Biostimulanzien. Eine Alternative zu Stickstoffdüngern?
Der Ansatz, mithilfe bestimmter Biostimulanzien Stickstoffdünger einzusparen, klingt verlockend. Doch halten die Substanzen auch, was die Hersteller versprechen? In bundesländerübergreifenden Feldversuchen wurden fünf Bakterienpräparate geprüft. Die Ergebnisse sind ernüchternd.
Die Bedeutung von (Stickstoff-)Düngern für gute Erträge und Qualitäten ist hinlänglich bekannt. Vor dem Hintergrund düngerechtlicher Restriktionen sowie teils stark schwankender Düngerpreise läuft die Suche nach Alternativen allerdings auf Hochtouren. Biostimulanzien, Biologicals und anderen Mitteln werden hierbei mitunter weitreichende positive Eigenschaften zugesprochen. Unter anderem auch eine mögliche Reduktion der üblichen N-Düngung.
Stickstoffdünger-Substitution
In ihren Marketingbroschüren benennen die Anbieter bei einigen Produkten besonders mit Blick auf die Stickstoffdüngung teils sehr konkrete Wirkungen: Je nach Produkt versprechen die Hersteller die Deckung von 25 % oder 30 bis 40 kg des N-Bedarfs der Pflanze als planbare Komponente. Dies klingt vor allem dann interessant, wenn Flächen in nitratbelasteten Gebieten ohnehin nur reduziert mit Stickstoff versorgt werden dürfen oder die Düngerpreise mal wieder in die Höhe schnellen. Vor diesem Hintergrund haben länderübergreifend viele Landwirtschaftskammern und Landesanstalten die Frage des Beitrags dieser Produkte zur Stickstoffdünger-
Substitution gestellt und von 2022 bis 2024 eine Vielzahl an Versuchen in unterschiedlichen Kulturen angelegt. Im Folgenden werden die Ergebnisse in Winterweizen und -gerste mit fünf gängigen Bakterienpräparaten vorgestellt.
Länderübergreifende Herangehensweise
Die Herangehensweise an die Versuche erfolgte länderübergreifend. Alle wurden randomisiert und vierfach wiederholt angelegt. Um die tatsächlich mögliche Stickstoffdünger-Substitution bewerten zu können, war die Anlage einer N-Steigerungsstaffel obligatorisch. Die Mindestanforderung für alle Versuchsansteller waren die Stufen »Nulldüngung«, »Bedarfswert – 20 %« und »Bedarfswert«. Eine
Vielzahl der Versuche umfasste allerdings eine detaillierter aufgeschlüsselte NStaffelung mit den optionalen zusätzlichen Varianten »Bedarfswert – 40 %«, »Bedarfswert – 50 %« sowie »Bedarfswert + 20 %«. Nur über eine Staffelung lässt sich in einem ersten Schritt zuverlässig prüfen, ob die Stickstoffdüngung in dem betreffenden Versuch und Jahr überhaupt einen signifikanten Effekt auf Ertrag und Qualität der Kulturen bewirkt. Hat die N-Versorgung keinen signifikanten Effekt auf beide Parameter, kann auch der Beitrag der N-Fixierungsleistung der anderen Präparate nicht eindeutig belegt werden. Die Versuche, die aufgrund dieses Kriteriums aus der Wertung genommen wurden, haben allerdings nicht nur keinen signifikanten Effekt der Stickstoff-Düngung gezeigt, sondern auch keinen statistisch absicherbaren Effekt der eingesetzten Bakterienpräparate.
In die Auswertung wurden ausschließlich die Versuche einbezogen, in denen ein statistisch nachweisbarer Effekt der Düngung festzustellen war. Die Präparate wurden in der Regel in jeder der Düngestufen ausgebracht (Übersicht), sodass es pro Stufe immer zwei Vergleichsvarianten gab: eine mit und eine ohne Präparat. So lassen sich über die integrierte Stickstoff-Staffelung außerdem die genannten konkreten Beiträge der eingesetzten Produkte zur N-Versorgung klar herausarbeiten. Wird ein Präparat beispielsweise mit der Eigenschaft beworben, 25 % des N-Bedarfs der Pflanze decken zu können, haben wir analog zum Versuchsplan in der Übersicht zwei Erwartungen geprüft:
- Erstens: Im Vergleich zur in gleicher Höhe gedüngten, aber nicht mit dem Präparat behandelten Variante 3 erreicht die mit dem Präparat behandelte Variante 7 einen Mehrertrag.
