Wasser- und Lufthaushalt
BOHNE(1) betont, dass ein Substrat nie zu viel Wasser enthalten kann – vorausgesetzt, es enthält gleichzeitig genug Luft, weshalb Wasser- und Lufthaushalt eines Substrats nie unabhängig voneinander beurteilt werden dürfen.
Vergrößerte Darstellung von: Kennzahlen der für Kultursubstrate empfohlenen LuftkapazitätKennzahlen der für Kultursubstrate empfohlenen Luftkapazität
Die DIN EN 13041 ist bereits Grundlage der Kennzeichnung physikalischer Substrateigenschaften in manchen EU-Ländern. Sie könnte auch die Basis der Kennzeichnung entsprechend der zukünftigen EU-Verordnung für diese Produktgruppen werden. In diesem Buch wird nicht auf andere Analyseverfahren zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften eingegangen.
Vergrößerte Darstellung von: Definitionen wesentlicher Parameter des Wasser- und Lufthaushaltes von Kultursubstraten und Blumenerden gemäß DIN EN 13041 und von in dieser Norm festgelegten Bedingungen abgeleitete DefinitionenDefinitionen wesentlicher Parameter des Wasser- und Lufthaushaltes von Kultursubstraten und Blumenerden gemäß DIN EN 13041 und von in dieser Norm festgelegten Bedingungen abgeleitete Definitionen
Pflanzenwurzeln benötigen im Wurzelraum Wasser und Luft: Wasser, um alle pflanzenphysiologischen und wasserabhängigen Vorgänge (z. B. Turgeszenz, Transport von Nährstoffen) zu gewährleisten; Luft (Sauerstoff), um die Gasdiffusion im Wurzelraum zu gewährleisten. Grobporige Substrate können aufgrund ihrer großen und/oder sperrigen Partikel nicht viel Wasser speichern – ihre Wasserkapazität ist eher gering und ihre Luftkapazität hoch. Entsprechend werden z. B. Containersubstrate hergestellt, die überschüssiges Niederschlagswasser schnell abfließen lassen.
Bei üblichen Anstauverfahren, wie der Ebbe-Flut-Bewässerung, muss überschüssiges Wasser nach der Wasserzufuhr schnell abfließen können, um Staunässe zu vermeiden. Häufig enthalten solche Substrate Blähperlit oder ähnlich wirkende Ausgangsstoffe. Schlecht entwässernde Substrate sind also zu vermeiden. Auch Hobbyerden sollten gut dränierende Eigenschaften haben, da gerade im Privathaushalt eher großzügig mit der Bewässerung umgegangen wird.
Hohe Anforderungen werden an das Substrat gestellt, Luft austauschen zu können. Eine gute Luftführung im Substrat beeinflusst das Pflanzenwachstum positiv. Sowohl durch die Atmung der Wurzeln als auch durch mikrobielle Abbauprozesse der organischen Substanz wird Kohlendioxid (CO2) im Substrat freigesetzt. Um Sauerstoffmangel im Wurzelbereich zu vermeiden, muss ein Luft-/Gasaustausch im Substrat gewährleistet sein. Ein ausreichendes Luftvolumen vor allem im unteren Wurzelbereich des Containers oder Topfes ist daher wichtig. Durch eine ausreichende Luftkapazität und entsprechende Wasserdurchlässigkeit des Substrats wird das erreicht.
Bei der Produktion von Kultursubstraten und Blumenerden werden die Ansprüche der Kulturpflanze in der gärtnerischen Praxis wie auch die nicht produktionstechnisch ausgerichteten Anforderungen an Substrate für die Anzucht und Kultur grundsätzlich erfüllt. Die Ansprüche von Kulturpflanzen an den Wasser- und Lufthaushalt sind jedoch unterschiedlich. So benötigen typischerweise (in der Natur) epiphytisch lebende Orchideen mit ihren Luftwurzeln eine deutlich größere Luftkapazität im Substrat [AV bei 30 bis 60 % (v/v)] als beispielsweise Jungpflanzen, die in Presstöpfen mit einer wesentlich geringeren Luftkapazität auskommen [AV etwa 8 % (v/v)]. Die Ausgewogenheit zwischen Luft- und Wasserkapazität kann somit kein starres Verhältnis sein, sondern bewegt sich immer in Wertebereichen, die recht groß sein können. Die Kulturführung, vor allem die Bewässerung, kann etwaige ungünstige Verhältnisse in Wasser- und Lufthaushalt teilweise ausgleichen.
