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Pflanzen als natürliche Indikatoren der Bodengesundheit

Seminararbeit 2017 17 Seiten

Biologie - Botanik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Voraussetzungen und Ermittlung der Bodengesundheit

3. Nutzen und Funktion der Pflanzen als natürliche Indikatoren

4. Phytosanierung
4.1. Begriffsbestimmung und Verfahren
4.2. Phytomining
4.3. Vor- und Nachteile der Phytosanierung

5. Möglichkeiten und Grenzen von Zeigerpflanzen

6. Fallbeispiel: Große Brennnessel

7. Fazit

Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Im Zuge des aktuellen Entwicklungstrends der Menschheit darf es als Pflicht angesehen werden, den Boden nachhaltig zu bewirtschaften und dementsprechend zu schützen. Im Jahr 2050 werden auf der Erde wahrscheinlich ca. 9,5 Milliarden Menschen leben, jedoch nimmt die Bodenoberfläche durch anthropogene oder natürliche Prozesse kontinuierlich ab. Infolge dieser Abnahme kann der Anbau von Lebensmitteln zur Ernährungssicherung oder zum Export besonders in peripheren und semi-peripheren Regionen, aber zum Teil auch in Kernregionen stark beeinträchtigt sein.

Durch diese negative Entwicklung ist es besonders wichtig, sich für die Thematik der Bodengesundheit sowie seine Konzepten und Kennwerten zu sensibilisieren und ein nachhaltiges Bewusstsein zu schaffen. Das Wissen über Pflanzen als natürliche Indikatoren der Bodengesundheit wäre eine Maßnahme, um eben dieses Verständnis zu erreichen. Pflanzen, die an bestimmten Standorten vorkommen, erlauben durch ihre speziellen abiotischen und biotischen Umweltfaktoren Rückschlüsse auf die dort vorherrschenden Bodeneigenschaften. Die Ermittlung der Bodenqualität ist nicht nur im wirtschaftlichen, sondern auch im privaten Handlungsfeld elementar. Betriebe in der Land- und Forstwirtschaft, Baufirmen und professionelle sowie hobbymäßige Gärtner tragen durch ein umfassendes Wissen über verschiedenste Pflanzenarten und deren Identifizierung zur Bodengesundheit bei, indem sie anhand von Schlussfolgerungen beurteilen können, ob die Pflanzen den Boden aktiv reinigen (erhalten) oder schädigen (entfernen). Ziel der vorliegenden Seminararbeit ist es, das Potenzial und die Wirksamkeit der Pflanzen als natürliche Indikatoren für einen gesunden Boden zu erläutern, bewerten und problematisieren sowie anhand eines bestimmten Fallbeispiels zu konkretisieren.

Um einen Einblick in diese komplexe Thematik zu ermöglichen, gliedert sich die Seminararbeit wie folgt: Nach der Einleitung, die durch Aktualitätsgehalt und Zielsetzung in die Thematik einführt, folgt die Erläuterung, unter welchen Voraussetzungen überhaupt von einem gesunden Boden gesprochen werden kann und wie dieser ermittelt wird. Anschließend werden Pflanzen als Indikatoren unterschieden und in Bezug auf ihre unterschiedlich ausgeprägten Funktionen vorgestellt. Im vierten Kapitel wird ein Bodensanierungsverfahren namens Phytosanierung veranschaulicht, das umfassend aufzeigen soll, durch welche Mechanismen Pflanzen zur Bodengesundheit beitragen können. In einem nächsten Schritt sollen die Möglichkeiten und Grenzen von Pflanzen als Indikatoren herausgestellt werden, um sie neben anderen Methoden oder Parametern entscheidend einordnen zu können. Den zweiten thematischen Schwerpunkt dieser Seminararbeit stellt die Behandlung der großen Brennnessel als Fallbeispiel dar. Im Fazit werden die in der Seminararbeit herausgestellten Ausführungen resümierend reflektiert.

