die Nährstoffe so fest zu halten, dass sie nicht ausgewaschen werden können, jedoch locker genug, damit sie von den Pflanzen ausgelöst werden können. Um sie auszulösen, sondern die Wurzeln Wasserstoffionen (H+) ab. Durch diese chemischen Vorgänge und zusammen mit Mikroorganismen entsteht rund um die Wurzeln ein bestimmtes saures Milieu. Diesen Bereich nennt man Rhizosphäre.
Die Bedeutung der organischen Bodenbestandteile für die Bodenfruchtbarkeit erkannte man in ihrem ganzen Umfang Ende des 20. Jahrhunderts, als die Grenzen synthetischer Düngemittel deutlich wurden. Es kommt im Landbau nämlich nicht nur auf eine kurzfristige Versorgung der Pflanzen mit Nährstoffen an. Viel wichtiger ist es, die Bodenlebewesen auf Dauer zu ernähren und die Struktur des Bodens langfristig zu bewahren. Dazu braucht es organische Stoffe.
Die wichtigsten Humusbestandteile sind Huminstoffe. Huminstoffe sind komplexe organische Verbindungen. Für ihren Aufbau werden organische Stoffe im Boden zerlegt und zu einer völlig neuen Struktur zusammengebaut. Huminstoffe besitzen eine große Oberfläche. Zusammen mit ihren Bindungskräften sind sie in der Lage, Nährstoffe anzulagern, festzuhalten und vor Auswaschung zu schützen.
Man kann grob drei Huminstoffgruppen unterscheiden: die Fulvosäuren, die Huminsäuren und die Humine. Eine wichtige Rolle spielen die gut löslichen Fulvosäuren für den Nährstofftransport im Boden: Fulvosäuren und andere lösliche organische Verbindungen können schwer lösliche Metallkationen scherenförmig umfassen und ermöglichen damit deren Transport.
In den Bodenteilchen kleben organische und mineralische Bodenbestandteile zusammen.
Huminstoffgruppen
| Fulvosäuren | Huminsäuren | Humine | |
| Farbe | gelbbraun | braun bis grauschwarz | schwarz |
| Größe | kurzkettige Moleküle | mittelkettige Moleküle | langkettige Moleküle |
| pH-Wert | sauer | gemäßigt sauer | schwach sauer |
| Bindung an Tonminerale | gering | mittel | sehr hoch |
| Mobilität | stark | mittel | schwach |
| Stabilität | gering | mittel | hoch |
| Entstehung | chemisch | chemisch und biologisch | biologisch |
(nach Kuntze, Roeschmann, Schwerdtfeger 1988)
Der in den Huminstoffen eingebaute Stickstoff dient als Nahrungsreserve im Boden, indem er allmählich mineralisiert und daher pflanzenverfügbar gemacht wird. Eine gleichmäßige Nährstoffversorgung hängt somit von einem beständigen Nachschub organischer Substanzen ab. Dabei muss man bedenken, dass Humus wesentlich schneller abgebaut als aufgebaut wird.
Zwischen organischen und mineralischen Bodenbestandteilen kommt es zu starken Bindungen. Die organischen und mineralischen Bestandteile vermischen sich so weit, dass niedermolekulare organische Substanzen in die Zwischenschichten von Tonmineralien eingebaut werden. Es entstehen die sogenannten Ton-Humus-Komplexe, die die Krümelstruktur des Bodens ausmachen. Nur wenn sich aus Ton-Humus-Komplexen ein feinkrümeliger Boden bildet, können Pflanzenwurzeln optimal wachsen. Die Hohlräume zwischen diesen Teilchen sind zum Teil mit Wasser, zum Teil mit Luft gefüllt. Für ein gutes Pflanzenwachstum sollte die Hälfte dieser Hohlräume mit Wasser, die andere Hälfte mit Luft gefüllt sein, damit die Wurzeln atmen können. Je größer die Oberfläche der Teilchen ist, desto leichter haben Pflanzenwurzeln einen Zugriff auf die Bodenteilchen. 1 g Boden kann eine Oberfläche von 500 m2 haben.
Böden weisen eine typische Schichtung über verwittertem Gestein auf. Organische Substanz wird von der Oberfläche her durch die Tätigkeit der Bodenlebewesen allmählich in etwas tiefere Lagen eingearbeitet.
Humus finden wir in mitteleuropäischen Böden nur in den obersten Schichten. Sein Anteil im Boden beträgt 2 bis 8 Prozent. Liegt der Humusanteil im Boden über 10 Prozent, spricht man von einem humushaltigen, sehr stark humosen Boden. Der Humusanteil in Gartenböden liegt in der Regel bei 5 bis 10 Prozent.
Einen groben Anhaltspunkt für den Humusgehalt gibt die Farbe des Bodens: Ein toniger bis lehmiger Boden hat bei einem Humusanteil unter 4 Prozent eine strohgelbe bis hellgraue Färbung. Bei einem Gehalt von 4 bis 6 Prozent nimmt er eine graue oder kastanienbraune bis dunkelbraune Färbung an. Bei einem Humusanteil von 10 bis 12 Prozent wirkt er schwarz. Sandige Böden dagegen sehen bereits bei einem