Der Mythos Humus und die neue Interpretation der organischen Substanz im Boden

Der Boden wurde lange Zeit als eine Art „schwarze Box” betrachtet, in der Pflanzenreste neben der biologischen Zersetzung eine mysteriöse chemische Umwandlung durchlaufen, aus der Humus entsteht, einer der wichtigsten, fast schon magisch anmutenden Bestandteile des Bodens. Die klassische Humustheorie, die auf der chemischen Synthese schwer abbaubarer organischer Stoffe basiert, hat das Denken über den Boden in den letzten zwei Jahrhunderten geprägt. Die Forschungen der letzten Jahrzehnte haben dieses Bild jedoch grundlegend in Frage gestellt.

Nach neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen ist der Humusgehalt des Bodens kein langfristig chemisch stabiler Stoff, sondern eine sich ständig verändernde Ansammlung organischer Verbindungen in unterschiedlichen Zuständen. Diese bestehen zum Teil aus den Überresten abgestorbener Organismen und zum Teil aus mikrobiellen Metaboliten, deren Schicksal entscheidend von ihrer physikalischen Umgebung abhängt: Entweder sind sie für zersetzende Organismen zugänglich oder sie werden durch Einschluss in mineralische Oberflächen oder Aggregate haltbarer.

Dieser Wandel in der Denkweise weist auch in der Bodenbewirtschaftung völlig neue Wege: Der Schlüssel zur Erhaltung der organischen Substanz liegt darin, eine Auflockerung des Bodens so weit wie möglich zu vermeiden, um die Lebensprozesse und die physikalische Struktur des Bodens zu schützen.

Die mikrobiologischen Wurzeln: Der Boden als externes Verdauungssystem

Anne Biklé und David Montgomery (2016) zitierend: Der Boden ist kein eigenständiger Organismus, funktioniert jedoch in vielerlei Hinsicht wie ein externes Verdauungssystem. Die im Boden lebenden Mikroorganismen abreißen und umbauen organische Stoffe, die so zu für Pflanzen verwertbaren Nährstoffen werden.

Die gleiche mikrobielle Logik gilt für den menschlichen Darm, die Wurzeln von Pflanzen und den Boden: Mikroben gewinnen und wandeln Verbindungen um, die für ihre Wirte (Menschen, Tiere oder Pflanzen) lebenswichtig sind. Diese mikrobiomische Sichtweise revolutioniert unser Verständnis vom Boden: Der Stoffwechsel organischer Substanzen im Boden ist untrennbar mit dem Stoffwechsel lebender Organismen verbunden.

Die Zerstörung der Humustheorie

Nach traditioneller Auffassung besteht langlebiger Humus aus großmolekularen, chemisch stabilen Polymeren, die gegen Zersetzung resistent sind und jahrhundertelang im Boden verbleiben. Demgegenüber Markus Kleber und Johannes Lehmann 2015 in Nature veröffentlichte Artikel „Die umstrittene Natur der organischen Bodensubstanz”In ihrer Studie mit dem Titel „” wiesen sie darauf hin, dass es keine überzeugenden Beweise dafür gibt, dass Humusstoffok in dieser Form zu synthetisieren.

Den Autoren zufolge handelt es sich bei den organischen Stoffen im Boden nicht um eine Ansammlung separater, stabiler Verbindungen, sondern um eine Mischung aus sich ständig zersetzenden und umwandelnden organischen Molekülen. Der Schlüssel zur Beständigkeit liegt nicht in der chemischen Widerstandsfähigkeit, sondern darin, dass die organischen Stoffe für zersetzende Organismen physikalisch unzugänglich sind.

Das Boden-Kontinuumsmodell (Soil Continuum Model)

A Lehmann-Kleber-Ansatz entstand die Boden-Kontinuumsmodell, wonach es keine scharfe Grenze zwischen frischer organischer Substanz, Zwischenzuständen und „Humus” gibt. Organische Substanz befindet sich in einem ständigen Wandel und hängt immer davon ab, ob Mikroben Zugang dazu haben oder nicht. Diese Denkweise ersetzt das frühere Paradigma des „stabilen Humus” und vermittelt ein dynamisches, vernetztes Bild der organischen Substanz im Boden.