2. Voraussetzungen und Ermittlung der Bodengesundheit

Böden sind als enorm komplexe Wirkungsgefüge anzusehen, die sich nur unter bestimmten Voraussetzungen entwickeln. Auf Grund der Tatsache, dass ein Boden durch viele verschiedene Prozesse entsteht und weiter beeinflusst wird, besteht eine sehr hohe Gefahr, dass der Boden durch anthropogene (Industrie, Verkehr, Deponien oder landwirtschaftliche Maßnahmen) oder natürliche (Verwitterung, Gesteins-Staub oder Mykotoxine) Schadstoffeinträge sowie andere schädlich wirkende Substanzen alarmierende Tendenzen aufweisen und als krank bezeichnet werden kann. Um den Boden als gesund bezeichnen zu können, müssen verschiedene Faktoren eintreten. Für eine ausreichende Nährstoffverfügbarkeit der Pflanzen ist die Mobilisierung und Nachlieferung im Boden von zentraler Bedeutung (Forschungsinstitut für biologischen Landbau (FiBL) 2008: 3). Ein gesunder Boden verfügt sowohl über einen ausreichend hohen Humusgehalt als auch über eine gute Humusqualität. Der Humus, die Gesamtheit der abgestorbenen organischen Bodensubstanz, stellt durch die Versorgung der Pflanzen mit Nährstoffen wie Stickstoff und Phosphor, aber auch durch die Verbesserung der Porenverteilung und dementsprechend des Luft- und Wärmehaushalts einen zentralen Indikator im Bodenhaushalt dar (Bundesverband Boden e.V. o.J.). Ein weiteres Merkmal des gesunden Bodens ist die Bioturbation. Dieser Begriff bezeichnet die Wühlaktivität im Boden, die von Mikroorganismen und aktiven Bodentieren durchgeführt wird. Durch diese Durchmischung und Auflockerung des Bodens verbessern sie die Bodensubstanz zu einer luftigen, reichern ihn mit Ton-Humus-Komplexen an und erhöhen seine Wasserspeicherkapazität (Projekt Hypersoil 2003).

Als nächstes sollte der Boden eine hohe Porosität besitzen, sodass eine ausreichende Durchlässigkeit für Wasser und Luft gegeben ist.

Des Weiteren sollte der Boden über ein krümeliges (neben Bröckel, Polyeder, Prismen und Platten am besten) Gefüge verfügen. Sowohl die Porosität als auch das krümelige Gefüge sorgen dafür, dass der Boden eine gute Struktur aufweist und die Anfälligkeit für die Verschlammung der Bodenoberfläche und Verdichtungen im Ober- und Unterboden vermindert wird (Bayrische Landesanstalt für Landwirtschaft o.J.: 4).

Trotz aller Kriterien ist die Schadstofffreiheit des Bodens wahrscheinlich das Ausschlaggebendste. Ein kontaminierter Boden gefährdet die Gesundheit von Pflanzen, Tieren, Menschen und Mikroorganismen. Außerdem gehen durch die Anreicherung organischer und anorganischer Schadstoffe wichtige Funktionen des Bodens wie die Erholungsfunktion oder die Nährstoffverfügbarkeit verloren. Die Bodenfruchtbarkeit kann durch folgende Verfahren ermittelt werden: Bodenkarten, optische Bodenuntersuchungen (Bodenprofile, Fingerproben, Spatenproben), Zeigerpflanzen, Chemische Bodenuntersuchungen, Untersuchungen zur biologischen Aktivität, Nährstoffbilanzen und Futteranalysen (Forschungsinstitut für biologischen Landbau (FiBL) 2008: 3).

3. Nutzen und Funktion der Pflanzen als natürliche Indikatoren

„Ein Naturindikator ist ein natürliches System beliebigen Ranges und beliebiger Organisationsform, das auf eine Änderung seiner Umwelt mit solchen Veränderungen seiner Eigenschaften reagiert, die der Mensch auf beliebige Art und Weise registrieren kann“ (Zierdt 1997: 42).

Pflanzen als natürliche Indikatoren werden als Zeigerpflanzen, Indikatorpflanzen, Phyto-Indikatoren oder Bioindikatoren bezeichnet. Bei der Bezeichnung Bioindikator muss hinzugefügt werden, dass man diesen Begriff nur unter Vorsicht verwenden darf, da dieser auch Tiere und Pilze umfasst[1]. Zeigerpflanzen sind mit oder ohne anthropogenen Einfluss an einem bestimmten Ort existent. Während Löwenzahn natürlich an einem beliebigen Standort gewachsen ist und als Indikatorpflanze für stickstoffreiche und schwere Böden dient, kommt Rotkohl durch den anthropogenen Einfluss des Landwirts an einem bestimmten Standort in Abhängigkeit eines basischen oder sauren Bodens in bläulicher oder rotvioletter Farbe vor (ABIGRO GmbH & Co. KG 2013).