- Zweitens: Im Vergleich zur höher gedüngten, aber nicht mit dem Präparat behandelten Variante 4 erreicht die mit dem Präparat behandelte Variante 7 denselben Ertrag.
Die Produkte wurden mit Blick auf Anwendungszeitpunkt, -häufigkeit und Aufwandmenge immer solo und in Absprache bzw. nach verfügbarer Anweisung der Hersteller eingesetzt. Der Pflanzenschutzmitteleinsatz sowie die Grunddüngung erfolgten standortspezifisch und jahresabhängig optimal, wobei Abstände zwischen der Anwendung der Präparate und demPflanzenschutzmitteleinsatz selbstverständlich eingehalten worden sind. Aufgrund der Anlage von Vergleichsvarianten ohne Präparatanwendung in jeder Düngungsstufe kann paarweise die Ausweisung der prozentualen Ertrags- oder Qualitätsveränderung der Variante mit Präparat und der Variante ohne Präparat in gleicher Düngungshöhe erfolgen. Dies ermöglicht außerdem eine versuchsübergreifende Zusammenstellung als Metaanalyse. In der Ergebnisdarstellung ist ein Punkt also immer bereits der Vergleich von zwei Varianten eines Versuches.
In der Grafik sind insgesamt 133 Einzelergebnisse zusammengefasst. Sie zeigt in Abhängigkeit der Düngungsstufe die Ertragsveränderung in Prozent zur Vergleichsvariante auf der Y-Achse für Winterweizen und Wintergerste in vier Düngungsstufen. Zum Einsatz kamen in diesen Versuchen ausschließlich fünf verschiedene Bakterienpräparate, die eine entsprechende Stickstoffversorgung sowohl über die Pflanze als auch über den Boden versprechen. Die Anzahl der eingegangenen paarweisen Vergleiche ist unten jeweils in Klammern angegeben.
Sieben der gezeigten 133 Ergebnisse waren statistisch signifikant verschieden von der Vergleichsvariante. In den hier aufgeführten Versuchen konnte also nur in 5,2 % der Fälle ein statistisch absicherbarer Einfluss des eingesetzten Präparates auf den Ertrag festgestellt werden. Von diesen sieben Ergebnissen weisen vier eine negative und drei eine positive Ertragswirkung auf.
Die Erwartung, dass der Einsatz des Präparates zu einem signifikanten Mehrertrag führt, ließ sich also nur in drei von 133 Fällen bestätigen. Das Ertragsniveau der jeweils höher gedüngten Stufe wurde damit allerdings in keinem der drei Fälle erreicht. Das lässt die Schlussfolgerung zu, dass die eingesetzten Präparate keinen statistisch belegbaren Beitrag zur Stickstoffversorgung und einen daraus resultierenden höheren Ertrag der Pflanzen bewirken konnten. Die Qualitätseffekte sind hier nicht dargestellt, weil sie in keinem Fall signifikant waren.
Ernüchterndes Ergebnis
Auf der Suche nach alternativen Betriebsmitteln und vor dem Hintergrund der Ankündigungen rund um die Produktleistungen ist das gezeigte Ergebnis ernüchternd. Mit Blick auf wissenschaftliche Studien überrascht es jedoch nicht. Bakterienpräparate sollen häufig so funktionieren, dass die Bakterien nach der Applikation die Pflanze besiedeln, mit deren Hilfe Stickstoff aus der Luft binden und für die Pflanze verfügbar machen. Ähnliches kennt man von den Knöllchenbakterien der Leguminosen. Dieser hochkomplexe Stoffwechselweg funktioniert nur über die Aktivität von Nitrogenasen. Wenn hohe Mengen an Stickstoff oder Sauerstoff zur Verfügung stehen, denaturieren diese Enzyme allerdings.
Eine große Metastudie aus dem Jahr 2024 arbeitet deutlich heraus, dass es bisher keinen eindeutigen Beweis dafür gibt, dass die Inokulation von Nichtleguminosen mit Bakterien zur Fixierung von pflanzenbaulich relevanten Mengen an Stickstoff führt. Wenn es positive Effekte der Präparate gibt, seien diese vielmehr zu erklären durch »unterstützende Effekte« (z. B. Phytohormonproduktion der Bakterien) auf molekularer und mikrobiologischer Ebene, nicht aber durch eine quantitativ relevante N2-Fixierung. Es kann
durchaus die Möglichkeit bestehen, dass diese Effekte unter bestimmten Bedingungen zu einer verbesserten Stresstoleranz führen. Das ist jedoch eine andere Fragestellung, die nicht Bestandteil unserer Versuche war.
