Acker als Flächenreaktor

Sonnenenergie, Photosynthese und Nahrung

  • Abb.1:  PhotosythesegleichungenAbb.1: Photosythesegleichungen
  • Abb.1:  Photosythesegleichungen
  • Abb. 2: Acker, ein  biologisches Nanosystem
  • Abb. 3: Die Schichten des Ackerlandes
  • Abb. 4: Verdauung in einem Wiederkäuermagen, ein Beispiel für einen lebenden Fermenter 1 Pansen, 2 Netzmagen, 3 Blättermagen, 4 Labmagen
Wasser und Kohlenstoffdioxid sind mit der Sonnenenergie die Voraussetzungen für das Leben schlechthin. Für die menschliche Ernährung kommt als vierte Komponente das fruchtbare Ackerland hinzu. Acker ist ein komplexes biologisches System, das einer sorgfältigen Pflege bedarf, um seine Regenerationsfähigkeit zu erhalten.
 
Durch die Massentierhaltung auf engstem Raum beginnt sich der bewährte Verbund zwischen Acker- und Viehwirtschaft in der Landwirtschaft aufzulösen. Das während der Ernte ausgedroschene Stroh wird zum Beispiel als wertvoller Viehdünger nicht mehr den Acker zurückgebracht.
 
Zwei Probleme gibt es in der Versorgung der Weltbevölkerung, die einer dringenden Lösung bedürfen. Zum einen die ausreichende Versorgung mit Nutzenergie und die mit reinem Süßwasser.
 
Es gilt zwischen der physiologischen (Nahrung) und technischen Nutzenergie zu unterscheiden. Nach den thermodynamischen Hauptsätzen ist die Nutzenergie der Anteil einer Energieform, die sich in Arbeit umsetzen lässt.
 
Die Sonne liefert mittels Strahlung reichlich Energie auf die Erdoberfläche, sie muss aber in Nutzenergie umgewandelt werden.
 
Die Photosynthese
 
Das gelingt mit Hilfe der Photosynthese. Sie ist chemisch betrachtet eine Hydrierungsreaktion und setzt in Gegenwart von Chlorophyll, Kohlenstoffdioxid, CO2, und Wasser, H-OH, zu Glucose um.
 
Glucose ist auch der Baustein für die Polymerprodukte Stärke, Zellulose, Pektine u. a. Sie enthalten die Sonnenenergie als chemische Energie gespeichert. Weitere Reaktionen setzen diese bei Mikroorganismen, Pflanzen, Tieren und Menschen zu Fetten und Proteinen um. Die Photosynthese findet sowohl in den Ozeanen bis zu einer begrenzten Tiefe, in Süßgewässern als auch auf dem Festland statt (Abb. 1). 
 
Die Summe der Gleichungen (1) bis (4) ergibt die Gesamtreaktionsgleichung der Photosynthese (5), die in der Natur mit Hilfe von Enzymen über zahlreiche Zwischenstufen in Gegenwart von Energiespeichern und Energieträgern verläuft, wie z. B.
ATP Adenosintriphosphat,
ADP Adenosindiphosphat,
NADP Nicotinamid-adenin-dinucleotid
 
Für die Sicherung der menschlichen Ernährung ist die Photosynthese auf den Landflächen erforderlich.

Aus ihr hat sich eine hochkultivierte Ackerwirtschaft entwickelt (Abb. 2).

 
Acker als biologisches System
 
Der Acker ist ein komplexes biologisches System, das ein optimales Gedeihen der Pflanzen und somit den Ablauf der Photosynthese ermöglicht. Der fruchtbare Teil des Ackers ist die Ackerkrume. Die Ackerkrume zeichnet sich durch eine bestimmte Bodenfeuchte, dem Haftwasser und der Porenstruktur aus. Im übertragenen Sinne kann Acker als ein sich selbst steuernder biologischer Flächenreaktor angesehen werden (Abb. 2)
 
Fruchtbares Ackerland ist im Wesentlichen aus drei sich ergänzenden komplexen Bestandteilen aufgebaut:
 
aus der von der Natur vorgegebenen Zusammensetzung der Erdschicht mit ihrem speziellen Ackerkrumenprofil (Abb. 3).
aus Grundwasser, Sickerwasser, Oberflächenwasser und kapillar aktivem Wasser.
aus einer Humusschicht mit einem System aus Mikroorganismen, Kleingetier wie Regenwürmern, Insekten, organischen Restsubstanzen und der typischen Porenstruktur.
 
Es wird zwischen fein-, mittel- und grobporigen Ackerkrumenstrukturen unterschieden. Feinporig ist kleiner als 0,2 µm, mittelporig 0,2 bis 50 µm ist besonders geeignet für Bakterienwuchs und Wasseraufnahme, größer als 50 µm ist großporig und fördert den Bakterienwuchs, hat aber ein geringes Wasserspeichervermögen.
 
Verbund zwischen Acker und Viehwirtschaft
 
Noch vor einigen Jahrzehnten bildeten in der Landwirtschaft die Acker- und Viehwirtschaft einen sich ergänzenden Verbund. In den letzten Jahrzehnten seit dem Ende des 2. Weltkrieges 1945 sind große Bereiche der Landwirtschaftsbetriebe in Deutschland, Europa und in den USA in selbständige unabhängige Wirtschaftsbetriebe getrennt worden. Es gibt die Unternehmen der Ackerwirtschaft und die der Massentierhaltung.
 