Als Indikatorpflanzen eignen sich Pflanzen, die über einen hohen Zeigerwert verfügen, der auch großräumig gültig ist. Darüber hinaus müssen sie auf Veränderungen abiotischer und biotischer Umweltfaktoren sowie Bewirtschaftungsmaßnahmen schnell reagieren. Diese Pflanzenarten sollten taxonomisch gut erforscht, ihr ökologisches Verhalten exakt bekannt und ihr Vorkommen im Gelände leicht zu bestimmen sein (Bohner 2010: 115).

Pflanzliche Bioindikatoren lassen sich hinsichtlich ihres Verhaltens in zwei Kategorien unterscheiden: Bei reaktiven bzw. sensitiven Zeigerpflanzen handelt es sich um Pflanzenarten, deren Physiognomie und Lebensäußerungen (Wachstum, Vermehrung, Vegetationsperiode und Ernährung) an einem festgesetzten Standort Schlussfolgerungen auf die sich dort befindenden abiotischen und biotischen Umweltfaktoren zulassen. Bei den reaktiven bzw. sensitiven Zeigerpflanzen handelt es sich vor allem um stenöke Arten. Diese Pflanzenarten besitzen eine geringe ökologische bzw. physiologische Potenz d.h. sie existieren in einer speziellen und definierten ökologischen Nische. Die spezifischen abiotischen und biotischen Umweltfaktoren, in denen sie leben und aktiv sind, müssen möglichst gleichbleibend sein, da sie schon bei einer geringen Veränderung ihrer Lebensbedingungen negativ beeinflusst werden können. Wird die Grenze der Anpassungsfähigkeit durch einen Faktor überschritten, sterben die Pflanzen ab. Ein Beispiel für reaktive Phyto-Indikatoren sind Tabakpflanzen, die sensibel auf deutlich erkennbare Schädigungen von Ozon-Belastungen an ihren Blättern reagieren.

Bei den akkumulativen Zeigerpflanze n handelt es sich um Pflanzenarten, die die Eigenschaften, die Veränderungen oder die Existenz von bestimmten abiotisch und biotischen Faktoren durch die Aufnahme von (Schad-)Stoffen kontrollieren und festhalten. Diese Pflanzen können die Substanzen anreichern ohne - zumindest für einen kurzen Zeitraum - selbst negativ beeinflusst zu werden. Ein Beispiel für akkumulative Zeigerpflanzen sind Pflanzenarten, die Mechanismen entwickelt haben, um radioaktive Stoffe anzureichern (ABIGRO GmbH & Co. KG 2013).

Der wirtschaftliche Profit, den Zeigerpflanzen dem Menschen durch ihr Verhalten und ihre Verwendung gewähren, ist enorm.

Indikatorpflanzen ermöglichen dem Menschen, ohne kostenintensive und zeitaufwendige Maßnahmen wertvolle Informationen über die Bodeneigenschaften und damit verbunden über die Bodengesundheit zu sammeln und auszuwerten.

Sie können durch ihre Präsenz Standortveränderungen, Fehler in der Düngung und Bewirtschaftung frühzeitig erkennen, sodass der Boden nachhaltig geschont werden wird. Durch ihr Vorkommen oder Fehlen, ihrer Zu- oder Abnahme in einem Pflanzenbestand zeigen sie Entwicklungstendenzen des Bodens auf, was vor allem in der Land- und Forstwirtschaft wichtig ist, um zeitnah intervenieren zu können. Darüber hinaus dokumentieren und kontrollieren Zeigerpflanzen den Erfolg von Düngungs- und Pflegemaßnahmen im Falle einer Intervention, indem sie eine schnelle und flächenhafte Auskunft über die Standortbonität zulassen. Pflanzliche Bioindikatoren dienen als Hinweise für Präventionsmaßnahmen. Gerade in Kleingärten oder Wäldern des Ruhrgebiets können Böden eine schlechte Qualität besitzen und mit Schadstoffen belastet sein. Ein erhöhtes Aufkommen einer Pflanzenart bietet Hinweise, um den Boden zu behandeln, ihn zu bepflanzen oder gar zu meiden. Sie zeigen als Indikatoren standortspezifische Intensivierungsgrenzen auf. Der letzte Punkt ist für Kinder wichtig, die auf dem Boden spielen und mit diesem körperlich in Kontakt treten (Bohner 2010: 112). Edaphische Faktoren, die durch Pflanzen aufgezeigt werden können, sind: Nährstoffverfügbarkeit, Reaktionszahl, Bodenfeuchtigkeit, Wärmehaushalt, Stickstoffgehalt, Schwermetallresistenz, Salzgehalt, Bodenstruktur, Nutzungsintensität und Vegetationsdeckungsgrad (Bohner 2010: 116).

