Holzfaserstoffe

Botanisch sind Holzfasern (hier sind nicht industriell hergestellte Holzfaserstoffe gemeint) meist tote (seltener lebende) Röhrenzellen (meist 1 bis 5 mm lang) mit verdickten Wänden, die zusammen mit anderen Zellen (Tracheiden, Tracheenglieder und Holzparenchymzellen) den Holzkörper bilden(4) . Sie sind das wesentliche Strukturelement von Holz und dienen seiner mechanischen Festigkeit.

In der holzverarbeitenden Industrie gewinnt man Holzfasern (hierbei handelt es sich um die oben beschriebenen Zellenverbände) durch mechanischen oder chemischen Aufschluss von Holz(2) . Der Begriff ‚Holzfasern‘ ist somit zweideutig. Im Substratbereich wird die Bezeichnung ‚Holzfaserstoff‘ synonym für den Begriff ‚Holzfasern‘ eingesetzt. Generell wird hier der Begriff ‚Holzfaserstoff‘ verwendet. Dort, wo bestimmte Literaturquellen von Holzfasern sprechen, wird dieser Begriff verwendet. In der Praxis ist der Begriff ‚Holzfasern‘ üblich, aber, wie oben ausgeführt, nicht ganz korrekt.

Nach RAL-GZ 250(5) sind Holzfasern mechanisch-thermisch aufgefasertes und ggf. mit Konditionierungsstoffen behandeltes Holz für pflanzenbauliche Zwecke. Ferner legt die Gütesicherung fest, dass nur mechanisch bearbeitete, nicht aber verleimte, beschichtete, lackierte, gestrichene oder mit sonstigen organischen oder anorganischen Stoffen behandelte Hölzer oder Holzabfälle als Ausgangsstoffe für Kultursubstrate zugelassen sind.

Das erste industriell hergestellte Holzfaserprodukt war das 1983 eingeführte französische Hortifibre®(6) . Ende der 1980er Jahre und in den 1990er Jahren wurden eine Reihe weiterer Holzfaserprodukte entwickelt. Hierzu zählen Culti-Fibre®, Torbella®, Bio-Culta®-Faser, Toresa®, Pietal® und Torbo®. Nur noch wenige davon befinden sich heute noch auf dem Markt. Zwischenzeitlich sind einige Substratproduzenten dazu übergegangen, Holzfaserstoffe selbst herzustellen. Das ist ein Trend in der Substratwirtschaft.

Überwiegend werden Holzhackschnitzel als Ausgangsmaterial und in geringerem Maße Säge- und Hobelspanfraktionen für die Herstellung von Holzfaserstoffen verwendet. Holzhackschnitzel und -späne sind das Produkt aus dem Fräsprozess der eingeschlagenen Holzstämme im Sägewerk. Schnitzel und Späne fallen in unterschiedlicher Korngröße an. Die Hersteller von Holzfaserstoffen legen wichtige Spezifikationen für Hackschnitzel und -späne fest, um einen störungsfreien Produktionsprozess und ein homogenes Endprodukt zu haben. Die jeweiligen Spezifikationen können die Holzart, das Alter, die Form, den Anteil an Über- und Unterkorn, den Feuchtigkeitsgehalt, chemische Zusatzstoffe und den Rindenanteil der Hackschnitzel umfassen. Inzwischen verlangen die meisten Hersteller von Holzfaserstoffen, dass der Holzrohstoff zertifiziert sein muss, z. B. gemäß den Kriterien der FSC (Forest Stewardship Council) oder des PEFC (Program for the Endorsement of Forest Certification).

Ein wichtiges Qualitätskriterium für Holzfaserstoffe ist die Stickstoff-Immobilisierung, die, wie PAULUS(7) verdeutlicht, von der Holzart abhängig ist. In Brutversuchen wurde die Stickstoff-Immobilisierung von Holzfaserstoffen, hergestellt von sechs Gehölzgattungen, untersucht und in Pflanzenversuchen bewertet. Es zeigte sich, dass es quantitative Unterschiede in der N-Immobilisierung zwischen den aus Nadel- und Laubhölzern hergestellten Holzfaserstoffen gibt. Der Frischmassezuwachs der Testpflanzen stand dabei in engem Zusammenhang mit der N-Bindung. Schlussfolgernd dürfte die Verwendung von Abies alba, Pinus sylvestris und Picea abies die geringsten Probleme verursachen. Diese Erkenntnis spiegeln die tatsächlich eingesetzten Holzarten für die Produktion von Holzfaserstoffen wider, nämlich Fichte und Kiefer, die regional auch gut verfügbar sind.