Kultursubstrate und Blumenerden werden üblicherweise in Töpfe, Container, Tröge oder andere Gefäße gefüllt. Jedes Substrat übt aufgrund seiner Adsorptions- und Kapillarkräfte eine bestimmte Saugspannung auf das Wasser im Substrat aus. Die wasserbindenden Kräfte sind dabei in Feinporen stärker als in Grobporen. Die Wassermenge, die bei einer bestimmten methodisch angelegten Saugspannung in einem Substrat vorliegt, ist vom Gesamtporenvolumen und von der Porengrößenverteilung abhängig. Der Verlauf der Beziehung zwischen Wassermenge und Saugspannung ist daher für jedes Substrat und jeden Ausgangsstoff charakteristisch. Die Saugspannung wird in cm Wassersäule gemessen. Der Verlauf wird als Wasserspannungskurve oder pF-Kurve bezeichnet. Das p im pF-Wert steht für Potenz, das F für die ‚Freie Energie‘ des Wassers. Der pF-Wert (= log cm Wassersäule) beschreibt anschaulich die Wasserbindung im Substrat, denn jedem Wert steht eine bestimmte Wassermenge gegenüber. Die pF-Kurve eines Substrats stellt eine Summenkurve der Porengrößenverteilung dar. Will man eine pF-Kurve erstellen, muss bei mehreren Saugspannungen die Wasserkapazität ermittelt werden.
Gemäß DIN EN 13041(2) wird die Wasserkapazität bei genormten Bedingungen ermittelt, meistens bei –10 cm Wassersäule. So ist u. a. die Höhe des Messzylinders vorgeschrieben, die dem eines 5-cm-Topfes entspricht. Die Wassermenge, die zwischen Saugspannungen von –10 und –50 cm gemessen wird, ist für die Pflanze leicht verfügbar. Wasser, das zwischen Saugspannungen von –50 und –100 cm ermittelt wird, ist schwer verfügbar.
Bei pF 0 sind praktisch alle Poren mit Wasser gefüllt, das Substrat is völlig wassergesättigt. pF 1 entspricht einer Saugspannung von –10 cm. Eine Saugspannung von –60 cm entspricht pF 1,8. Der sogenannte Permanente Welkepunkt liegt bei pF 4,2. Je höher die Saugspannung, desto trockener das Substrat.
WEVER et al.(3) führen die Wasserleitfähigkeit und Hysterese (griech. hysteros = hinterher, später) ̶ das Zurückbleiben einer Wirkung hinter der sie verursachenden veränderlichen Kraft ̶ als weitere wesentliche Eigenschaften für Substrate und Ausgangsstoffe auf. Sowohl die horizontale als auch die vertikale Verteilung von Wasser mit den darin gelösten Nährstoffen ist für ihren schnellen Transport zu den Wurzeln wichtig. Bewässerungsverfahren wie die Tröpfchenbewässerung und das Ebbe-Flut-Verfahren stellen hierbei hohe Anforderungen an das Substrat. Das Zurückbleiben der Wasserleitfähigkeit schränkt die Durchfeuchtung des Substrats ein, was letztendlich eine schlechtere Wasser- und Nährstoffversorgung und eventuell vermindertes Pflanzenwachstum zur Folge haben kann.
Bei Substraten mit hohen Anteilen von gut Wasser aufnehmenden Ausgangsstoffen wie Kokosmark ist der Zusatz eines Netzmittels kaum erforderlich. Auch bei häufigem Austrocknen nimmt Kokosmark leicht Wasser auf. Anders verhält sich Torf, der bei zunehmender Austrocknung zunehmend wasserabweisend wirkt. Bei reinen Torfsubstraten arbeiten Substrathersteller häufig mit Netzmitteln, um die Wasseraufnahme und -verteilung zu optimieren.
Vergrößerte Darstellung von: Durchschnittliche Wertebereiche einiger physikalischer und chemischer Eigenschaften von organischen Substratausgangsstoffen, ermittelt nach Europäischen Normen. (In Abhängigkeit von den Probeneigenschaften, wie Struktur, Feuchtigkeitsgehalt und Verunreinigungen, können abweichende Werte auftreten.)Durchschnittliche Wertebereiche einiger physikalischer und chemischer Eigenschaften von organischen Substratausgangsstoffen, ermittelt nach Europäischen Normen. (In Abhängigkeit von den Probeneigenschaften, wie Struktur, Feuchtigkeitsgehalt und Verunreinigungen, können abweichende Werte auftreten.)
