Hydrokulturdünger sind spezielle Pflanzendünger, die für die Hydrokultur und Hydroponik benutzt werden. Sie sind notwendig, um die Pflanzen im künstlichen Umfeld zu schützen und mit allen essentiellen Nährstoffen zu versorgen. Die Zusammensetzung von Hydrokulturdüngern unterscheidet sich in der Vielfalt der chemischen Substanzen von konventionellem Dünger für Erdkulturen. Pflanzen, die in Erdböden kultiviert werden, benötigen andere Düngergemische.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, in der Hydrokultur Pflanzen zu düngen:
mit flüssigem anorganischen Volldünger, dieser wird in Großanlagen auf Basis der Leitfähigkeitsmessung des Wassers automatisch zudosiert. Durch Düngesalzfreisetzung aus festem Ionenaustauscher-Granulat. Aufschlämmung von organischem Dünger oder Zusatz solcher Nährstofflösungen. eine Humus- oder Kompostschicht, die bei Ebbe-Flut-Systemen auf die oberste Substratschicht aufgebracht wird und nur bei Düngerbedarf von oben gewässert wird. sogenannter Wurmtee oder aktiv belüfteter Komposttee (AACT, actively aerated compost tea),Matt LeBannister: With a Little Help From Your (Many) Friends: Beneficial Microbe Populations in the Indoor Garden eine wässrige Lösung der Kotausscheidungen von Kompostwürmern in der Spezialform Aquaponik durch die Kotausscheidungen und Futtermittelreste der gehaltenen Fische.
Notwendigkeit Pflanzen nehmen nach Bedarf selektiv Mineralien auf. Durch die selektive Aufnahme ändert sich das chemische Gleichgewicht zwischen Kationen und Anionen. Durch Verschiebung des chemischen Gleichgewichts ändert sich der pH-Wert sehr rapide. Verschiebt sich der pH-Wert zu sehr in eine Richtung, kann die Pflanze aufgrund des Membranpotentials nicht mehr alle Ionen aufnehmen. Außerdem veranlasst ein erhöhter pH-Wert die Salzbildung bestimmter Nährstoffe (Niederschlagsreaktion). Die Nährstoffe sind dann nicht mehr verfügbar für die Pflanzen. Dies führt schnell zu Mangelerscheinungen. Böden fungieren als Puffer für das Gleichgewicht des pH-Wertes. Sie sind Kationenaustauscher und halten so den pH-Wert aufrecht. Hydrokulturdünger verwenden deswegen chemische Puffer.
Pflanzen benötigen Makronährstoffe (wie Stickstoff, Kalium, Phosphor, Calcium, Magnesium, Schwefel, Nitrat) in erhöhter Konzentration um lebenswichtige Stoffwechselprozesse aufrechtzuerhalten und essentielle Mikronährstoffe wie Eisen, Zink, Kupfer, Mangan, Bor, Molybdän, Nickel, Chlorid, Aluminium, Silizium und Titan in sehr geringer Konzentration um spezifische Stoffwechselprozesse aufrechtzuerhalten. Des Weiteren sind Spurenelemente wie Cobalt, Natrium, Vanadium, Lithium bei bestimmten Pflanzen von Vorteil.
Einflüsse auf Pflanzen wurden auch für folgende chemische Elemente nachgewiesen:Nährstoffe, private Website des verstorbenen Agrarjournalisten Rainer Maché. Arsen, Cer, Chrom, Fluor, Gallium, Germanium, Jod, Lanthan, Mangan, Natrium, Rubidium, Selen, Titan und weitere.
Böden enthalten von Natur aus genug Spurenelemente. In Hydrokulturdünger werden alle notwendigen Mikronährstoffe deshalb zugesetzt.
Bei Hydroponik-Systemen ist es wichtig, die Ursache von etwaigen Wasserverlusten zu erkennen. Wasserverlust durch Verdunstung erfordert lediglich Ergänzung mit Frischwasser, Wasserverlust durch Lecks führt zugleich zu Verlust an Nährstoffen, deren Gehalt bei Wasserzufuhr ergänzt werden muss.
Chemische Puffer
Bei der Wurzelatmung entsteht Kohlenstoffdioxid, das mit dem Gießwasser chemisch zu Kohlensäure reagiert (wobei sich ein Gleichgewicht einstellt):
Im Umlaufwasser der Hydroponik liegt das Gleichgewicht, abhängig vom pH-Wert eher auf Seite der freien Hydrogenkarbonationen (siehe dazu Kohlensäure#pH-Indikation Wasser). Gebildete Hydrogencarbonationen reagieren mit Wasser weiter
Freie Kohlensäure wirkt dadurch wie eine schwache Säure. Im Umlaufwasser senkt die Kohlensäure den pH-Wert. In Boden reagiert die Kohlensäure mit Kalksteinen weiter zu Calciumhydrogencarbonat (auch „Bicarbonat“ genannt) (Details siehe Karst#Verwitterung):
Eine chemische Puffersubstanz bewirkt nun, dass sich der pH-Wert bei Zugabe einer Säure (oder einer Base) wesentlich weniger stark ändert, als dies in einem ungepufferten System der Fall wäre. Die Menge an Säure oder Base, die von einem Puffer ohne wesentliche Änderung des pH-Werts abgefangen werden kann nennt man Pufferkapazität, im Boden Austauschkapazität.