Physischer Schutz: die Garantie für langlebige organische Materialien

Die Haltbarkeit ist also kein chemischer Zauber, sondern physikalischer Schutz. Jennifer Dungait und Mitarbeiter (2012) haben durch Experimente nachgewiesen, dass das Schicksal organischer Stoffe in erster Linie von der Zugänglichkeit für Mikroben abhängig. Dies kann durch zwei Hauptmechanismen erreicht werden:

1. Mineralische Bindung: Organische Moleküle adsorbieren an der Oberfläche von Tonmineralien und Oxiden, wo sie für Mikroben schwerer erreichbar sind.

2. Einschluss in Mikroaggregaten: In den kleinen Krümeln, die sich in der Bodenstruktur bilden, wird die organische Substanz physikalisch vor den zersetzenden Organismen abgeschirmt.

Dies erklärt, warum das Aufbrechen des Bodens zu einem schnellen Kohlenstoffverlust führt: Der Pflug zerbricht die Aggregate, setzt die bisher geschützte organische Substanz frei, die dann schnell zerfällt und als Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangt.

Wurzeln und Mikroorganismen: Quellen organischer Substanzen

Die Pflanzenwurzeln und Wurzelexudate spielen eine entscheidende Rolle bei der Bildung von langlebigen organischen Stoffen. Lebende Wurzeln geben kontinuierlich organische Verbindungen an den Boden ab, die die Mikroorganismen-Gemeinschaften ernähren. Diese Mikroorganismen bauen die organischen Stoffe ab und werden dann über ihren eigenen Körper und ihre Stoffwechselprodukte in den organischen Stoffvorrat des Bodens eingebaut. In der landwirtschaftlichen Praxis bedeutet dies, dass das Vorhandensein eines ständig lebenden Wurzelsystems (z. B. durch Deckpflanzen) nicht nur den Boden vor Erosion schützt, sondern auch eine kontinuierliche Quelle für organische Stoffe darstellt.

Humus oder organisches Material?

Der in den Bodenuntersuchungsergebnissen angegebene „Humus%-Gehalt” gibt tatsächlich den Gesamtgehalt an organischen Stoffen in der jeweiligen Probe an. In Laboren werden die organischen Kohlenstoffverbindungen im Boden in der Regel mit einer Dichromat-Schwefelsäure-Mischung oxidiert. Die Farbe der Lösung wird kolorimetrisch gemessen, und aus dem Ergebnis wird die Kohlenstoffmenge abgeleitet.

Der erhaltene Wert wird mit einem Multiplikationsfaktor (1,724) multipliziert, der auf einer Annahme basiert: Diese Zahl berücksichtigt auch das ungefähre Verhältnis von Sauerstoff, Wasserstoff und anderen Elementen. Das Verfahren basiert also auf einer starken oxidativen Zersetzung, die alle organischen Stoffe auflöst – sowohl lebende als auch tote.

Wenn wir also auf der Grundlage von Laboruntersuchungen vom „Humusgehalt” sprechen, meinen wir eigentlich den Boden. Prozentualer Anteil der gesamten organischen Substanz schätzen wir. Dazu gehören pflanzliche und tierische Überreste, Mikroorganismen lebende und tote Biomasse, mikrobielle Metaboliten sowie organische Verbindungen, die teilweise an Mineralpartikel gebunden sind oder in den Poren der Aggregate langfristig geschützt werden. Vor diesem Hintergrund wäre es sinnvoll, die Begriffe „Humus” und „organische Substanz” als Synonyme zu behandeln und den Begriff auf alle lebenden und abgestorbenen organischen Bestandteile auszuweiten.