Vergrößerte Darstellung von: Stickstoff-Immobilisierung von Holzfasern verschiedener Gehölzgattungen

Stickstoff-Immobilisierung von Holzfasern verschiedener Gehölzgattungen

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Aus Gründen der Nachhaltigkeit sollten nur zertifizierte Holzhackschnitzel (z. B. gemäß FSC- oder PEFC-Kriterien) als Rohstoffe verwendet werden. Die Auffaserung der Holzhackschnitzel erfolgt in der Regel in einem Extruder bzw. Retruder, in dem zwei gegenläufige Schneckenwellen die Holzhäcksel nach dem Prinzip der Schubumkehr schreddern. Durch die Scherkräfte beim Schreddern werden die Holzhäcksel aufgefasert, wobei Hitze entsteht. Man spricht von einer thermomechanischen Auffaserung(8) (9) . Eine zusätzliche Erhitzung oder die Zufuhr von Wasser ist nicht erforderlich. Beim Austreten des aufgefaserten Holzes aus dem Extruder verdampft das im Holz enthaltene Wasser schlagartig („Dampfexplosion“), was zu einer weiteren Zerfaserung führt.

Länge und Dicke der Holzstückchen/Holzfasern hängen zum einen vom Rohmaterial selbst ab, können aber zum anderen durch Einstellung der Größe der Auslassöffnung am Extruder, die wiederum die Verweildauer im Extruder bestimmt, zusätzlich zweckorientiert beeinflusst werden(10) . Eine kleine Auslassöffnung verlängert die Verweildauer, die Holzpartikel werden längere Zeit geschreddert, die Fasern werden kleiner. Eine größere Auslassöffnung hat eine gröbere Fraktionierung zur Folge. Somit können gröbere Strukturen z. B. für Containerkulturen und feinere Holzfaserstoffe für Topfpflanzenkulturen oder sogar für Aussaaten hergestellt werden. Die meisten Holzfaserstoffqualitäten haben eine Länge zwischen 1 und 20 mm und werden als fein, mittel oder grob bezeichnet. Je nach Feinheitsgrad haben Holzfaserstoffprodukte einen mehr oder weniger hohen Staubanteil, der bei der Verarbeitung eine Reizwirkung beim Einatmen haben kann. Im Fertigsubstrat ist das nicht von Belang.

Holzfaserstoffe haben eine große äußere und innere Oberfläche, welche den mikrobiellen Abbau und damit einhergehend eine N-Immobilisierung beschleunigt. Daher setzen manche Hersteller den Holzrohstoffen vor der Zufuhr in den Extruder langsam fließenden N-Dünger zu, um die N-Bindung zu kompensieren(9) . Solche Stickstoffdünger wirken einer N-Immobilisierung dadurch entgegen, dass den Mikroorganismen im fertigen Produkt kontinuierlich Stickstoff zugeführt wird. Diese Stickstoffgabe dient nicht der Stickstoffversorgung der Kulturpflanzen, sondern nur dem Ausgleich der N-Bindung. Bei der Herstellung von Holzfaserstoffen für die ökologische Pflanzenproduktion können organische Stickstoffdünger zugegeben werden.

Um dem Holzfaserstoff ein torfähnliches Aussehen zu verleihen, kann den Holzhackschnitzeln vor der Zugabe in den Extruder ein natürliches Färbemittel zugegeben werden. Stark zersetzter Torf oder Braunkohlenstaub werden dabei bevorzugt, da sie gut wirken, verfügbar sind und keinen Fremdgeruch (wie etwa Kaffeesatz) entwickeln.

Der pH-Wert verschiedener Produktionschargen kann leicht um eine pH-Stufe schwanken, was bei der Substrataufbereitung in Mischung mit anderen Ausgangsstoffen zu berücksichtigen ist. Der pH-Wert von Holzfaserstoffen ist leicht einzustellen.