Im konkreten Fall wird der Düngerlösung beispielsweise eine Puffersubstanz (Carbonate oder eine Substanz, die zugleich Metallionen als Chelat in Lösung hält) zugesetzt. Enthält das Wasser zu viele Protonen (weil es zu sauer ist), dann bindet die Puffersubstanz ein Proton und das Reaktionsgleichgewicht wird zur Kohlensäure verschoben, es bildet sich Kohlensäure. Diese zerfällt zu Wasser und Kohlenstoffdioxid (CO2) und das CO2 gast in die Luft aus (siehe dazu auch Kohlensäure-Bicarbonat-System). Alle Düngesalze einer starken Säure mit einer schwachen Base oder starken Base mit einer schwachen Säure wirken als Puffersubstanzen, zum Abpuffern der Kohlensäure wird ein Salz einer starken Base mit einer schwachen Säure verwendet (siehe dazu auch das Kapitel „chemische Grundlagen“ im Artikel chemischer Puffer).
Eine pH-Wert-Anhebung erfolgt auch bei der mikrobiellen Oxidation von Ammonium zu Nitrat (darum sollte Hydrokulturdünger keinen Stickstoffdünger auf Ammoniumsalzbasis enthalten):
NH4+ + 2O2 ↔ NO3− + 2H+ + H2O.
Ein zu hoher pH-Wert des Umlaufwassers kann in emersen Systemen wie der Hydrokultur auch zu oxidativem Stress infolge Eisentoxizität führenUlrich Eckhardt: Untersuchungen zur Eisenassimilation in Pflanzen. Diss., Humboldt-Universität, Berlin 2000. mit chloroseähnlichen Symptome an Blättern (Gelbfärbung).
In Nährlösungskultur wird das Streckungswachstum von Wurzeln bei pH-Werten unter 4 und bei zu hohen pH-Werten gehemmt (mit Unterschieden bei verschiedenen Pflanzenarten). Stickstoffversorgung mit NO3− führt dabei zu einer Alkalisierung und mit NH4+ zu einer Ansäuerung der RhizosphäreWolfgang Merbach: Pflanzenernährung, Wurzelleistung und Exsudation. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-663-01125-5, S. 74 ()..
Siehe dazu auch Auswirkungen des pH-Wertes auf das Wachstum von Pflanzen und Nährstoffverfügbarkeit in Abhängigkeit vom Boden-pH.
Komplexbildner Eisen-, Mangan-, Zink- und Kupferionen werden in sauerstoffangereichertem Wasser schnell oxidiertChelates in hydroponic solutions, dadurch wird die Aufnahmefähigkeit für Pflanzen verringert. Dies ist besonders bei Eisen wichtig, dessen Mangel eine Ursache für Chlorose (Gelbfärbung der Blätter) sein kann. Um solche Metallverbindungen, die ansonsten aufgrund der Sauerstoffoxidation oder des pH-Werts (als Hydroxide) ausflocken würden, fix gebunden in Lösung zu halten, werden daher Chelatbildner oder deren Verbindungen mit beispielsweise Eisen, Mangan, Kupfer oder Zink zugesetzt.New Moon Publishing, Inc.: The Best of The Growing Edge International, 2000–2005. New Moon Publishing, Inc., 2005, ISBN 978-0-944557-05-1, S. 182 ().
Beispiele von solchen Komplexbildnern: EDTA DTPA HEDTA/HEEDTA (HydroxyEthylEthyleneDiamineTriaceticAcid) HBED (hexadentate phenolic aminocarboxylate = N, N-bis(2-hydroxybenzyl)ethylenediamine-N,N-diacetic acid) Fulvosäuren Phytinsäure Citronensäure oder Citrate Tartrate Huminsäuren und andere Chelatkomplexbildner
Manche der Eisenchelatkomplexe der oben angeführten Komplexbildner sind abhängig vom pH-Wert stabil oder instabil, deshalb ist der pH-Wert der fertigen Nährlösung oder des Bodens essenziell wichtig für die Eisenaufnahmefähigkeit der PflanzenL.L.Barton, J.Abadía (Herausgeber): Iron Nutrition in Plants and Rhizospheric Microorganisms, Springer, Dordrecht, 2007, ISBN 978-1-4020-4742-8. Für die Pflanzenaufnahme der (Spuren)Elemente Eisen, Kupfer, Mangan, Bor und Zink ist ein pH-Bereich zwischen pH 5 und 6 der Beste.