Feuchtigkeitsgehalt (Wassergehalt)
Der Feuchtigkeitsgehalt einer Probe gibt an, welche Menge an Feuchtigkeit (Wasser) darin enthalten ist. Gemäß DIN 13040(5) ist die Abkürzung für den Feuchtigkeitsgehalt Wm und wird in % Massenanteil (% m/m) angegeben. Entsprechend dieser Norm wird Wm durch Trocknung bei 105 °C im Trockenschrank bis zur Gewichtskonstanz durchgeführt; nach VDLUFA-Methode bei 103 °C. Sprachgebräuchlich ist die Bezeichnung ‚Wassergehalt‘ nach wie vor verbreitet.
Das Gesamtporenvolumen ist in wechselnden Anteilen mit Wasser und Luft gefüllt. Bei Wassersättigung enthält das Substrat keine Luft – das Gesamtporenvolumen ist vollständig mit Wasser gefüllt. Auch luftgetrocknete Substrate enthalten noch Wasser. So enthalten beispielsweise an der Luft getrocknete Torfproben in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit bei der Trocknung noch immer 14 bis 18 % (m/m) Wasser. Der Wm-Wert luftgetrockneter Proben hängt aber immer vom Substratausgangsstoff selbst ab.
Der Feuchtigkeitsgehalt eines Substrats ist entscheidend für den Kulturerfolg. Ist ein Substrat zu nass oder zu trocken, treten Wachstumshemmungen auf. Die Kulturfeuchte bezeichnet den Feuchtigkeitsgehalt eines Substrats, bei dem es ‚eintopffähig‘ ist. „Ein Substrat ist eintopffähig, wenn es sich beim kräftigen Zusammendrücken in der Faust feucht anfühlt, dabei aber kein Wasser austritt“(6) . Die optimale Kulturfeuchte wiederum ist nicht für alle Substratmischungen und Kulturen gleich. Bei Substraten aus wenig zersetztem Hochmoortorf liegt der Feuchtigkeitsgehalt bei der Herstellung meistens zwischen 55 und 65 % (m/m). Nach der Bewässerung in der Kultur liegt der Feuchtigkeitsgehalt meistens bei 70 bis 80 % (m/m). Bei Substraten mit mineralischen Anteilen wie z. B. Kompost oder Sand liegen die Werte deutlich niedriger. [Anmerkung: Bei Komposten ist der mineralische Anteil meistens deutlich höher als der der organischen Substanz, oft < 30 % (m/m).]
Der Feuchtigkeitsgehalt hat auch Auswirkungen auf die Substratmenge, die geliefert wird. Bei organischen Substratausgangsstoffen wie Torf oder Kokosmark ist bei niedrigen wie auch hohen Feuchtigkeitsgehalten das nach DIN EN 12580 bestimmte Volumen geringer als bei einer mittleren Feuchtigkeit. So weisen manche Substrathersteller darauf hin, dass das Substrat erst angefeuchtet werden muss, um das gekennzeichnete Volumen ermitteln zu können.
Sackung, Schrumpfung und Quellung
Sackung ist die durch den Druck oberer Schichten im Substrat auf darunter liegende Schichten verursachte Setzung des Substrats. Sackung ist nicht identisch mit Schrumpfung. Je länger die Standzeit des Substrats, desto größer ist in der Regel die Setzung. Ein Substrat aus 100 % Blähperlit beispielsweise sackt aufgrund seines festen inerten Gefüges kaum, da der im Container ausgeübte Druck durch das sperrige Granulat aufgefangen wird und nicht zu Formveränderungen führt. Ein in der Struktur eher nachgebendes Material, wie Kompost, Torf, Kokosmark oder Holzfaserstoffe, hat eine vergleichsweise instabilere Struktur, bei der sich der Eigendruck und äußere Einwirkungen (z. B. Bewässerung) stärker auf die Sackung auswirken als bei mineralischen Produkten. Bei reinen Holzfaserstoffen kann eine Sackung von 20 bis 30 % auftreten. Düngungsmaßnahmen und mikrobieller Abbau der organischen Substanz führen zu weiterer Sackung des Substrats. Für die Bestimmung der Sackung gibt es keine einheitliche Methode. Sackungsmessungen werden in der Regel von Hand mithilfe eines Zollstocks durchgeführt.