Holzfaserstoffe haben eine geringe pH-Pufferwirkung, insbesondere gegenüber alkalischen Stoffen und pH-anhebenden Düngemitteln. Das ist bei Holzfaserstoffanteilen von über 30 % (v/v) im Substrat zu beachten.

N-Immobilisierung kann durch unzureichende N-Nachlieferung zu Pflanzenminderwuchs und Mangelerscheinungen führen. In der Vergangenheit wurde bei einigen Holzfaserstoffen, die keine Düngerbehandlung erhielten, eine N-Bindung von 500 mg/l und mehr festgestellt. Entsprechend den Grenzwerten nach RAL-GZ 250(5) sollen bei einer festgestellten N-Bindung von ≤ 100 mg N/l maximal 40 % (v/v) und bei ≤ 200 mg N/l maximal 20 % (v/v) dem Substrat zugemischt werden, um Kulturprobleme zu vermeiden. Die genaue Überwachung des N-Haushaltes während der Kultur ist ratsam und bei Verwendung von Holzfaserstoffen mit noch stärkerer N-Bindung oder gar in höheren Volumenanteilen unerlässlich.

Die Substratgrunddüngung ist wie üblich anzusetzen, da eine N-Zugabe vor der Zerfaserung nur der N-Kompensation des durch Mikroben festgelegten Stickstoffes dient. Die Nährstoffe P2O5 und K2O sind meistens in geringen Mengen in Holzfaserstoffen enthalten, was bei der Substratproduktion zu berücksichtigen ist. Der Gehalt an Spurenelementen in Holzfaserstoffen ist gering und sollte grundsätzlich durch Zusatz eines entsprechenden Düngemittels sichergestellt sein.

Vergrößerte Darstellung von: Gütemerkmale und Prüfbestimmungen für Holzfasern als Substratausgangsstoff – Wertebereiche und Prüfmethoden nach RAL-GZ 250

Gütemerkmale und Prüfbestimmungen für Holzfasern als Substratausgangsstoff – Wertebereiche und Prüfmethoden nach RAL-GZ 250

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Durch den thermomechanischen Zerfaserungsprozess haben Holzfaserstoffe eine faserige Struktur, sind porös, locker und elastisch. Je nach Herstellungs- und Behandlungsprozess können sie die natürliche Farbe von Kiefernholz haben, hell bräunlich-grau, hellbraun oder torffarbig sein. Wichtig ist, dass während der Zerfaserung keine Verklumpung der Holzfasern stattfindet (was bei anderen Herstellungsverfahren eher passieren kann), die die Homogenität des Substrats beeinträchtigen kann. Der holzartige Charakter bleibt je nach Zerfaserungsgrad mehr oder weniger erhalten. Die Schüttdichte ist sehr niedrig, was für eine Zumischung zu schwereren Ausgangsstoffen spricht; Transportgewichte können zudem so gesenkt werden.
Das Gesamtporenvolumen ist sehr hoch und mit dem von schwach zersetzten Hochmoortorfen vergleichbar. Im Gegensatz zu Weißtorf, der Wasser in den Hyalinzellen der vertorften Moose hält, halten Holzfasern den Großteil des Wassers nur an den Fasern und nicht in den Zellen fest. Somit ist die Wasserkapazität deutlich niedriger als bei Hochmoortorf.

Der Vorteil aller Holzfaserstoffe gegenüber manchen anderen Ausgangsstoffen liegt in der sehr hohen Luftkapazität (AV) von etwa 50 bis 60 % (v/v), ermittelt nach DIN EN 13041. Bei Zumischung eines Holzfaserstoffes in steigenden Anteilen zu einem schwach zersetzten Frästorf mit einer AV von 20 % (v/v) steigt die Luftkapazität proportional zur zugegebenen Menge an Holzfaserstoff. Dementsprechend nimmt die Wasserkapazität ab. Die Luftführung und Dränfähigkeit des Substrats können somit verbessert werden – eine Wirkung, die gezielt bei Ausgangsstoffen mit hohem Feinanteil, wie stark zersetztem Torf oder Kompost, genutzt werden kann. Substratanteile von bis zu 25 % (v/v) Holzfaserstoff erfordern keine wesentliche Umstellung der Bewässerung in der Kultur. Substrate mit Anteilen über 25 % (v/v) erfordern eine der geringeren Wasserkapazität angepasste Bewässerung, d. h. häufigeres Gießen.



