In Zusammenarbeit mit: Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V.
05.08.2020

Mit Silizium gegen die Dürre

Boden Bodenfruchtbarkeit Klimafolgen Klimawandel Landwirtschaft Nachhaltigkeit
Oben: trockenes Silikat, unten: gewässertes Silikat. © Hendrik Schneider | ZALF
Oben: trockenes Silikat, unten: gewässertes Silikat. © Hendrik Schneider | ZALF

Text: HEIKE KAMPE

Die vergangenen Dürrejahre haben es eindrucksvoll gezeigt: Auch in Mitteleuropa kann der Niederschlag so knapp werden, dass die Ernte gefährdet ist. Landwirtinnen und Landwirte entwickeln neue Bewässerungsstrategien oder suchen nach trockenresistenten Sorten. Der ZALF-Forscher Jörg Schaller betrachtet das Problem von einer ganz anderen Seite. Im Mittelpunkt seiner Arbeit steht der Agrarboden. Und ein Stoff, den man nahezu unbegrenzt herstellen kann: Amorphes Silikat steigert die Fähigkeit des Bodens, Wasser zu speichern und wirkt sich positiv auf die Verfügbarkeit von Nährstoffen aus. Eine Silikatdüngung könnte schon in wenigen Jahren gleich mehrere Probleme der modernen Landwirtschaft lösen.

Was tun gegen die Trockenheit?

Eigentlich wünscht sich ein Forscher, der landwirtschaftliche Systeme untersucht, keine lang andauernde Trockenheit. Bei Jörg Schaller ist es in diesem Jahr ausnahmsweise anders. Er hat einen Feldversuch gestartet, bei dem der ausgesäte Sommerweizen möglichst wenig Regen abbekommen soll. Schaller möchte beobachten, wie sich seine Pflanzen dann entwickeln. In den Boden seiner Versuchsfelder am Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e. V. in Müncheberg hat er mit seinem Team eine Substanz eingearbeitet, die den Pflanzen in den Trockenphasen helfen soll. Aber die erhofften Unterschiede zu den Kontrollflächen wird er nur beobachten können, wenn es kein feuchter Sommer wird.

Das “Wundermittel” des Biogeochemikers ist sogenanntes „amorphes Silikat“ – ein Sammelbegriff für viele verschiedene Verbindungen, deren Kern aber immer Silizium ist. Neben Sauerstoff ist Silizium das zweithäufigste Element innerhalb der Erdhülle. Aus der Industrie ist es besonders durch die Herstellung von Solarzellen bekannt. Während Solarsilizium aufwendig aufbereitet werden muss, sind Schallers Forschungsobjekte natürlich vorkommende amorphe Silikate im Boden. Die mikrometergroßen Komplexe aus Silizium, Sauerstoff und Wassermolekülen haben in der Forschung bisher wenig Beachtung gefunden, sind aber für den Nährstoff- und Wasserhaushalt von Pflanzen enorm wichtig, wie aktuelle Studien zeigen.

Dr. Jörg Schaller arbeitet am ZALF in der Arbeitgruppe »Silizium-Biogeochemie«. © Hendrik Schneider | ZALF

Die Landwirtschaft unterbricht den natürlichen Silikat-Kreislauf

„Natürliche, wenig beeinflusste Böden enthalten sechs bis sieben Prozent amorphes Silikat“, erklärt Schaller. Pflanzen reichern diese hochreaktiven Siliziumverbindungen, die aus der Verwitterung von Gestein entstehen, als sogenannte Pflanzenopale in ihren Stängeln und Blättern an. Hier verleihen sie Stabilität und wehren auch Fraßfeinde ab. „Wenn Sie sich schon einmal an Schneidegras geschnitten haben, wissen Sie, was ich meine“, sagt Schaller. In natürlichen Systemen gehen die Verbindungen wieder in den Boden über, sobald die Pflanze abstirbt und verrottet.

Auf landwirtschaftlich genutzten Flächen ist dieser Kreislauf unterbrochen. Vor allem Getreide nimmt große Mengen Kieselsäure über die Wurzeln aus dem Boden auf und lagert diese als amorphe Silikate in der Biomasse ein. Mit der Ernte verschwindet ein Teil davon aus dem Kreislauf und dem Boden – jedes Jahr ein kleines bisschen. Agrarböden, die seit Jahrzehnten oder Jahrhunderten genutzt werden, verarmten allmählich. Heute besitzen sie nur noch einen Bruchteil des ursprünglichen Gehalts an amorphem Silikat – meist weniger als ein Prozent.

Oben: trockenes Silikat, unten: gewässertes Silikat. © Hendrik Schneider | ZALF

Wasserspeicher und Nährstofflieferant

Welche Folgen das für den Nährstoff- und Wasserhaushalt hat, untersucht Jörg Schaller mit seinem Team in mehreren, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekten – mit überraschenden Ergebnissen. „Es gibt inzwischen viele Studien, die zeigen, dass Pflanzen besser wachsen, wenn mehr amorphes Silikat im Boden vorhanden ist“, erklärt er. Bisher habe man das allerdings darauf zurückgeführt, dass sich Prozesse wie Photosynthese oder Aufnahme von Nährstoffen in den Pflanzen verändern. „Nun konnten wir zeigen, dass es tatsächlich die Bodeneigenschaften sind, auf die es ankommt“, sagt Schaller.