Bodenbeschaffenheitsmodell nach Lehmann und Kleber

Der mikrobielle Ursprung der organischen Substanz im Boden

Ein Großteil der organischen Substanz im Boden, insbesondere die langlebigen organischen Fraktionen, ist mikrobiellen Ursprungs. Die Stoffwechselprodukte der Mikroorganismen, die Zellwände abgestorbener Individuen und ihre Zersetzungsprodukte werden langfristig in die Bodenmatrix eingebaut. Somit stammt die langlebige organische Substanz nicht direkt aus den Pflanzen, sondern wird durch die Lebensaktivität der Mikroben erhalten und spielt eine Schlüsselrolle für die Kohlenstoffspeicherfähigkeit und Fruchtbarkeit des Bodens (Miltner et al., 2012; Dohnalkova et al., 2017).

Was bedeutet das alles in der Praxis?

Die praktische Botschaft der wissenschaftlichen Erkenntnisse ist eindeutig:

‑ Die Störung muss verringert werden. A regenerative Methoden und Direktsaat-Systeme sind von grundlegender Bedeutung.

‑ Ein dauerhaftes Wurzelsystem muss gewährleistet sein. Während und außerhalb der Vegetationsperiode durch Deckpflanzen, abwechslungsreiche Fruchtfolge, Zwischenfrüchte und mehrjährige Komponenten.

‑ Das Bodenleben muss gepflegt werden. Durch das Belassen von Stängelresten, eine permanente Pflanzendecke, eine vielfältige Vegetation, die für vielfältige Photosynthese-Produkte und Wurzelausscheidungen sorgt, sowie durch die Minimierung der chemischen Belastung.

Die Praxis der Vereinigung der Bodenregenerierenden Landwirte zeigt ebenfalls, dass der Verzicht auf Bodenbearbeitung und Unterstützung natürlicher Prozesse Dadurch kann der Gehalt an organischen Stoffen im Boden erhalten und langfristig erhöht werden. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass die regenerative Übungen Dank der Bodenstruktur, der Wasserrückhaltefähigkeit und der Nährstoffverwaltung beginnt sich der Zustand viel schneller zu verbessern, als dass wir eine signifikante Veränderung des Humusgehalts feststellen könnten. Der in Laboruntersuchungen nachgewiesene Humus% gibt den gesamten Gehalt an organischen Stoffen im Boden an, aber um die aktuelle biologische Aktivität des Bodens und seine schnell verfügbaren Kohlenstoffvorräte zu verstehen, lohnt es sich, auch den labilen oder aktiven Kohlenstoff (POXC) zu messen, der schneller auf die Verbesserung der Bodengesundheit reagiert (siehe Kasten unten).

Humusreich wird der mit Dauerbewuchs bedeckte, lebendige, ungestörte Boden.

Humus ist kein magisches, chemisch stabiles Material, sondern ein gemeinsames Produkt der Lebewesen und der physikalischen Struktur des Bodens. Für die Bildung von langlebigen organischen Stoffen sind mikrobielle Aktivität und physikalischer Schutz erforderlich. Diese Erkenntnis eröffnet neue Wege in der Bodenbewirtschaftung: Anstatt mit externen Inputs zu versuchen, „Humus aufzubauen”, müssen wir das Leben im Boden erhalten, seine ungestörte Struktur schützen und die Kontinuität des Wurzelsystems sichern. Denn lebende Pflanzen sind in der Lage, organische Substanzen zu produzieren, die das Leben im Boden nähren und aus denen letztendlich ein Großteil des dauerhaften Humus entsteht.

Wenn wir die oben genannten Grundsätze befolgen, bewahren wir nicht nur den Gehalt an organischen Stoffen in unseren Böden, sondern verbessern langfristig auch den Nährwert unserer Lebensmittel und tragen zur Eindämmung des Klimawandels bei.

Die Stoffwechselprodukte der Mikroorganismen, die Zellwände der abgestorbenen Individuen und die Zersetzungsprodukte werden langfristig in die Bodenmatrix eingebaut.