Die Schrumpfung bei trocken gewordenen Torfen, die insbesondere bei stark zersetzten Torfen hoch sein kann, wird durch Zumischung von Holzfasern zum Substrat vermindert. Alle Holzfaserstoffe haben einen Schrumpfungswert, der meist deutlich unter 10 % liegt.

Die Wiederbenetzbarkeit von Holzfaserstoffen ist gut. Besonders Torfe mit einem hohen Trocknungsgrad bei der Gewinnung können von der Zumischung von Holzfasern durch eine verbesserte Wiederbenetzbarkeit profitieren. Um die Wiederbenetzbarkeit, aber auch um die Wasserkapazität zu erhöhen, ist es zweckmäßig, fester zu topfen. Bei hohen Holzfaseranteilen in Containersubstraten trocknet die Substratoberfläche schneller ab als bei reinen Torfsubstraten, was den Unkraut- und Moosbewuchs hemmen kann. Versuche durch BOHNE(11) haben gezeigt, dass bei hohem Anteil von Holzfasern in Containersubstraten eine Evaporationsbarriere entsteht, welche die benötigte Beregnungswassermenge reduzieren kann.

Substrate mit Volumenanteilen um 20 % eines Holzfaserstoffes werden inzwischen von vielen Substratherstellern angeboten. In Kombination mit anderen gütegesicherten Stoffen kann dieser Anteil entsprechend dem Einsatzgebiet auch höher liegen. Eine Einschränkung bezüglich des verwendeten Bewässerungssystems (Überkopfberegnung, Anstau-, Matten- oder Rinnenbewässerung) gibt es nicht. Entscheidend sind die Gießintervalle, die umso kürzer anzusetzen sind, je höher der Holzfaseranteil im Substrat ist.

Bei langen Kulturzeiten kann es zu einer stärkeren Sackung von Substraten mit Holzfaserstoffen kommen als bei Substraten auf Torfbasis. Das belegt ein Langzeitversuch von FISCHER & MEINKEN(12) mit verschiedenen Holzfaserstoffen, die sowohl ohne als auch mit Torfbeimischung geprüft wurden. Die Autoren folgern, dass eine unerwünschte Sackung mit einhergehendem Masse- und Volumenverlust während der Kultur auf mikrobielle Zersetzung der organischen Substanz zu Kohlendioxid und Wasser beruht. Durch die Abbauprozesse kommt es zudem zu einer Abnahme des Anteils an Grobporen und einer Zunahme an Feinporen, was wiederum zur Senkung der Luftkapazität führt. Die Intensität der Sackung mit allen Nebenwirkungen ist abhängig vom Volumenanteil Holzfaserstoff im Substrat, dem Auffaserungsgrad des Holzfaserstoffes (größere Ober- und Angriffsfläche für Mikroorganismen bei hohem Feinanteil) und der N-Düngermenge bei der Herstellung.

Vergrößerte Darstellung von: Vergleich von Masse- und Volumenverlust verschiedener Substrate in unbepflanzten Containern während 12 Monaten

Vergleich von Masse- und Volumenverlust verschiedener Substrate in unbepflanzten Containern während 12 Monaten

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Holzfaserstoffe sind inzwischen in vielen Substraten ein wichtiger Substratausgangsstoff. Vor allem die niedrige Schüttdichte, die hohe Luftkapazität und die gut Dränfähigkeit erlauben ihren Einsatz in allen gartenbaulichen Sektoren und bei allen Kulturverfahren und unabhängig vom Bewässerungsverfahren. Volumenanteile von 20 bis 30 % (v/v) sind üblich. Es ist davon auszugehen, dass in der Zukunft mehr Holzfaserstoffe eingesetzt werden. Dabei ist der Trend, die Eigenproduktion von Holzfaserstoffen im eigenen Substratwerk durchzuführen, deutlich. Mit Schwankungen des Marktpreises für geeignete Holzhäcksel durch konkurrierende Abnehmer (energetische Verwertung) ist zu rechnen.