EDTA wird eher Düngern für Erdsubstrate zugesetzt, es hat hohe Affinität (Bindungswilligkeit) zu Calcium (und hält dann Calcium in Lösung). DTPA wurde Standard für Hydrokulturdünger in Europa, die Ökotoxizität ist weitgehend unerforschtGeorge W. Ware: Reviews of Environmental Contamination and Toxicology. Springer Science & Business Media, 2012, ISBN 978-1-4612-1964-4, S. 99 ()..
Lösliche Huminstoffe kommen in der Natur in Humusböden, Torf, Leonardit und Braunkohle vor. Sie vermindern die Toxizität von Eisen, denn sie halten das Eisen als Eisen(II)-Komplex gebunden, dadurch sinkt aber auch die Bioverfügbarkeit des EisensVUORINEN, P. J., KEINÄNEN, M., PEURANEN, S. & TIGERSTEDT, C. (1999): Effects of iron, aluminium, dissolved humic material and acidity on grayling (Thymallus thymallus) in laboratory exposures, and a compari-son of sensitivity with brown trout (Salmo trutta); Boreal Environment Research 3: 405–419, Helsinki 19. Januar 1999; zitiert in: Rainer Kruspe, Jürgen Neumann, Michael Opitz, Susanne Theiss, Wilfried Uhlmann, Kai Zimmermann: Fließgewässerorganismen und Eisen – Qualitative und quantitative Beeinflussungen von Fließgewässer-organismen durch Eisen am Beispiel der Lausitzer Braunkohlenfolgelandschaft; Schriftenreihe, Heft 35/2014; Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie, Freistaat Sachsen; Seite 53; (PDF-Datei).
Anorganische Dünger Jeder wässrige Hydrokulturdünger ist ein Volldünger bei dem alle genannten Nährstoffe künstlich zugegeben werden. Deshalb wurden seit den 1950er Jahren unterschiedliche Formeln und Ansätze entwickelt.
Name des Ions Formel Konzentrationsanteil in der Lösung [%] Nitrat NO3− 50 bis 70 Hydrogenphosphat H2PO4− 3 bis 20 Sulfat SO42− 25 bis 40 Kalium K+ 30 bis 40 Calcium Ca2+ 35 bis 55 Magnesium Mg2+ 15 bis 30
Die Dosierungsangaben von flüssigen anorganischen Hydrokulturdünger befinden sich bei allen Produkten auf den Verpackungen.
Üblicherweise wird bei Mehrstoffdüngern das Verhältnis der Kernnährstoffe Stickstoff (N), Phosphor (P) und Kalium (K) in % der handelsüblichen Bezugsbasis als „NPK-Wert“ angegeben, zum Beispiel (13/13/21). Diese Angabe bedeutet, dass der Dünger 13 % N; 13 % P2O5; 21 % K2O enthält, siehe dazu auch NPK-Dünger. Die Düngemittel können auch andere chemische Verbindungen von Stickstoff, Phosphor und Kalium enthalten (beispielsweise Kaliumsulfat, Kaliumchlorid oder bestimmte Phosphate), die Gehalte der drei Grundnährstoffe werden aber immer standardisiert auf „N“, „P2O5“ und „K2O“ bezogen und dazu umgerechnet und so angegeben. So können unterschiedliche Dünger besser verglichen werden.
Ionenaustauscher-Granulat Ionenaustauscher-Granulate sind feste Spezialdünger (NPK Volldünger) für die langzeitige Nährstoffversorgung in einer Hydrokultur. Diese versorgen die Pflanze mit einer einmaligen Düngung über mehrere Monate. Sie bestehen aus Kunstharz-Granulaten, welche mit Salzen (Nitrate, Phosphate und Kaliumsalze) beladen sind. Außerdem enthalten sie auch die notwendigen Mikronährstoffe.
Bei Zugabe von üblichem Leitungswasser wird das Ionenaustauscher-Granulat aktiviert. Es nimmt dann natürlich enthaltene Salze aus dem Leitungswasser auf und gibt im Tausch im Harz geladene Nährsalze ab. Die Salze lösen sich über einen langen Zeitraum auf (abhängig von der Nährstoffaufnahme der Pflanze), wobei die Nährstoffkonzentration im Gleichgewicht bleibt. Dies gewährleistet eine milde und langanhaltende Abgabe von Nährstoffen in einer pflanzenverträglichen Konzentration.
Das Kunstharz fungiert nicht nur als Träger für die Nährsalze. Es ist zusätzlich ein Puffer, um den pH-Wert stabil zu halten. Er löst sich nicht auf, sondern lässt nur verbrauchtes Kunstharz-Granulat zurück.
Organische Dünger Organische Düngemittel werden oft als Ergänzung zu anorganischem Hydrokulturdünger benutzt, denn anorganischer Dünger ist teurer.
Organische Dünger werden hauptsächlich aus Tiermehl, Asche von Pflanzen oder Tierknochen, Dung von Masttieren und industriellen Pflanzenabfällen hergestellt.
Der ausschließliche Einsatz von organischem Dünger ist jedoch mit einigen Nachteilen verbunden: