Biostimulanzien: Düngewirkung ohne zu düngen?

Durch die Novellierung der Düngeverordnung und die damit verbundenen Einschränkungen beim Düngemitteleinsatz erfahren Ansätze zur Verbesserung der pflanzlichen Nährstoffausnutzung zunehmendes Interesse. Können auch Biostimulanzien dazu einen Beitrag leisten?

Prof. Dr. Günter Neumann, Institut für Kulturpflanzen­wissenschaften, Universität Hohenheim, Stuttgart

Nach der EU-Düngeprodukte-Ver­ordnung sind Biostimulanzien als „Düngeprodukte ausgewiesen, die pflanz­liche Ernährungsprozesse unabhängig vom Nährstoffgehalt stimulieren und dabei ausschließlich auf verbesserte Pflanzenmerkmale wie effizientere Nährstoffverwertung, Toleranz gegenüber abiotischem Stress oder Qualitätsmerkmale der Kulturpflanze abzielen“. Das heißt, dass diese Produkte in der Regel keine eigene, ­direkte Düngewirkung haben, es sei denn, es handelt sich um Mischprodukte mit Dünger­zusatz, die dann aber in der Kategorie ­Düngeproduktmischungen geführt werden müssen.

Biostimulanzien bilden einen Wachstumsmarkt mit weltweiten Umsätzen von derzeit etwa 3 Mrd. US-$, ­bei jährlichen Wachstumsraten von 12 bis 15 %. ­Anwendungsschwerpunkte liegen in Europa und Nordamerika mit ähnlichen Anteilen im Obst-, Gemüse- und Acker­bau. Den Hauptanteil bilden dabei nichtmikrobielle Bio­stimulanzien wie zum Beispiel Huminstoffe, Algen- und Pflanzen­extrakte, während Produkte auf Basis von Mikroorganismen weniger als 25 % ausmachen.

In diesem Zusammenhang hat das EU-Verbundprojekt Biofector mit Beteiligung von sieben Universitäten, fünf Forschungsinstituten und neun Firmen und Verbänden unter Koordination der Universität Hohenheim über fünf Jahre die Frage untersucht, inwieweit Biostimulanzien in der Lage sind, die Ausnutzung von mineralischen und organischen Düngern zu unterstützen und die abiotische Stresstoleranz von wichtigen Kulturpflanzen (Mais, Weizen, Gerste, Tomate) zu verbessern.

Biostimulanzien: Wirkung in verschiedenen Anbausystemen

Insgesamt wurden mehr als 150 Gewächshaus- und Feldversuche mit 38 verschiedenen kommerziellen Produkten, Neuentwicklungen und Produktkombinationen in elf Ländern durchgeführt.

Bei mehr als 1.100 Behandlungsvergleichen wurden in etwa 30 % der Fälle positive Wirkungen auf Wachstum oder Ertragsbildung nachgewiesen, die in ihrer Ausprägung allerdings stark von den jeweiligen Anwendungsbedingungen beeinflusst wurden.
So zeigten sich im Ackerbau mit unter 10 % weniger deut­liche Effekte als in Gemüsebaukulturen wie ­Tomate (Abb. 1). Vergleichende Versuche mit Mais und Tomate unter kontrollierten ­Bedingungen zeigten, dass es sich dabei weniger um pflanzenartspezifische Effekte, sondern um den Einfluss der Anzuchtbedingungen handelte.

Im Gemüsebau erfolgt die Anzucht zumindest im Jugendwachstum oft unter geschützten Gewächshausbedingungen in kleinen Gefäßen, was geringe Aufwandmengen zur Behandlung erfordert und sich besonders positiv auf die sensible Etablierungsphase mikrobieller Biostimulanzien im Wurzelraum auswirkt.

Im Ackerbau mit Freilandaussaat bestimmen dagegen viele, oft schwer kontrollierbare Faktoren den Erfolg der Wurzel­besiedlung und damit die Wirksamkeit mikrobieller Präparate. Alle Stressfaktoren mit negativen Wirkungen auf die Aktivität der Wurzeln und der beteiligten Mikroorganismen wirken sich hier nachteilig aus, weil die Versorgung der Mikroorganismen mit wurzelbürtigen Kohlenstoffverbindungen beeinträchtigt wird.

