Die elektrische Leitfähigkeit - und was sie uns verrät
Von Pieter Klaassen, CANNA Research
Die wasser elektrische Leitfähigkeit
Ein EC-Messgerät messt, wie gut eine Flüssigkeit den elektrischen Strom leiten kann. Dies wird als molare Ionenleitfähigkeit (elektrolytische Leitfähigkeit) bezeichnet und in Siemens (S) gemessen. Elektronen sind in der Lage, sich in Flüssigkeit von einem Elektrodenpaar zum anderen zu bewegen, und zwar nicht aufgrund der Wassermoleküle selbst, sondern wegen der im Wasser gelösten Ionen. Mit anderen Worten: Elektronen werden von gelösten Ionen transportiert.
Aus dem gleichen Grund bestimmt die Ionenkonzentration im Wasser auch die Anzahl der Elektronen, die sich von einer Elektrode zur anderen bewegen können: Die Leitfähigkeit steigt mit zunehmender Ionenkonzentration. Reines Wasser ist kein guter elektrischer Leiter, weshalb eine EG-Messgerät bei Niederschlagswasser, Umkehrosmosewasser oder entmineralisiertem Wasser Null anzeigt. Salziges Meerwasser hingegen hat viel mehr Ionen und leitet daher wesentlich besser.
Durch die Zugabe von Nährstoffen (Salzen) wird die molare Ionenleitfähigkeit und damit der EC-Wert oder Leitwertfaktor (CF = EC x 10) erhöht. Leitfähigkeitsmessungen werden durch die Wassertemperatur beeinflusst, was bei allen Messungen zu berücksichtigen ist.
EC-Maßeinheiten
Die elektrische Leitfähigkeit kann in verschiedenen Maßeinheiten ausgedrückt werden, wobei Siemens pro Quadratmeter pro Mol (S/m2/Mol) oder Millisiemens pro Zentimeter (mS/cm) die gängigsten sind. Die Maßeinheit mS/cm ist in Europa zur Angabe der Nährstoffkonzentration im Wasser üblich. In Nordamerika wird die Leitfähigkeit in einen quantitativen Wert für die Menge an gelösten Nährsalzen umgerechnet und in Teilen pro Million (ppm) angegeben. Dieser Wert lässt sich auch in andere Maßeinheiten, wie z. B. mg/l, umrechnen. Das heißt, der EC-Wert wird anhand der Ionenkonzentration in der Lösung ermittelt. Zum Glück gibt es eine einheitliche Umrechnungstabelle für alle diese Maßeinheiten:
Gibt der EC-Wert auch Aufschluss über den Nährwert?
Wasser, das Mineralsalze enthält, hat zwar einen EC-Wert. Dies bedeutet aber noch lange nicht, dass es auch Nährsalze enthält, die für das Pflanzenwachstum wichtig sind. Leitungswasser kann zum Beispiel Natrium und Chlorid, enthalten, die einen EC-Wert, aber keinerlei Nährwert für die Pflanze haben.
Dünger besteht grundsätzlich aus Nährsalzen. Jeder Nährwert, den wir dem Wasser hinzufügen, wird als EC+ bezeichnet und sollte zum Basis-EC-Wert des Wassers addiert werden. Auf diese Weise wird der Gesamt-EC-Wert des Wassers im Nährstoffbecken berechnet.
Bei den Nährsalzen handelt es sich um Feststoffe, die entweder aus dem Boden extrahiert oder durch ein industrielles Crackverfahren freigesetzt werden. Wir lösen eine bestimmte Menge Salz (in Gramm) in einer bestimmte Wassermenge (in Litern), was bedeutet, dass wir den EC-Wert auch in Gramm oder Litern angeben können. Obwohl jeder Dünger seinen eigenen Düngewert hat, ist es möglich zu verallgemeinern und zu behaupten, dass eine Lösung mit einem EC von 1,0 mS/cm bis zu 1 g Salz pro Liter Wasser enthält.
Wie erhöht man den EC-Wert?
Salz besitzt die Fähigkeit, Wasser anzuziehen. Dieser Vorgang wird Hydrolyse genannt. Wenn man einen Topf mit Salz in den Keller stellt, sinkt die Luftfeuchtigkeit, weil das Salz Wasser aus der Luft anzieht. In einer Lösung findet immer ein Konzentrationsausgleich zwischen zwei Bereichen mit unterschiedlicher Salzkonzentration statt, d. h. dass die Wassermoleküle immer in den Bereich mit der höheren Konzentration diffundieren. Diffusion geschieht immer entlang eines Konzentrationsgradienten, dem so genannten Wasserpotentialgefälle, und spielt auch bei der Osmose eine wichtige Rolle.
Osmose ist ein physikalischer Vorgang, bei dem Wassermoleküle aus einer Lösung mit einer niedrigen Konzentration gelöster Stoffe durch eine halbdurchlässige Membran in eine Lösung mit einer höheren Konzentration gelöster Stoffe wandern. Wenn wir viele Nährstoffe in Wasser lösen (und dadurch einen hohen EC erzeugen), ziehen die Nährsalze das im Substrat vorhandene Wasser an. Dadurch wird den Wurzeln die Aufnahme von Wasser aus dem Substrat erschwert.