Nach BLUME et al.(7) wird Schrumpfung durch Kohäsion und Oberflächenspannung des Wassers einerseits und durch Adhäsion zwischen Wasser und den festen Partikeln andererseits bedingt. Schrumpfung setzt ein, sobald Partikel Wasser verlieren. Das wiederum führt zu einer Kontraktion und Annäherung der Substratpartikel. Austrocknung des Substrats führt also zu seiner Schrumpfung. So kann es zu Schrumpfungsrissen und -spalten im Substrat kommen. Ein stark geschrumpftes Substrat kann zu erheblichen Problemen bei der Wiederbefeuchtung des Substrats führen und diese stark einschränken oder verhindern. Der Grad der Schrumpfung ist von der jeweiligen Zusammensetzung des Substrats abhängig. Die Bestimmung der Schrumpfung wird gemäß DIN EN 13041(2) durchgeführt. Sie liegt beispielsweise bei Reisspelzen, Kokosfasern und Holzfasern sehr niedrig (um 7 %) und bei stark zersetztem Hochmoortorf sehr hoch (um 40 %).
Während Feuchtigkeitsverlust zu Schrumpfung führt, leitet die Wiederbefeuchtung des Substrats die Entspannung der geschrumpften Partikel und die Quellung des Substrats ein. Wie die Schrumpfung ist die Rückquellung abhängig von der Substratzusammensetzung. Stoffe, die sich nach starker Austrocknung leicht wiederbenetzen lassen (z. B. Kokosmark, mineralische Ausgangsstoffe), erlauben eine rasche Rückquellung. Bei stark geschrumpftem Torf kann sich eine vollständige Rückquellung über Tage hinziehen oder gar nicht vollzogen werden. Wachstumseinschränkungen können die Folge sein. Bei schrumpfungsanfälligen Substratausgangsstoffen und -mischungen ist der Zusatz von Netzmitteln oder feinem Ton hilfreich.
Benetzbarkeit
Viele Substrate weisen bei starker Ab- oder Austrocknung Wasser ab, d. h., sie nehmen es nicht oder nur schwer auf. Bei manchen ausgetrockneten Substraten, etwa bei Torfsubstraten, ist bei Zugabe von Wasser die Grenzfläche zwischen Substrat und Wasser nicht sehr aktiv, so dass das Wasser aufgrund seiner Grenzflächenspannung nicht in das Substrat eindringt, sondern abperlt(8) . Werden Netzmittel dem Substrat zugesetzt, setzen diese die Grenzflächenspannung des Wassers herab. Dadurch kann das Wasser die Substratpartikel vollständig benetzen und in Grob- und Feinporen eindringen.
Wasserabweisung (Hydrophobizität) ist eine Eigenschaft, die Wasser daran hindert, ungestört in das Substrat einzudringen und sich vertikal und horizontal auszubreiten. Bei NIGGEMANN(8) ist nachzulesen, dass folgende Faktoren für eine erschwerte Benetzungsbereitschaft von trockenem Torf verantwortlich sind:
- Wachse, Harze, Fette und ähnliche Bestandteile des Torfes
- die Ausbildung von Lufthüllen um die Torfpartikel
- mit Luftadsorption gepaarte „irreversible“ Schrumpfung organischer Kolloide beim Trocknen des Torfes
- Anwesenheit von Eisenhumat
Vergrößerte Darstellung von: Oben: Hydrophiles Substrat mit Kontaktwinkel (θ) größer 90°, großer Oberflächenspannung und schlechter Wasseraufnahme. Unten: Hydrophobes Substrat mit Kontaktwinkel (θ) kleiner 90°, geringer Oberflächenspannung und guter WasseraufnahmeOben: Hydrophiles Substrat mit Kontaktwinkel (θ) größer 90°, großer Oberflächenspannung und schlechter Wasseraufnahme. Unten: Hydrophobes Substrat mit Kontaktwinkel (θ) kleiner 90°, geringer Oberflächenspannung und guter Wasseraufnahme
Den Winkel zwischen der Substratoberfläche und dem Wasser bezeichnet man als Kontaktwinkel (θ). Materialien, mit denen Wasser einen Kontaktwinkel < 90° ausbildet, werden als hydrophil (wasserfreundlich) und solche, mit denen Wasser einen Kontaktwinkel > 90° ausbildet, als hydrophob (wasserfeindlich) bezeichnet. Je kleiner θ ist, desto stärker ist der hydrophile Charakter des Substratausgangsstoffes oder Substrats. Direkte Winkelmessungen mithilfe eines optischen Goniometers oder Messungen der geometrischen Dimensionen sind möglich(11) (12) . Der Kontaktwinkel beeinflusst somit die Benetzbarkeit und damit die Wasserkapazität des Substrats und die Wasserverteilung im Substrat. Lange ist bekannt, dass besonders stark zersetzte Torfe eher zu schlechter Benetzbarkeit neigen als schwach zersetzte Torfe. Durch den Zusatz von Netzmitteln wird der Kontaktwinkel verkleinert und die Wasseraufnahme und -verteilung im Substrat verbessert.