Die Brisanz der Statistik
Die Signifikanzen der hier gezeigten Einzelversuche wurden mit einem Konfidenzintervall von 95 % berechnet. Ist ein Ergebnis nach dieser Maßgabe signifikant, gehen wir also mit mindestens 95 %iger Wahrscheinlichkeit davon aus, dass der Effekt der Prüfgröße von Null verschieden und somit tatsächlich vorhanden ist. Bei der Anlage neuer Versuche zu dieser Frage ist somit in 95 % der Fälle ein signifikantes Ergebnis zu erwarten, wenn es tatsächlich einen Effekt gibt. Zwar ist zur Auswertung von Versuchen mit Biostimulanzien auch ein Konfidenzintervall von 85 % zulässig. Damit sinkt allerdings die Aussagekraft und Übertragbarkeit der Ergebnisse. Mit dem Ziel, klare Aussagen treffen zu können, ist dies nicht vereinbar.
Unterschiede zwischen Gewächshaus und Feld
Besonders herausfordernd ist das »offene System«, in dem sich die praktische Landwirtschaft bewegt. Unter kontrollierten Bedingungen in Gewächshaus oder Klimakammer erzielen Präparate wie die hier eingesetzten in Versuchen durchaus positive Effekte. Gleiche Versuche im Feld zeigen wiederum geringe oder keine Effekte, wie es auch unsere Ergebnisse bestätigen. Die Gründe sind vielfältig, liegen aber im Schwerpunkt in den Antagonismen durch andere anwesende Bakterien und Mikroben im Feld, in insgesamt guten Anbaubedingungen in unserer Gunstackerbauregion und nicht zuletzt in schwankenden Witterungsbedingungen im Freiland.
Damit ergibt sich ein sinnvolles Anwendungsfeld von Biostimulanzien und Biologicals unter kontrollierten Bedingungen. Das trifft besonders für die Gemüse- und Obstproduktion zu. Den Bedingungen im Feld sind sie hingegen bezüglich der Substitution des Einsatzes von Stickstoffdüngern sowie zum Abfangen der Ertrags- und Qualitätsreaktionen auf düngerechtliche Einschränkungen nicht gewachsen. Auf der Suche nach alternativen Produktionsmitteln für eine klimaresiliente und ressourcenschonendere Landwirtschaft ist Glaubwürdigkeit gefordert. Wird diese verspielt, leiden darunter auch Produkte, die potentiell tatsächlich einen nennenswerten Beitrag zur N-Versorgung von Kulturpflanzen im Feld leisten können.
Worüber reden wir eigentlich?
Biostimulanzien, Biologicals und andere Mittel können rechtlich ganz unterschiedlich eingeordnet sein:
- Pflanzenhilfsmittel und Bodenhilfsstoffe sind laut Düngemittelverordnung Düngemitteltypen. Sie dürfen keine wesentlichen Nährstoffmengen enthalten, Bodenhilfsstoffe aber durchaus aus Mikroorganismen bestehen.
- Pflanzenstärkungsmittel sind nach dem Pflanzenschutzgesetz zugelassen. Sie sollen der allgemeinen Gesunderhaltung der Pflanzen dienen.
- Der Begriff Biostimulanzien bezieht sich rein auf eine Zulassung nach der EU-Düngeprodukte-Verordnung (VO [EU] 2019/ 1009). Die nach dieser neuen Systematik zugelassenen Produkte dienen per Definition nicht der direkten Pflanzenernährung, sondern sind Mittel, die »pflanzliche Ernährungsprozesse unabhängig vom Nährstoffgehalt des Produkts stimulieren«. Sie zielen »ausschließlich auf die Verbesserung einer oder mehrerer der folgenden Eigenschaften oder der Rhizosphäre der Pflanze ab: Effizienz der Nährstoffverwertung, Toleranz gegenüber abiotischem Stress, Qualitätsmerkmale oder Verfügbarkeit von Nährstoffen«. Biostimulanzien können aus Mikroorganismen, Algen, anorganischen Substanzen, Aminosäuren sowie Humin- und Fulvosäuren und anderen Substanzen bestehen. Je nachdem, wie die Produkte zugelassen sind, unterscheidet sich auch der Umfang der Prüfungen im Zulassungsverfahren. Dabei ist der mögliche Wirkmechanismus häufig so vielfältig, dass die Definition einer klaren Wirkung bzw. einer klaren Dosis-Wirkungs-Beziehung analog zum chemischen Pflanzenschutz nicht übertragbar ist.