Aber auch bei ausreichender Nährstoffverfügbarkeit, wenn keine weitere Verbesserung des Pflanzenwachstums durch zusätzliche Nährstoffaufnahme erreicht werden kann, ist die Wirksamkeit von Biostimulanzien eingeschränkt.
Dagegen können erfolgreich etablierte Interaktionen mit mikrobiellen Biostimulanzien zu einer Verbesserung der Stresstoleranz beitragen. Diese Zusammenhänge sind für die klassischen Symbiosen mit Mykorrhizapilzen oder die Symbiose von Leguminosen mit Knöllchenbakterien schon seit Langem bekannt, gelten so aber auch für die Interaktionen der Pflanze mit anderen mikrobiellen Biostimulanzien.

Gerade im Ackerbau besteht daher für den Einsatz mikrobieller Präparate Optimierungsbedarf bei den Applikationstechniken, die eine effiziente Wurzelbesiedelung mit ökonomischen Aufwandmengen verbinden und sich in bestehende Arbeitstechniken integrieren lassen.

Kostengünstige Saatgutbehandlungen sind mit Ausnahme von Pflanzenschutzanwendungen nach den bisherigen Erfahrungen dafür nur bedingt geeignet. Kombinationen mit Düngemittelplatzierungen könnten hier gerade im ­Hinblick auf effiziente Wurzelbesiedlung bessere Ergebnisse erzielen (Abb. 2, S. 20). Die Saatgutbehandlung ist zwar kostengünstig, aber oft wenig effizient. Als bessere Alternative bietet sich die Bandplatzierung oder Unterfußdüngung an.

Nichtmikrobielle ­Biostimulanzien

Gerade bei den Ackerbaukulturen wurden allerdings besonders vielversprechende Effekte mit nichtmikrobiellen Biostimulanzien wie Algen- und Pflanzenextrakten im Hinblick auf verbesserte Stresstoleranz erzielt. Im Gegensatz zu den mikrobiellen Präparaten können sie flexibler und ein­facher auch in geschlossenen Beständen durch Blattspritzungen eingesetzt werden, während für Bodenmikroorganismen möglichst intensiver Wurzelkontakt erforderlich ist, der sich eigentlich nur durch Einarbeitung erzielen lässt.

So konnten die Kältetoleranz von Mais sowie die Winterhärte und die Frühjahrsentwicklung von Weizen in mehrjährigen Feldversuchen in Nordirland und Deutschland mit profitablen Ertragssteigerungen von 13 bis 16 % verbessert werden. Auch bei Trockenstress und hohen Salzfrachten der Bewässerung wurden in Süditalien ähnliche Schutzwirkungen von Algenextrakten beobachtet.
Ob diese Wirkungen jedoch auch mit signifikanten ­Düngemitteleinsparungen verbunden sind, bleibt zunächst noch eine ­offene Frage. Zumindest für die Kälte­schutz­wirkungen war eine ausreichende Phosphatversorgung essenziell.

Mikrobielle Stickstoff­bindung

Die zentrale Bedeutung bestimmter Bodenmikroorganismengruppen beim N- und P-Umsatz in Böden und damit für die Pflanzenverfügbarkeit dieser Nährstoffe erklärt das Interesse, derartige Mikroorganismen auch als Biostimulanzien einzusetzen. So enthalten zahlreiche Produkte sogenannte diazotrophe Bakterien, die in der Lage sind, Luftstickstoff zu binden und die damit ­ähnlich wie Knöllchenbakterien bei Leguminosen zur Verbesserung der Stickstoff­versorgung und zur Einsparung von Stickstoffdüngern beitragen sollen.

Bereits in mehreren Biofector-Vorgängerprojekten wurde dieser Aspekt für mögliche Anwendungen im Getreideanbau genauer untersucht, wobei übereinstimmend gezeigt ­wurde, dass der direkte Beitrag solcher Biostimulanzien durch die mikrobielle N-Fixierung zur Stickstoffaneignung von Mais und Weizen unter den Klimabedingungen in Mitteleuropa zu vernachlässigen ist.