Holzhäcksel sind mit schneidenden Holzhäckselmaschinen zerkleinertes Holz (nicht geschreddertes Holz). Als Mulchmaterial sind sie eher bekannt als als Substratausgangsstoff. Meistens wird als Rohstoff minderwertiges Holz oder Sägerestholz aus der holzverarbeitenden Industrie dabei verwertet, überwiegend Fichtenholz. Holzhäcksel haben eine Partikelgröße von 2 bis 20 mm und kommen somit eher für den Einsatz in der Containerkultur in Frage. Durch ihre im Vergleich zu Holzfasern kleinere Oberfläche dauert ihr mikrobieller Abbau sehr lange, was sie strukturstabil macht. Auch ist dadurch die Gefahr einer starken N-Bindung geringer. Bei Volumenanteilen von 20 bis 30 % im Substrat macht sich ihre niedrige Wasserkapazität bemerkbar, denn kürzere Gießintervalle sind erforderlich. Ihr pH-Wert (CaCl2) liegt bei 4,0. Ihr Nährstoffgehalt und Salzgehalt ist niedrig. Vereinzelt sind Substrate mit Holzhäckseln auf dem Markt.

Bei der Grünschnittkompostierung fallen Holzreste aus dem Siebüberlauf als Überkorn an. Diese können mechanisch aufgefasert werden und mit Sternsieben auf die gewünschte Faserlänge fraktioniert werden. Dieses Material kann z. B. in Baumschulsubstraten, aber auch in Substraten für Beet- und Balkonpflanzen sowie Gruppenpflanzen Verwendung finden. In empfindlichen Kulturen und Vermehrungssubstraten werden diese zerfaserten Holzreste meist nicht eingesetzt, da eine N-Bindung um 300 mg/l nicht selten ist. Entsprechend niedrig muss ihr Anteil im Substrat sein. Anzumerken ist, dass dieses Überkorn schon seit Jahren für die energetische Nutzung sehr wertvoll ist und der stofflichen Verwertung kaum noch zur Verfügung steht.

Untersuchungsergebnisse zur Gewinnung von Substraten aus Spanplatten- und MDF-Resten (Mitteldichte Faserplatten), die mit stickstoffhaltigen Bindemitteln verleimt sind, finden sich bei MARUTZKY et al.(1) . In Brutversuchen wurde eine N-Freisetzung der Spanplattenspäne von durchschnittlich 500 mg N/l festgestellt. Durch Zugabe der N-zehrenden Komponente Sägemehl konnte daraus durch Kleinbehälter-Kompostierung ein Endprodukt hergestellt werden, das gute physikalische Eigenschaften bei gleichzeitig hoher Strukturstabilität, guter Wiederbenetzbarkeit und geringem Volumenverlust hatte. Bis heute haben solche Ausgangsstoffe keine Marktrelevanz erreicht.

JACKSON et al.(13) berichten, dass die im Südosten der USA weit verbreitete Weihrauch-Kiefer (Pinus taeda) zu einem Substratausgangsstoff verarbeitet werden kann. Auch soll sich die ‚white pine‘ (Pinus strobus) eignen. Nach der Ernte des Baumes wird dieser maschinell gehäckselt – mit oder ohne Rinde, Zweige und Nadeln. Die Hackschnitzel werden in einer Hammermühle gemahlen. Dabei kann der Vermahlungsgrad je nach Einsatzbereich so eingestellt werden, dass die Partikelgröße dem geforderten Luft- und Wasserhaushalt der Kultur Rechnung trägt. Betont wird, dass eine Kompostierung nicht notwendig ist und die Bäume an einem Tag verarbeitet und am nächsten Tag als Substrat verwendet werden können. Eine der Kultur gerechte Aufdüngung und Kalkung des Substrats ist erforderlich. Kulturversuche mit bis zu 100 % (v/v) des Ganzbaumkiefersubstrats in verschiedenen Baumschul- und Zierpflanzenkulturen haben nach Autorenangaben im Vergleich zu Torfsubstrat oder Rindenhumussubstrat ähnlich gute Wuchsergebnisse gezeigt. Bei der Verarbeitung von frisch geschlagenen Bäumen ist die N-Immobilisierung recht hoch. Die kann durch Lagerung des aufbereiteten Holzes reduziert werden. Ein Ausgleich für die N-Immobilisierung ist notwendig.