In der Kultur tritt schlechte Substratbenetzung vor allem dann auf, wenn das Substrat zu Kulturbeginn zu spät befeuchtet wird oder die nachfolgenden Gießintervalle zu lang sind. Die Folgen sind schlechte Wasseraufnahme und -verteilung bei gleichzeitiger Bildung von „Trockentaschen“, schlechte Wurzelbildung in diesen Bereichen und letztendlich vermindertes Pflanzenwachstum. Die vorsorgliche Beimischung von Netzmitteln in Substrate ist bei vielen Substratherstellern daher häufige Praxis und insbesondere bei trockener Kulturführung im Gartenbaubetrieb empfehlenswert.
(1) BOHNE, H. (2006): Physikalische Substrateigenschaften. Gehölzforschung Band 6. Hrsg.: Abt. Baumschule, Institut für Zierpflanzen- und Gehölzwissenschaften, Naturwissenschaftliche Fakultät Universität Hannover.
(2) DIN DEUTSCHES INSTITUT FÜR NORMUNG E. V. (2012): DIN EN 13041 Bodenverbesserungsmittel und Kultursubstrate – Bestimmung der physikalischen Eigenschaften Rohdichte (trocken), Luftkapazität, Wasserkapazität, Schrumpfungswert und Gesamtporenvolumen; Deutsche Fassung EN 13041:1999. Beuth Verlag GmbH, Berlin.
(3) WEVER, G., VAN LEEUWEN, A. A. & VAN DER MEER, M. C. (1997): Saturation and hysteresis of substrates. Acta Hort. 450: 287-296. Int. Soc. Hort. Sci., Leuven.
(4) SCHMILEWSKI, BARTELS und EMMEL, unveröffentlicht
(5) DIN DEUTSCHES INSTITUT FÜR NORMUNG E. V. (2008): DIN EN 13040 Bodenverbesserungsmittel und Kultursubstrate – Probenherstellung für chemische und physikalische Untersuchungen, Bestimmung des Trockenrückstandes, des Feuchtigkeitsgehaltes und der Laborschüttdichte; Deutsche Fassung EN 13040:1999. Beuth Verlag GmbH, Berlin.
(6) VDLUFA VERBAND DEUTSCHER LANDWIRTSCHAFTLICHER UNTERSUCHUNGS- UND FORSCHUNGSANSTALTEN (2000): Handbuch der Landwirtschaftlichen Versuchs- und Untersuchungsmethodik (VDLUFA-Methodenbuch) – Methodenbuch Band II.2 – Die Untersuchung von Sekundärrohstoffdüngern, Kultursubstraten und Bodenhilfsstoffen, Erste Auflage, 2000, mit 1. Ergänzungslieferung, 2008, und 2. Ergänzungslieferung, 2014, VDLUFA-Verlag, Darmstadt.
(7) BLUME, H.-P., BRÜMMER, G.W., HORN, R., KANDELER, E., KÖGEL-KNABNER, I., KRETZSCHMAR, R., STAHR, K. & WILKE, B.-M. (2010): Scheffer/Schachtschabel: Lehrbuch der Bodenkunde. 16. Auflage, Nachdruck 2013; Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg.
(8) NIGGEMANN, J. (1970): Versuche zur Messung der Benetzungsfähigkeit von Torf. Torfnachrichten. 21: 14-18.
(9) SCHWEIKLE, V. (1990): Physik des Torfes und Moorböden. In: Göttlich, K. (Hrsg.): Moor- und Torfkunde. E. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung (Nägele und Obermiller), Stuttgart: 272-283.
(10) MICHEL, J.-C., RIVIÈRE, L.-M., BELLON-FONTAINE, M. N. & AILLERIE, C. (1997): Effects of wetting agents on the wettability of air-dried sphagnum peats. Proc. Int IPS Conf. ‚Peat in horticulture‘ 2-7 Nov., 1997, Amsterdam. Int. Peat Soc., Jyväskylä: 74-79.
(11) FINK, D. H. (1970): Water repellency and infiltration resistance of organic-film-coated soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 34: 189-194.
(12) CHASSIN, P. (1979): Détermination de l’angle de contact acides humiques-solutions aqueuses de diols. Conséquences sur l’importance relative des mécanismes de destruction des agrégats. Ann. Agron. 30: 481-491.