Deutlichere Effekte wurden in tropischen und subtropischen Klimazonen besonders bei C4-Pflanzen wie Mais und Zuckerrohr gefunden. Das dürfte mit einer besseren Kohlenstoffversorgung durch verstärkte Abgabe von Wurzelabscheidungen, interne Wurzelbesiedlung und intensiveren Umsatz von Kohlenstoffverbindungen im Boden unter diesen Bedingungen im Zusammenhang stehen, wodurch der vergleichsweise hohe Kohlenstoffbedarf bei frei lebenden, diazotrophen Bakterien von bis zu 1 t C pro 1,5 kg N-Bindung besser gedeckt werden kann.

Phosphatmobilisierung durch Bakterien und Pilze

Bis zu 50 % der Bodenbakterien und 0,5 % der Bodenpilze sind auch in der Lage, schwer verfügbare Bodenphosphate zu mobilisieren, und bilden daher eine weitere wichtige Gruppe mikrobieller Biostimulanzien, die im Rahmen des Biofector-Projektes mit 14 Produkten in acht Ländern bei Mais, Weizen, Gerste und ­Tomate untersucht wurde.

Überraschenderweise war die Anwendung solcher Phos­phat lösender Mikroorganismen bei einem Angebot schwer löslicher Phosphate in Form von Rohphosphat, Aschen und Schlacken ­in der Regel völlig wirkungslos, ­obwohl alle getesteten Stämme in Labortests zur ­P-Lösung in der Lage waren. Eine verbesserte Düngerausnutzung wurde in diesen Fällen nur dann erreicht, wenn die mikrobiellen Biostimulanzien in Kombination mit stabilisierten Ammoniumdüngern angewendet wurden. Die Phosphatlösung kam hier dann allerdings hauptsächlich durch die ansäuernde Wirkung der Ammoniumdüngung über die Wurzeln zustande. Direkte P-Mobilisierung durch die verwendeten Mikroorganismen wurde nur in Ausnahmefällen auf sehr leichten Sandböden mit geringer pH-Pufferung beobachtet.

­Ammonium förderte auch die mikrobielle Wurzelbesiedlung sowie die Produktion wachstumsstimulierender Hormone, was letztendlich die Nährstoffaufnahme allgemein durch verbessertes Wurzelwachstum begünstigte. Unter Feld­bedingungen wurde in erster Linie das Jugendwachstum gefördert, und Ertragseffekte waren nur in den Fällen nachweisbar, in denen auch eine mineralische P-Düngung ertragswirksam war.

Niedrige P-Gehaltsklassen der jeweiligen Böden allein waren hier nicht aussagekräftig, weil sie eine mögliche P-Nachlieferung durch Mineralisierung nicht berücksichtigen. Ein Beitrag zur ­Mobilisierung schwer löslicher mineralischer Phosphate zur Förderung des Pflanzenwachstums scheint also entgegen der landläufigen Meinung bei mikrobiellen Biostimulanzien nicht weit verbreitet zu sein. Das wird auch durch eine 2017 veröffentlichte Übersichtsstudie gestützt, die 171 wissenschaftliche Publikationen zu diesem Thema ausgewertet hat, wonach positive Effekte durch P-lösende Mikroorganismen besonders bei einem moderaten Angebot an löslichem Phosphat auftraten, was ebenfalls eher für eine Wirkung durch verbessertes Wurzelwachstum spricht als für eine Mobilisierung schwer löslicher Phosphate.

Biostimulanzien: Nutzung organischer ­Dünger

Bei der Nutzung organischer Dünger ergab sich ebenfalls eine unerwartete Selektivität der Wirksamkeit von Biostimulanzien. Die deutlichsten Effekte zeigten sich bei Mikroorganismenpräparaten in Kombination mit organischen Düngern auf Stallmist-, Guano-, Haar-, Feder-, Fleisch- und Knochenmehlbasis (Abb. 3).

Im Tomatenanbau ­wiesen diese Kombinationen profitable ­Ertragssteigerungen von 15 bis 40 % in drei Versuchsjahren in Rumänien und Ungarn auf (Abb. 4 und 5). Dabei wurden neben dem Ertrag auch Qualitätsfaktoren wie Fruchtgrößenverteilung oder Gehalte an Zuckern und organischen Säuren positiv beeinflusst. Wachstumseffekte waren oft schon in der Vorkultur nachweisbar. Die durch die organische Düngung zugeführten Stickstoffmengen lagen dabei mit 60 bis 260 kg/ha im Bereich, der für die Vorgaben der Düngeverordnung (170 kg N/ha) relevant wäre, die dadurch bedingten P-Einträge allerdings höher.