Diese Wirkung von Nährsalzen können wir uns zunutze machen, um Bedingungen zu kreieren, bei denen die Wurzeln nicht länger in der Lage sind, Wasser aus dem Substrat herauszulösen, auch wenn das Substrat mit Wasser gesättigt ist. Dieser Zustand des Substrats wird als "physiologisch trocken" bezeichnet. Das Ergebnis ist, dass den Pflanzen kein Wasser mehr zur Verfügung steht, um sich durch Transpiration (Verdunstung) abzukühlen, was sie normalerweise tun, um sich vor Überhitzung durch Sonneneinstrahlung zu schützen.
Obwohl dieser Zustand generell als "Überdüngung' bezeichnet wird, ist die Ursache eigentlich Wasserknappheit in der Pflanze mit allen sich daraus ergebenden negativen Folgen. Bei Schnittblumen, wie z. B. Rosen, oder Ablegern kann ein hoher EC-Wert in der Vase oder im Aufzuchtballen den Pflanzen buchstäblich das Wasser aus den Stängeln ziehen.
Salz besitzt die Fähigkeit, Wassermoleküle anzuziehen. Wird dem Wasser in der rechten Hälfte des U-Rohres Salz beigeben (wodurch sich der EC-Wert erhöht), ziehen die Salzmoleküle Wassermoleküle von der linken Seite an, da die Salzkonzentration auf dieser Seite niedriger ist. Auf der rechten Seite steigt der Wasserspiegel, bis die EC-Werte (Salzkonzentrationen) auf beiden Seiten wieder gleich sind.
Diesen Vorgang können wir in einem U-Rohr mitverfolgen, das in der Mitte durch eine halbdurchlässige Membran (wie z. B. den Teil eines Stängels) getrennt wird. Wenn wir jetzt auf der einen Seite des Rohres etwas Salz hinzufügen, steigt der Wasserspiegel auf dieser Seite an, weil das Wasser aufgrund des niedrigeren EC-Wertes (d. h. der geringeren Salzkonzentration) auf diese Seite wandert (siehe Abb. 1). Zusammengefasst bedeutet das, dass es wichtig ist, zu Beginn des Anbaus nur wenig bis gar keine Nährstoffe zu verabreichen.
Der innere EC-Wert der Pflanze
Sobald die Pflanze Nährstoffe aus der Nährlösung aufgenommen hat, müssen wir versuchen, so rasch wie möglich den osmotischen Wert der Pflanze (bzw. die Salzkonzentration im Zellinneren) zu erhöhen. Da das Volumen der Pflanze durch Wachstum und Wasseraufnahme zunimmt, sinkt der osmotische Wert. Die in der Pflanze enthaltenen Salze verteilen sich, wodurch die Pflanze an Stabilität und Farbe verliert. Das Risiko einer Dehydrierung (Welke) wird größer, da Wasser leicht aus der Pflanze austreten kann.
Eine Versorgung der Wurzeln mit Nährsalzen wirkt sich proportional auf das Wachstum aus. Da das Wasser, das zum Transport der Nährsalze benötigt wird, verdunstet ist, werden die Salze in der Pflanze eingelagert, wodurch sich der innere EC-Wert der Pflanze (=osmotische Wert) erhöht. Dies bedeutet, dass der Gärtner die Wurzeln einer Lösung mit einem höheren EC-Wert aussetzen kann.
Was bewirkt ein höherer EC-Wert?
Durch Erhöhung des EC-Wertes im Inneren der Pflanze wird ein positiver Spiraleffekt erzielt, der dafür sorgt, dass sich sowohl die Wasserabsorption als auch die Wasserspeicherkapazität der Pflanze verbessern. Dies führt dazu, dass die Pflanze langsamer Wasser verdunstet und dadurch nicht so schnell austrocknet. Die nachstehende Tabelle zeigt ein Beispiel für eine Pflanze, die ihre Wasserreserven zu schnell aufgebraucht hat.
Wenn Pflanzen an Stabilität verlieren, muss die Lichtintensität verringert oder der Lichtzyklus verkürzt werden, um zu verhindern, dass sie bis zum Ende des Tages austrocknen. Obwohl der EC-Wert bei der Austrocknung eine wichtige Rolle spielt, ist er nicht der einzige entscheidende Faktor. Die Klimabedingungen in der näheren Umgebung der Pflanze wirken sich ebenfalls auf diese Prozesse aus.
Der Nährstoffbedarf
Bei der Erhöhung des inneren EC-Wertes der Pflanze (und damit im Substrat) ist es wichtig, die Anforderungen der Pflanze zu berücksichtigen. Durch Assimilation wird der Stoff- und Energiewechsel der Pflanze geregelt. Je größer die Pflanze ist, desto mehr Nahrung benötigt sie. Diese Nährstoffe sind teilweise in der Pflanze eingelagert und werden in Aminosäuren, Öle, Fette usw. umgewandelt. Andere wiederum werden im Pflanzensaft gespeichert und bestimmen den inneren EC-Wert der Pflanze. Kalium ist ein für die Erhaltung des Lebens essentieller Mineralstoff, der in der Zellkommunikation eine wichtige Rolle spielt.