In Deutschland werden von 356,716 km2 Landesfläche 17 Mio. Hektar, das entspricht 170.000 km2, landwirtschaftlich bearbeitet, das sind 47,7 % der Landfläche; davon 11,9 Mio. Hektar als Ackerfläche, der Rest dient als Weide- und Grünland.
 
Die nachteiligen Folgen haben Langzeitcharakter. Mit überschweren Mähdreschern wird das Getreide auf den Feldern geerntet. Korn und Stroh werden getrennt abgefahren. Das Stroh gelangt nicht wieder über die Viehwirtschaft als Dung (Dünger) auf die Felder zurück. Mit jeder Tonne Stroh werden dem Acker ca. 250 kg Mineralsalze wie z. B. Nitrate, Phosphate, Carbonate u. a. entzogen. Diese müssen in Form von Kunstdünger ersetzt werden. Das Aufbringen von Kunstdünger führt oft zur Überdüngung, die sich nachteilig auf den Grundwasserkreislauf auswirkt.
 
Das zellulosehaltige Stroh wird zumeist teilweise fermentiert, um kurzkettige Kohlenwasserstoffe und Alkohole zu gewinnen.
 
Wiederkäuer und ihre Fütterung
 
Wiederkäuer, wie z. B. Rinder, Schafe, Ziegen vermögen Zellulose zu verdauen und somit als physiologische Energiespender auszunutzen. (Abb. 4)
 
Es wäre besser, den Wiederkäuern die Fermentation zellulosereicher Abfälle zu überlassen, d. h. sie mit zellulosehaltigem Futter zu versorgen. Damit könnte eine weitere Fehlentwicklung gestoppt werden, nämlich die Fütterung von Wiederkäuern in der Massentierhaltung mit hochwertigem Getreide und Sojamehl.
 
Zwei Drittel der Getreideernten werden zurzeit in Deutschland als Tierfuttermittel verbraucht, darunter befindet sich auch der Anteil der zu Bio-Ethanol als Kraftstoffzusatz umgesetzt wird. 
 
2014 wurden in Deutschland 1,484 Mio. Tonnen Getreide und 2,6 Mio. Tonnen Zuckerrüben für die Bioethanolproduktion verwendet. Daraus wurden ca. 726.881 Tonnen Bioethanol erhalten. Parallel zu dieser Entwicklung hat auch die Aussaat von Monokulturen zugenommen. Sie führen zu einer einseitigen Verarmung des Ackers an Mineralien. Eine entsprechende Mengen Getreide für die menschliche Ernährung wird aus dem Ausland eingeführt. 
 
Die Massentierhaltung auf engstem Raum, wie sie derzeitig bei Rindern, Schweinen und dem Federvieh gehandhabt wird, ist mit einem weiteren Problem verbunden. Je dichter biologische Systeme auf engem Raum angesiedelt sind, je höher ist die Gefahr von äußeren bakteriellen Infektionen. 
 
In der EU werden daher jährlich bis zu 9 000 Tonnen Antibiotika eingesetzt, um solchen Infektionen vorzubeugen. Ob und wieviel Antibiotika über die Gülle in den natürlichen Wasserkreislauf gelangen, wird zumeist verschwiegen. Auch die Gülleentsorgung in der Massentierhaltung ist aufwändig. Sie kann nicht zu jeder Jahreszeit auf die Äcker gebracht werden. Lange Lagerzeiten in Reservebehältern führen zu einer Zersetzung des wertvollen Harnstoffes in Ammoniak und Kohlenstoffdioxid:
 
 
 
Ob es einen Zusammenhang zwischen dem Einsatz von Antibiotika in der Massentierhaltung und dem Auftreten von resistenten Bakterien gibt, sollte geklärt werden.
 
In welchem Maße die Windkraftwerke mit ihren langen Flügelrädern Einfluss auf die Fruchtbarkeit der Äcker haben, muss sorgfältig beobachtet werden. Dort wo Windkrafträder dicht beieinander aufgestellt werden, wird die Vogelwelt vertrieben. Die Vögel haben somit keinen Zugang mehr zu dem Kleingetier, das die Qualität der Ackerkrume mit beeinflusst.
 
Das Weizenkorn enthält alle wichtigen Bestandteile, die der Mensch als Nahrung benötigt: Stärke und Fette als physiologische Energiespender, Eiweiß mit seinen essentiellen Aminosäuren als Wirkstoff und Werkstoff, wasser- und fettlösende Vitamine und nicht zuletzt die erforderlichen Mineralien.
 
Zusammenfassung
 
Zusammengefasst darf gesagt werden, dass Ackerland mit der Sonnenergie, dem Wasser und dem Kohlenstoffdioxid die Grundlage für die Bereitstellung von physiologischer Nutzenergie auf dem Festland ist. Mit diesen Ressourcen muss vernünftig umgegangen werden, denn sie sind für die Versorgung der Menschen mit Nahrung und Energie essentiell. Jahrtausendlang etablierte und bewährte Stoffkreisläufe wurden in den vergangenen Jahrzehnten immer weiter durchbrochen, zum Nachteil jeder einzelnen Komponente und damit der Versorgung der Menschen.
 
Autor: Vollrath Hopp
 
Kontakt   
Prof. Dr.-Ing. Vollrath Hopp
Ehrenmitglied der Universität Rostock
Obmann für Umwelt des VDI 
Frankfurt-Darmstadt
Dreieich
vollrath.hopp@gmx.de
 

 

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