Aktivkohle – die „schnelllebige” organische Substanz des Bodens

Aktiver Kohlenstoff, auch bekannt als permanganatoxidierbarer Kohlenstoff (POXC), bezeichnet den leicht zugänglichen, mikrobiell aktiven Kohlenstoffanteil im Boden, der schnell auf bodenkultivierende Maßnahmen reagiert. Dieser Begriff wurde 2003 von Ray R. Weil und seinen Mitarbeitern eingeführt, die eine einfache und empfindliche Labor- und Feldmethode zum Nachweis von aktivem Kohlenstoff vorschlugen.

Das Wesentliche dieser Messung besteht darin, dass die Bodenprobe für kurze Zeit (ca. 2 Minuten) einer leichten Oxidation mit Dichromat oder Permanganat unterzogen wird und anschließend die Abnahme der Permanganat-Farbstärke mit einem Spektralphotometer gemessen wird. Dieses Verfahren reagiert nur mit den am leichtesten oxidierbaren, labilen Kohlenstoffformen – dazu gehören frische Pflanzenreste, Wurzelausscheidungen und mikrobielle Metaboliten, die eine direkte Energie- und Nährstoffquelle für die mikrobielle Gemeinschaft im Boden darstellen.

Aktivkohle ist also die „Schnellwährung” des Bodens: Ihre Menge spiegelt schnell die Auswirkungen landwirtschaftlicher Praktiken wider, wie z. B. Bodenbearbeitung, Einsatz von Deckfrüchten oder Rückführung von organischem Material. Es korreliert besser mit der mikrobiellen Aktivität, der Bodenatmung und der Aggregatstabilität als der gesamte Gehalt an organischen Stoffen und dient somit als idealer Indikator für die tägliche Überwachung der Bodengesundheit.

Referenzen

Lehmann, J., & Kleber, M. (2015). Die umstrittene Natur der organischen Bodensubstanz. Nature, 528, 60–68.

Dungait, J. A. J., Hopkins, D. W., Gregory, A. S. & Whitmore, A. P. (2012). Der Umsatz organischer Substanz im Boden wird durch die Zugänglichkeit und nicht durch die Widerstandsfähigkeit bestimmt. Global Change Biology, 18(6), 1781–1796.

Montgomery, D. R., & Biklé, A. (2016). Die verborgene Hälfte der Natur: Die mikrobiellen Wurzeln des Lebens und der Gesundheit. W. W. Norton & Company.

Weil, R. R., Islam, K. R., Stine, M. A., Gruver, J. B. und Samson-Liebig, S. E. (2003). Schätzung der Aktivkohle für die Bewertung der Bodenqualität: Eine vereinfachte Methode für den Einsatz im Labor und im Feld. American Journal of Alternative Agriculture, 18(1), 3–17. https://doi.org/10.1079/AJAA200228

Miltner, A., Bombach, P., Schmidt‑Brücken, B., & Kästner, M. (2012). SOM-Entstehung: Mikrobielle Biomasse als bedeutende Quelle. Biogeochemie, 111(1–3), 41–55. https://doi.org/10.1007/s10533-012-9762-4

Dohnalkova, A. C., Tfaily, M. M., Smith, A. P., Chu, R. K., Crump, A. R., Brislawn, C. J., Varga, T., Shi, Z., Thomashow, L. S., Harsh, J. B., & Keller, C. K. (2017).

Molekulare und mikroskopische Einblicke in die Bildung von organischer Substanz im Boden in der Rhizosphäre der Rotkiefer. Böden, 1(1), 4. https://doi.org/10.3390/soils1010004

Weil, R. R., Islam, K. R., Stine, M. A., Gruver, J. B. und Samson-Liebig, S. E. (2003). Schätzung der aktiven Kohlenstoffmenge für die Bewertung der Bodenqualität: Eine vereinfachte Methode für den Einsatz im Labor und im Feld. Soil Science Society of America Journal, 67(3), 968–979. https://doi.org/10.2136/sssaj2003.9680ResearchGate

AUTORIN: VÍG VITÁLIA • BODENÖKOLOGIN, VERANTWORTLICHE FÜR DAS BILDUNGSPROGRAMM DER VEREINIGUNG DER BODENREGENERIERENDEN LANDWIRTE, GRÜNDERIN VON TERRAVITKA
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