Der Stickstoffkreislauf im Boden: Was im Lehrbuch nicht steht

Der Stickstoffkreislauf im Boden: Was im Lehrbuch nicht steht

Man bringt Stickstoff aus. Die Pflanzen nehmen etwa die Hälfte davon auf. Der Rest verschwindet irgendwohin, wo man ihn nie sieht und wofür man nie bezahlt wird. Diese Lücke ist kein Pech – sie ist fest in der Version des Stickstoffkreislaufs verankert, die den meisten von uns beigebracht wurde.

Was ist der Stickstoffkreislauf im Boden?

Der Stickstoffkreislauf im Boden umfasst die Gesamtheit der Umwandlungsprozesse, durch die Stickstoff zwischen der Atmosphäre, der organischen Substanz im Boden, Mikroorganismen, dem Bodenwasser und den Pflanzenwurzeln zirkuliert. Durch die Fixierung wird Stickstoff eingebracht. Bei der Mineralisierung wird organische Substanz in Ammonium zerlegt. Durch die Nitrifikation wird dieses Ammonium in Nitrat umgewandelt. Anschließend nehmen die Pflanzen auf, was sie können, und der Rest wird durch Auswaschung, Denitrifikation und Verflüchtigung abtransportiert. Die FAO veröffentlicht nun für jedes Land Nährstoffbilanzen für Ackerflächen, gerade weil diese Ströme groß genug sind, um die Wasserqualität und Klimadaten zu beeinflussen.

Warum wird im Lehrbuch zum Stickstoffkreislauf der organische Stickstoff nicht berücksichtigt?

Denn während des größten Teils des 20. Jahrhunderts ging die Pflanzenwissenschaft davon aus, dass Wurzeln ausschließlich mineralischen Stickstoff verwerten könnten. In diesem Schema wurden Mikroben als unverzichtbare Vermittler in den Mittelpunkt gestellt: Nichts gelangte zur Wurzel, bevor Bakterien es nicht zu Ammonium oder Nitrat abgebaut hatten. Diese Annahme hielt sich, bis Forscher nachwiesen, dass Pflanzen intakte Aminosäuren direkt aus dem Boden aufnehmen und dabei die vollständige mikrobielle Mineralisierung umgehen (Näsholm et al., 2009). Schmidt (2014) ging noch einen Schritt weiter und argumentierte, dass der organische Stickstoffpool – und nicht Nitrat – in den meisten Böden die vorherrschende Stickstoffquelle ist. Das Lehrbuch lag chemisch gesehen nicht falsch. Es lag bei der Darstellung der Abläufe falsch.

Wie viel von dem ausgebrachten Stickstoff gelangt tatsächlich zur Kulturpflanze?

Etwa die Hälfte, und diese Zahl hat sich in fünfzig Jahren kaum verändert. Eine Analyse der Ernteerträge und Stickstoffeinträge in 124 Ländern ergab eine weltweite Stickstoffnutzungseffizienz von etwa 47 % (Lassaletta et al., 2014). Mehr als die Hälfte des Stickstoffs, der auf Ackerflächen ausgebracht wird, geht in Luft, Wasser und Boden verloren, anstatt in den Ertrag einfließen. Wenn man einen Sack Stickstoff auf den Boden schüttet, kann man davon ausgehen, dass die Hälfte davon in den Ertrag einfließt und die andere Hälfte zum Problem für andere wird.

Wohin verschwindet der fehlende Stickstoff?

Vier Ausscheidungswege, die alle durch Nitrat gesteuert werden. Nitrat ist negativ geladen, sodass Bodenkolloide – die ebenfalls negativ geladen sind – es nicht binden können. Es wird mit dem Wasser transportiert. Regen befördert es als Auswaschung unter die Wurzelzone. In staunassen Bereichen wird ihm Sauerstoff entzogen, und es wird durch Denitrifikation als Lachgas und Distickstoff freigesetzt. Bei der Ausbringung auf der Bodenoberfläche geht Ammoniak durch Verflüchtigung in die Luft verloren. Starker Regen auf unbedecktem Boden spült den Rest als Oberflächenabfluss ab. Jeder dieser Verluste tritt ein, nachdem der Stickstoffkreislauf im Boden Ihren Einsatz bereits in seine mobilste Form umgewandelt hat.

Das ist der Punkt, über den man einmal nachdenken sollte. Die Nitrifikation ist kein Leck im System – sie ist das System, das genau so funktioniert, wie es vorgesehen ist: Es wandelt einen Nährstoff, den der Boden binden könnte, in einen um, den er nicht binden kann. Ammonium ist positiv geladen und bindet sich an Ton und organische Substanzen. Innerhalb von Tagen oder Wochen nach der Ausbringung wandeln Bodenbakterien es in Nitrat um, und diese Bindung ist aufgehoben. Jedes Kilo, das Sie nach diesem Zeitpunkt verlieren, geht auf eine chemische Reaktion zurück, für die Sie bezahlt haben.

Können Wurzeln Nährstoffe aufnehmen, ohne auf Mikroben zu warten?