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass reaktive bzw. sensitive oder akkumulative Zeigerpflanzen als vielfältige natürliche Indikatoren der Bodengesundheit von zentraler Bedeutung für menschliche Aktivitäten hinsichtlich dem Bodenschutz und wirtschaftlichem Interesse sind.

4. Phytosanierung

4.1. Begriffsbestimmung und Verfahren

Um eine präzise Schilderung der Wirksamkeit von Pflanzen als natürliche Indikatoren der Bodengesundheit exemplarisch offenzulegen, habe ich mich für die Darstellung der Phytosanierung entschieden.

Phytosanierung, auch Phytoremediation genannt, ist ein Teilgebiet der biologischen Sanierungsverfahren und bezeichnet die Sanierung von schadstoffbelasteten Medien wie Boden, Luft, Grundwasser oder Oberflächenwasser. Dies ist eine unschädliche und kostensparende Option, um toxische und chemische Schadstoffeinträge zu entfernen oder zu stabilisieren, sodass diese nicht vom Regen aus dem Boden ausgewaschen werden und nahegelegene Gewässer nicht gefährden können. Zu den Schadstoffen gehören beispielsweise Schwermetalle, Halbmetalle (Arsen), Pestizide, Sprengstoffe, Lösungsmittel, Salze oder Öle.

Bestimmte Pflanzenarten haben im Laufe der Evolution Mechanismen entwickelt, mit denen sie sich zum größten Teil vor der toxischen Wirkungen der Substanzen schützen können (Pflanzenforschung.de c/o genius gmbh – wissenschaft & kommunikation o.J.).

Diese Pflanzen besitzen die Fähigkeit die schädlichen Chemikalien aus dem Boden abzubauen oder zu entfernen, sofern ihre Wurzeln Wasser und Nährstoffe aus der schadstoffbelasteten Erde, dem Sediment oder dem Grundwasserkörper akkumulieren. Die von den Pflanzen ausgeübten Prozesse spielen sich in der Rhizosphäre ab. Dies bedeutet, dass die Pflanzen die Schadstoffe bis zu der Tiefe, in der ihre Wurzen reichen, herausfiltern und den Boden somit sanieren können. Die von den Pflanzen aufgenommenen Kontaminationen akkumulieren in ihren Wurzeln, Baumstämmen oder Blättern. Diese Stoffe können innerhalb der Pflanze, häufig im Wurzelbereich, durch den Prozess der Detoxifizierung in weniger schädliche Verbindungen transformiert werden. Diese umgewandelten und unschädlichen Produkte können auch an die Luft abgegeben werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass die Schadstoffe an den Wurzeln absorbiert werden und der Prozess der Entgiftung von Mikroorganismen des Bodens durchgeführt wird.

Schadstoffe, die nicht in ungiftige Substanzen umgewandelt werden, sondern von der Pflanze gespeichert wurden, können durch die Ernte entfernt werden. In diesem Fall muss man wiederholt anbauen und ernten, um die Schadstoffe vollständig aus dem Boden lösen zu können. Die Phytosanierung als Sammelbegriff umfasst folgende Prozesse: Phytoextraktion, Phytodegradation, Phytomining, Phytostimulation, Rhizofiltration, Volatilisation und Phytotransformation (Vyas o.J.).

4.2. Phytomining

Phytomining bezeichnet die Fähigkeit von Pflanzen, den Boden von Schwermetallen zu reinigen. Diese Gruppe sog. Hyperakkumulatoren, von denen es rund 500 Pflanzen gibt, sind in der Lage äußerst hohe Konzentrationen von giftigen Schwermetallen aufzunehmen. Pflanzen, die sich zur Schwermetallbeseitigung eignen und an denen auch ein wissenschaftliches Interesse besteht, wären beispielsweise die Hallersche Schaumkresse und die Galmeiflora. In der Forschung geht man davon aus, dass sich die Pflanzen diese Funktion im Laufe der Evolution angeeignet haben, um sich vor Fressfeinden wie Blattläusen zu schützen. Der Schwermetallgehalt, den Pflanzen in den Blättern akkumulieren, weist für Fressfeinde eine zu hohe Toxizität auf.