Auch Jörg Schaller hat sich in jahrelanger Forschung vom System Pflanze über die Gewässer bis hin zum Boden vorangetastet, um der komplexen Wirkungsweise der Silikate in Agrarlandschaften auf den Grund zu gehen. In seinen Labor- und Freilandversuchen konnte der Forscher zunächst nachweisen, dass amorphes Silikat im Boden einen wichtigen Pflanzennährstoff mobilisieren kann: Phosphor wird jedes Jahr tonnenweise auf die Felder gebracht. Ein großer Teil des Nährstoffs bindet aber fest an Bodenpartikel und ist damit für die Pflanzen nicht erreichbar. Amorphes Silikat löst den Stoff aus seiner festen Bindung – und macht ihn damit für Pflanzen verfügbar.

Das ist jedoch nicht der einzige Effekt der Siliziumverbindungen. Vor allem die Fähigkeit zur Wasserspeicherung verblüffte die Forschenden. Wie ein Schwamm zieht amorphes Silikat Wassermoleküle an, die sich in einer Gelhülle um den Silikatkern anlagern. „Wenn die oberen 20 Zentimeter der Bodenschicht ein Prozent mehr Silikat haben, haben wir 40 Prozent mehr pflanzenverfügbares Wasser“, beschreibt Jörg Schaller das Ergebnis erster Versuche. In einer Dürreperiode könnte dieses zusätzliche Wasser für die Pflanze bis zum nächsten Regenguss lebenserhaltend sein und Ernteverluste mindern. „Das macht schon einiges aus“, sagt Schaller.

Mindestens ebenso bedeutend sei aber die beobachtete Nährstoffmobilisierung. Die Bodenchemie dahinter ist komplex: Die sich aus den Silikatverbindungen lösende Kieselsäure kann an Bodenminerale binden und die hier festsitzenden Phosphatmoleküle verdrängen. Das freiwerdende Phosphat kann dann als Pflanzennährstoff über die Wurzeln aufgenommen werden.

Auf einem Versuchsfeld des ZALF wird das Silikat zur Versuchszwecken in den Boden eingearbeitet. © Jörg Schaller | ZALF

Von der Forschung in die Praxis

Jörg Schaller schätzt das Potenzial dieses Effekts als enorm ein: Die Phosphordüngung könnte damit für Jahrzehnte überflüssig werden. „Gerade in eisenreichen Böden sind unheimlich große Phosphormengen gespeichert“, betont der Forscher. Angesichts weltweit schwindender Phosphorvorkommen könnte die Silikatdüngung eine wirkungsvolle Alternative zur bisherigen Praxis sein. Für seine Versuche hat Schaller es als feines Pulver eingekauft. Da es in der Industrie ein Basisstoff für Lacke oder Farben ist, stellenweise sogar als Abfallprodukt anfällt, ist es leicht zu beschaffen. „Es kann aus vielen Siliziummineralen hergestellt werden, zum Beispiel Sand, und ist damit sehr gut verfügbar“, erklärt der Forscher.

Einen Haken gibt es aber dennoch. Wird zu viel amorphes Silikat aufs Feld gebracht, könnten große Mengen Nährstoff in kurzer Zeit freigesetzt werden. Im ungünstigsten Fall werden die Nährstoffe ausgewaschen und gelangen in Gewässer, wo dann Massenvermehrungen von Algen drohen. „Hier brauchen wir noch viel Forschung, welche Mengen bei welchen Bodenarten und Pflanzen sinnvoll sind“, sagt Jörg Schaller, der noch auf der Suche nach der richtigen Balance in diesem System ist. In jedem Fall ist die Siliziumdüngung eine einmalige Maßnahme, um die Bodenvorräte wieder aufzustocken. Einmal in den Boden gebracht, sollten die Effekte der Düngung einige Jahrzehnte andauern.

Der Sommerweizen auf den Versuchsfeldern des ZALF soll dazu nun erste Daten liefern. Jörg Schaller erhält inzwischen schon Anfragen aus der Landwirtschaft, wo händeringend nach Lösungen vor allem gegen die zunehmenden Trockenperioden gesucht wird. „Es sind große Themen der Landwirtschaft, wenn nicht sogar die größten dieser Zeit“, sagt er. Die Erwartungen muss er trotzdem noch etwas dämpfen: „Wir haben sehr viel Weg vor uns, bevor wir tatsächlich Handlungsempfehlungen geben können und die Methode in die Praxis gehen kann. Aber in fünf Jahren rechne ich mit ersten Anwendungen.“

Erschien zuerst im: querFELDein-Blog
Institution: Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V.
Ansprechpartner/in: Jörg Schaller

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