Kalkwert von Düngemitteln - eine Bewertung von ... - bei der DHG!

Dr. Hagen Trott 

DüKa, 19.02.2008 

Kalkwert von Düngemitteln 

- eine Bewertung von Düngesystemen - 


Vortragsveranstaltung der Düngekalk-Hauptgemeinschaft 

19. Februar 2008 in Fulda


DüKa, 19.02.2008 


Gliederung des Vortrags 

1. Einleitung 

2. Wirkungsmechanismen von Mineraldüngern auf den pH-Wert 

3. Beurteilung der Kalkwirkung von Düngemitteln und Düngesystemen 

4. Konsequenzen für die landwirtschaftliche Praxis


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Historie 

1850 – Anfang 19 Jhd. Wasserkulturversuche von Knop, Rautenberg, 

Kühn, Kappen, Lukacs u. a. 

1920er-30er Wirkung von Düngemitteln auf den Boden-pH-Wert 

(Alison, Pierre) 

Ab Mitte 20. Jhd. pH-Wirkung der Mineraldüngerapplikation und 

Folgen für Nährstoffverfügbarkeit, Bodenleben 

u. a. 

1969er Sluijsmans-Formel 

1970er Folgearbeiten, u. a. von Gutser und Amberger, 

Römheld, Kerschberger, Rathsack u. a.


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Ursachen der Bodenversauerung 

Ursache kg CaO/ha Bemerkungen 

Kalk-Auswaschung -300 – -700 (Acker) 

-150 – - 450 (Grünland) 

Saure Niederschläge > -85 (1987*) 

Neutralisierung der bei 

Reduktionsprozessen 

gebildeten Säuren 

Entzug mit der Ernte -70 (Getreide) – -350 

(Klee, Luzerne) 

Sauer wirkende 

Düngemittel 

Abhängig von den 

Niederschlägen, 

Bodendurchlässigkeit, 

Kalkvorrat, Nutzung 

ca. - 50 (1987*) Abhängig vom 

Lufthaushalt im Boden 

-400 – +250 

Kultur, Ertragsniveau, 

Erntereste 

Quelle: A. Wiedemann-Sander 1987, verändert


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Kalkwirkung von Mineraldüngern 

Düngesalze 

(Anion + Kation) 

+ 

Nebenbestandteile 

pH-Wert/Basensättigung pH-Wert 

+ 

KAK/Basensättigung 

Bodeneigenschaften 

SNK/BNK


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Faktoren für die basische/saure Wirkung von Düngesalzen und 

Nebenbestandteilen: 

1) Chemische Eigenschaften der Düngemittel (pH-Wert, basisch wirksame 

Bestandteile) 

2) Mikrobielle und chemische Umsetzungen im Boden (Nitrifikation u. a.) 

3) Physiologische Reaktion 

4) Biomassebildung/Ernteentzug/Mineralisierung 

5) Wechselwirkung Bodenlösung – feste Bodensubstanz 

(Adsorption/Desorption/Verwitterung/Mineralbildung/Oxidation/Reduktion)


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I. pH-relevante chemische Eigenschaften 

- Eigen-pH-Wert 

- Sauer und basisch wirksame Bestandteile 

- Löslichkeit (Rohphosphat ....) 

- Reaktivität (Kennwert für Kalkdüngemittel)


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Salz Reaktion in wässriger 

Lösung 

Beispiele 

Schwache Säure + starke Base Alkalisch (pH>7) CaCO 3 

Starke Säure +schwache Base Sauer (pH


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Leicht wasserlösliches Mono-Ca-Phosphat Ca(H 2 PO 4 ) 2 

H 2 O-(Dampf) 

Ca(H 2 PO 4 ) 2 

H 3 PO 4 

H 3 PO 4 H 3 PO 4 

H 3 PO 4 

Freisetzung von: 

Al-, Fe und Ca-Ionen 

CaHPO 4 

(1) Ca(H 2 PO 4 ) 2 + 2 H 2 O → CaHPO 4 * 2H 2 O + H 3 PO 4 

CaHPO 4 

(2) CaHPO 4 * 2H 2 O → Ca 4 (H(PO 4 ) 3 *3H 2 O + H 3 PO 4 + 5H 2 O 

CaHPO 4


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II. Mikrobielle und chemische Umsetzungsprozesse


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Stickstoff: Nitrifikation wirkt versauernd 

(1) NH 4 + + 3/2 O2 → NO 2 - + H2 O + 2H + (Nitrosomonas) 

(2) NO 2 - + ½ O2 → NO 3 - (Nitrobacter) 