Ja – und in Wald- und Wiesenböden ist dies der normale Weg, nicht die Ausnahme. Die Bodenlösung in borealen Waldböden wird von organischem Stickstoff, hauptsächlich Aminosäuren, dominiert, und die Wurzeln nehmen ihn direkt auf (Inselsbacher & Näsholm, 2012). Diese Vorgehensweise ist für die Pflanze zudem kostengünstiger: Durch die Aufnahme von bereits an Kohlenstoff gebundenem Stickstoff spart sich die Pflanze einen Teil des Energieaufwands, den sie sonst für die Reduktion von Nitrat in ihrem eigenen Gewebe aufwenden müsste, was die Kohlenstoffnutzungseffizienz erhöht (Franklin et al., 2016; Tünnermann et al., 2024). Kürzerer Weg, geringere Kosten, weniger Verluste.

Wie sieht ein verkürzter Stickstoffkreislauf in der Praxis aus?

Es sieht so aus, als würde der Stickstoff genau dort bleiben, wo man ihn ausbringt, und als würde die Kulturpflanze nicht darum wetteifern, ihn aufzunehmen. Verzichtet man auf die Nitrifikation, vermeidet man auch die damit verbundenen Verluste – kein Nitrat, das ausgewaschen werden kann, nichts, was denitrifizierende Bakterien in einer feuchten Bodenzone abbauen könnten, und kein Schwankungsmuster bei der Düngung, das durch mehrmalige Ausbringung ausgeglichen werden müsste.

Arevo stellt Arginex her, indem es Arginin – eine positiv geladene Aminosäure – mit Phosphat komplexiert. Diese positive Ladung bindet sich an den Boden, anstatt an ihm vorbeizugleiten, sodass Stickstoff gleichmäßig im Wurzelbereich freigesetzt wird, anstatt schnell ins Grundwasser abzusickern. Die Wurzeln reagieren darauf, indem sie längere Wurzelhaare ausbilden und tiefer in den Boden vordringen, wodurch sich die Oberfläche für die Nährstoffaufnahme vergrößert. In Forstbaumschulen wird durch diese Art der Düngung der Stickstoffauswaschung um 80 % reduziert. Derselbe Stickstoff. Ein anderer Weg.

Das Fazit

Der Stickstoffkreislauf im Boden ist nicht unterbrochen. Das Diagramm, das wir übernommen haben, ist es jedoch. Sobald man akzeptiert, dass Wurzeln Stickstoff als intaktes Molekül aufnehmen können, erscheint die gesamte Verlustkette – Nitrifikation, Auswaschung, Denitrifikation – nicht mehr als unvermeidlich, sondern als optional. Das ist „ Root Change “: Wenn man die Grundlagen in der Wurzelzone in Ordnung bringt, lässt sich der Rest der Saison leichter steuern.

Literaturverzeichnis

Schmidt, S. (2014). Organischer Stickstoff. New Phytologist. https://arevo.se/en/science-publications-on-plant-nutrient-delivery-system

Eos. (2016). Ein Index deutet darauf hin, dass die Hälfte des auf Nutzpflanzen ausgebrachten Stickstoffs verloren geht. American Geophysical Union. https://eos.org/articles/index-suggests-that-half-of-nitrogen-applied-to-crops-is-lost

FAO. (2024). Neue Daten zur Erfassung des Nährstoffhaushalts von Ackerflächen. Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen. https://www.fao.org/newsroom/detail/new-data-to-measure-cropland-nutrient-budgets/en

Franklin, O. (2016). Der Kohlenstoffbonus von organischem Stickstoff verbessert die Stickstoffverwertungseffizienz von Pflanzen. Plant, Cell & Environment. https://arevo.se/en/science-publications-on-plant-nutrient-delivery-system

Inselsbacher, E., & Näsholm, T. (2012). Die unterirdische Perspektive von Waldpflanzen: Der Boden liefert hauptsächlich organischen Stickstoff für Pflanzen und Mykorrhizapilze. New Phytologist, 195(2), 329–334. https://arevo.se/en/science-publications-on-plant-nutrient-delivery-system

Lassaletta, L., Billen, G., Grizzetti, B., Anglade, J. & Garnier, J. (2014). 50-Jahres-Trends bei der Stickstoffverwertungseffizienz weltweiter Anbausysteme. Environmental Research Letters, 9(10), 105011. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/9/10/105011

Näsholm, T., Kielland, K. & Ganeteg, U. (2009). Aufnahme von organischem Stickstoff durch Pflanzen. New Phytologist, 182(1), 31–48. https://arevo.se/en/science-publications-on-plant-nutrient-delivery-system

Arevo. (2026). Warum die in Lehrbüchern beschriebenen Stickstoffkreisläufe veraltet sind. Arevo Knowledge Space. https://arevo.se/en/knowledge-space/why-textbook-nitrogen-cycles-are-outdated-organic-nitrogen-discovery

Arevo. (2026). Arginex und Nährstoffverwertungseffizienz: Auswirkungen auf Feld, Boden und Umwelt. Arevo Knowledge Space. https://arevo.se/en/knowledge-space/arginex-and-nutrient-use-efficiency-field-soil-and-environmental-impacts

Arevo. (2026). Forstbaumschulen reduzieren die Stickstoffauswaschung um 80 %. Arevo Knowledge Space. https://arevo.se/en/knowledge-space/forest-nurseries-reduce-nitrogen-leaching-80