Auch für die organische Düngung von Mais mit Schweinegülle wurden unter Feldbedingungen entsprechende Effekte beobachtet, die jedoch deutlich schwächer ausgeprägt und durch den geringeren Marktpreis des Maises auch nicht mehr kostendeckend waren.

Flexible Kombinationspräparate

Bei vielen Biostimulanzien wird zunehmend auch auf Kombinationspräparate gesetzt, die durch unterschiedliche Komponenten verschiedene positive Eigenschaften kombinieren und so die Flexibilität im Hinblick auf unterschiedliche Stressfaktoren erhöhen und sich in ihrer Wirkung ergänzen oder ­sogar verstärken sollen. Das reicht von Kombinationen unterschiedlicher Mikroorganismen-stämme, Kombinationen von mikrobiellen und nichtmikrobiellen Biostimulanzien auch mit Mikronährstoffen zur Erhöhung der Stresstoleranz bis hin zu sogenannten Konsortienprodukten, die ganze Mikroorganismengemeinschaften mit unterschiedlichen förderlichen Eigenschaften umfassen und die häufig durch Fermentation komplexer ­organischer Substrate vermehrt werden, wie ­zum Beispiel die Gruppe der sogenannten Effektiven Mikroorganismen (EM).

Es wurden über zwei Jahre vergleichende Praxis­versuche im Gewächshaustomatenanbau durchgeführt mit organischer Düngung und pilzlichen sowie bakteriellen Einzelprä­pa­raten, Kombinationen und auch einem neu entwickelten Konsortiumprodukt, bestehend aus 16 verschiedenen Mikroorganismenstämmen mit potenziell Nährstoff mobilisierenden, N fixierenden, wurzelwachstumsfördernden und gesundheitsfördernden Eigenschaften. Es zeigten sich zwar deutliche, aber bei allen Präparaten sehr ähnliche fördernde Wirkungen auf die Jugendentwicklung, die Ertragsbildung und die Fruchtgrößenverteilung (Abb. 5). Ein Vorteil der Konsortien war unter den geschützten Gewächshausbedingungen nicht nachweisbar.

Dagegen war beim Anbau von Freiland­tomaten durch israelische Projektpartner in der Negev-Wüste unter deutlich extremeren Umweltbedingungen mit Wasserver­sor­gung nur durch Tröpfchenbewässerung bei geringer Phosphatverfügbarkeit und -düngung von 0 bis 12,5 kg/ha ein deutlicher Vorteil des Konsortiumproduktes erkennbar, jedoch bei einem deutlich nie­dri­geren Ertragsniveau von 37 bis ­46 t/ha, was für eine verbesserte Schutzwirkung ­unter Stressbedingungen sprechen würde.

Allerdings konnten mit Ausnahme der Förderung des Wurzelwachstums viele der ­postulierten Wirkmechanismen von Konsortiumprodukten wie zum Beispiel ­Förderung der N­ährstoffumsetzungen im Wurzelraum­, Phosphatmobilisierung oder Etablierung nützlicher Mikroorganismengesellschaften in gestörten Böden nicht bestätigt werden.

Fazit

Die Nutzung von Biostimulanzien kann unter bestimmten Bedingungen zu einer verbesserten Nährstoffnutzung beitragen. Im Sinne der Düngeverordnung könnte hier die Anwendung von mikrobiellen Produkten in Verbindung mit Wirtschafts- und Recyclingdüngern tierischer Herkunft besonders im Gemüsebau von Interesse sein.

Bei reinen Ackerbaukulturen sind die Wirkungen jedoch noch zu variabel, um hier ­einen planbaren Beitrag für eine Dünge­strategie leisten zu können, und durch ­geringere Marktpreise oft auch nicht profitabel. Viele der für Biostimulanzien postulierten ­Wirkmechanismen konnten nicht ­bestätigt ­werden. In der Mehrzahl der Fälle handelte es sich um Wechselwirkungen mit dem pflanzlichen Hormonstoffwechsel, die sich auf Wachstumsprozesse, Wurzelentwicklung und die Ausbildung von Stressanpassungen auswirkten.