Nach der vegetativen Wachstumsphase kann die Pflanze immer noch eine Menge Kalium aufnehmen, um ihren osmotischen Wert und die Fruchtknoten zu beeinflussen. (Unter Fruchtknoten versteht man nicht die befruchteten Samenanlagen.) Allerdings verlangsamt sich die Aufnahmerate. Bis zur zweiten Hälfte des Anbauzyklus hat die Pflanze genügend Nährstoffe aus den im Substrat gespeicherten Vorräten aufgenommen. Jetzt kann das Spiel "Nährstoffvorrat gegen EC-Wert" beginnen.
Der EC-Vorrat im Topf
Wir erläutern das Spiel anhand des "Eimer"-Prinzips.
Das Wasser im Substrat verdunstet zwar, nicht jedoch die darin enthaltenen Nährsalze. In den meisten Fällen empfiehlt es sich daher, in den letzten Wochen der Wachstumsphase keinen Dünger, sondern nur noch Wasser zu verabreichen. Denn wenn das Substrat nicht genügend Wasser enthält, kann der EC-Wert (d. h. die Salzkonzentration) sprunghaft ansteigen.
Beispiel:
Dieser Eimer enthält 10 Liter Düngelösung mit einem EC-Wert von 2 mS/cm. Das bedeutet, dass der Eimer 20 g Nährsalze (=Nährstoffvorrat) enthält (2,0 g/l x 10 Liter). Wenn 9 Liter Wasser verdunsten, bleibt 1 Liter Wasser mit einem EC-Wert von 20 (EC = 20 g Salz in 1 Liter Wasser) übrig. In Wirklichkeit würde es natürlich nie zu solch einer extremen Situation kommen, und beim Anbau auf Erde gibt es einen zusätzlichen Puffermechanismus, der dafür sorgt, dass die Nährsalze bis zu einem gewissen Grad an organische Substratpartikel gebunden werden. Das Prinzip gilt aber trotzdem. Bei Zugabe von 9 Litern Wasser, sinkt der EC-Wert auf 2 mS/cm. Wenn wir den EC-Wert zwischen 2 und 4 mS/cm konstant halten wollen, müssen wir das Wasser wieder auffüllen, sobald 5 Liter verdunstet sind (4 g/l x 5 Liter = 20 g, EC = 4 mS/cm).
Wenn sich im Eimer eine Pflanze befindet, die 5 g Nährsalze aus der Lösung absorbiert hat, füllen wir auch die Salzmenge wieder auf, um den EC-Wert auf 2,0 zu halten. Wenn der Eimer mit 5 Liter Wasser aufgefüllt werden muss, sollten wir 5 g Nährsalze beigeben oder kurz gesagt 5 Liter Wasser mit einem EC-Wert von 1,0 (g/l) oder mS/cm. Ziel ist es, den EC-Wert im Eimer bzw. im Substrat konstant zu halten.
Das ist der Grundgedanke beim Düngen. Wir versuchen, einen bestimmten Nährstoffgrad im Container aufrechtzuerhalten, um sicherzustellen, dass der Pflanze ein ausreichender Vorrat an Nährstoffen zur Verfügung steht. In der Regel sollten wir den EC-Wert in der letzten Anbauphase senken. Bei einem System, das über einen Abfluss verfügt, kann der Nährstoffvorrat dadurch reduziert werden, dass das Substrat mit einer Lösung, die einen niedrigeren EC-Wert aufweist, gespült wird. Bei solchen Systemen lässt sich der EC-Wert des Substrats wesentlich leichter korrigieren. Bei Systemen ohne Abfluss wird der Nährstoffvorrat mit jeder neuen Düngergabe aufgestockt. Früher oder später erreicht man jedoch ein Niveau, bei dem sich die Fähigkeit der Pflanze, Wasser aufzunehmen, zunächst verlangsamt und danach ganz einstellt, wodurch das Wasser aus dem Gewebe der Pflanze austritt und so eine Umkehrung des gesamten Prozesses bewirkt.
Zusammenfassung
Neben seiner Verwendung als Maßeinheit zur Angabe der verabreichten Düngermenge fungiert der EC-Wert auch als Klimaregelungsmechanismus, der die Wasseraufnahme steuert.
Zu Beginn des Anbaus sollte der EC-Wert niedrig sein, danach aber so rasch wie möglich gesteigert werden, um den Nährstoffbedarf der Pflanze zu decken und den osmotischen Wert zu erhöhen, wodurch man kräftigere Pflanzen erhält.
Während der letzten Anbauwochen benötigt die Pflanze kaum noch zusätzlichen Dünger. Die Düngemittelgaben dienen lediglich dazu, den Nährstoffvorrat im Substrat und somit den EC-Wert konstant zu halten. Dazu muss der EC-Wert in der Regel gesenkt werden. Mitunter kann es notwendig sein, das Substrat wöchentlich zu spülen, um alle Nährstoffe auszuwaschen.