Diese Pflanzen können schwermetallbelastete Böden reinigen, indem sie unter anderem Nickel, Kadmium und Zink aus der Rhizosphäre heraussaugen und in den Blättern speichern können. Diese Tatsache bedeutet, dass die Schwermetalle in der Pflanze nicht verloren gehen, sondern gespeichert bleiben und gewonnen werden können. Durch das Verbrennen der oberirdischen Pflanzenteile erwirtschaftet man einen Metallgehalt von ca. 20% in der Asche. Es existieren bereits funktionierende Technologien zur Gewinnung von Nickel, jedoch werden diese zur Zeit nicht genutzt, da die Anwendung dieser Vorrichtungen vom korrespondierenden Preis am Markt abhängig sind. Im Zuge der rasant ansteigenden Bevölkerung und des damit verbundenen übermäßigen Rohstoffkonsums könnte Pyhtomining ein lukratives und rentables Geschäft werden, an dem weiterhin geforscht werden müssten, sofern die Preise für Zink und andere Metalle steigen (Deutschlandradio - Körperschaft des öffentlichen Rechts 2014). Darüber hinaus kann Phytomining der Armut semi-peripheren und peripheren Regionen entgegen wirken und die Existenzsicherung durch den Handel stärken, indem die neuen gereinigten und fruchtbaren Böden nach einer gewissen Zeit wieder mit Gemüsesorten bepflanzbar sind (Schwarz 2012).

Wildkräuter und -gräser eignen sich potenziell als Reaktions- oder Akkumulationsindikatoren schwermetallreicher Standorte. Metallophyten, die ausschließlich auf diesen Standorten vorkommen, können durch ihre Präsenz Rückschlüsse auf schwermetallbelastete Böden geben. Sie akkumulieren Schwermetall in Sprossen und Blätter und sind daher als Akkumulationsindikatoren geeignet. Für Kulturpflanzen, insb. Gemüsesorten, besteht ein Potenzial zu Bioindikation bezüglich Cadmium, Zink, Nickel und Kupfer, sofern die Transferfaktoren einen Wert erreichen, der über eins liegt. Baumarten besitzen tendenziell kein bioindikatives Potenzial zur Ermittlung von Schwermetall, da ihr Anwendungsbereich auf schwermetallreichen Böden stark begrenzt ist (Meyer & Belotti o.J.: 1).

4.3. Vor- und Nachteile der Phytosanierung

Die Phytosanierung ist im Vergleich zu anderen mechanischen Methoden der biologischen Sanierungsverfahren sehr kostengünstig. Durch die natürlichen Pflanzenprozesse wird keine aufwendige Ausrüstung (Maschinen oder Arbeitszeit) benötigt. Darüber hinaus können die Pflanzen den Boden auf natürliche Weise reinigen. Dadurch ist die Sicherheit gewährleistet, dass der Boden nicht abgetragen und das Grundwasser nicht hochgepumpt wird. Anschließend kann gesagt werden, dass Pflanzen den Boden vor Erosionen schützen und die Qualität der Umgebungsluft verbessern. Ein weiterer positiver Faktor ist, dass die Prozesse der Pflanzen passiv und solar ablaufen und schneller als der natürliche Ablauf vollzogen werden. Des Weiteren kann die Menge an kontaminierten Material, die auf Deponien gelagert werden würde, drastisch reduziert werden. Auf diese Weise könnte man dafür sorgen, dass sich ein Kreislauf schließe, indem man nicht nur schadstoffbelastetes Material von einem zum anderen Ort bringt, sondern aktiv bekämpft. Wenn man weiter vom sich schließenden Kreislauf durch die Phytosanierung sprechen möchte, wird angeführt, dass Energie aus der kontrollierten Verbrennung der Biomasse gewonnen werden kann. Durch diese zusammengetragenen positiven Faktoren kann man behaupten, dass die gesellschaftliche Akzeptanz für solche ökologisch nachhaltigen Verfahren sehr hoch ist.

Ein großes Hindernis bei der Durchsetzung der Phytosanierung ist, dass dieses Verfahren relativ neu ist und eventuell dementsprechend wenig Beachtung in der Forschung erhält.

[...]


[1] Der Begriff Bioindikator wird im Folgenden ausschließlich auf Pflanzen bezogen, sofern es nicht anders angegeben

Details

Seiten
17
Jahr
2017
ISBN (eBook)
9783668698734
ISBN (Buch)
9783668698741
Dateigröße
502 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v424452
Institution / Hochschule
Ruhr-Universität Bochum – Geographisches Institut
Note
1.3
Schlagworte
Pflanzen Indikator Bodengesundheit Landwirtschaft Phytosanierung Phytomining Schadstoffe Große Brennessel Stickstoff

Autor

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Titel: Pflanzen als natürliche Indikatoren der Bodengesundheit