(3) NH 3 + 2O 2 → HNO 3 + H 2 O 

Fazit: 

� Nitrifikation von NH 4 + senkt den pH-Wert, da sie mit einer Spaltung von NH4 + 

zu NH 3 + H + verbunden ist 

� Nitrifikation ist ein Grund für die allmähliche Versauerung zahlreicher Böden


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Stickstoff: Denitrifikation wirkt alkalisierend 

2NO 3 - + 12H + + 10e - → N2 + 6H 2 O 

Fazit: 

� Denitrifikation = Reduktion von NO 3 - zu N2 O und N 2 

� H + werden verbraucht 

� Denitrifikation = Gegenpol zur Nitrifikation 

� Alkalisierende Wirkung in Böden sollte nicht unterschätzt werden


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Stickstoff: NH 3 -Verluste wirken versauernd 

(1) NH 4 + + OH - → NH3 ↑ + H 2 O 

� Hauptsächlich auf neutralen bis alkalischen Böden


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Stickstoff: Harnstoff 

Hydrolyse des Harnstoffs: 

(1) NH 2 -CO-NH 2 + H 2 O → 2NH 3 + CO 2 

(2) 2NH 3 + 2H 2 O → 2 NH 4 + + 2OH - 

Fazit: 

� starke pH-Anhebung am Düngerkorn, da bei der Lösung von NH 3 OH - -Ionen 

freigesetzt werden 

� begünstigt NH 3 -Verluste


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Modellversuch zur Darstellung der pH-Änderung im Boden durch Nitrifikation 

im Verlauf der Zeit in Nähe des Düngerkorns (Wissemeier, BASF) 

pH-Wert 

9,5 

9 

8,5 

8 

7,5 

7 

6,5 

6 

7,4 

7 

Kalkammonsalpeter 

7,4 7,4 7,4 

6,75 

6,4 

6,2 

7 15 21 28 

Tage 

pH-Wert 

9,5 

9 

8,5 

8 

7,5 

7 

6,5 

6 

7,6 

7,3 

Harnstoff 

9,1 

7,4 

8,75 

6,75 

8,4 

6,5 

7 15 21 28 

Messpunkt: direkt am Korn Abstand zum Korn 

Tage


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2NH 3 + 2H 2 O → 2NH 4 + + 2OH - 

Basische Wirkung durch: 

- Bildung von Ca(OH) 2 und NH3-Bildung - basisch wirksame Nebenbestandteile 

Quelle: Alzchem, verändert


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Elementarer Schwefel 

� Elementarer Schwefel ist in Wasser unlöslich und reagiert nicht mit diesem 

� Elementarer Schwefel wird mikrobiell aber auch abiotisch oxidiert unter 

Bildung von Schwefelsäure 

S + 3O 2 + 2H 2 O → 2H 2 SO 4 → 4H + + 2 SO 4 2- 

� Anwendung zur gezielten pH-Absenkung des Boden (pH>8)


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III. Physiologisch Reaktion 

K + 

H + 

NO 3 - 

HCO 3 - 

+ H + H 2 O+CO 2


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Physiologische pH-Wirkung hängt ab: 

� vom Nährstoffangebot und der Nährstoffform, Höhe der Düngergabe 

� vom Verhältnis der aufgenommenen Anionen zu den Kationen, im 

wesentlichen Ca2+ , Mg2+ , K + 

� vom aufgenommenen Anteil der zugeführten Ionen (hängt von 

Umweltfaktoren ab) 

� von weiteren Faktoren, wie Pflanzenart, -sorte, Pufferkapazität des 

Bodens, Nährstoffversorgungsgrad der Pflanzen u. a.


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Kalkwirkung von Mineraldüngern: P 

Physiologische Reaktion: Ca(H 2 PO 4 ) 

- Bevorzugte Aufnahme von P-Ionen (H 2 PO 4 - , HPO4 2- ) gegenüber Ca 2+ 

durch die Pflanzenwurzel 

- Zusätzlich stehen mehr Ca-Ionen für die Kationenbelegung des 

Sorptionskomplexes zur Verfügung 

Folgen: 

� Primäres Calciumphosphat (TSP, SP) reagiert als Lösung sauer, im 

Wasserkulturversuch aber physiologisch alkalisch 

� Je weiter das Ca/P-Verhältnis, desto höher kann die physiologisch 

bedingte basische Wirksamkeit sein (Voraussetzung: Ca-Phosphat 

geht in Lösung und ist tatsächlich pflanzenverfügbar) 

� Anstieg der KAK/BS


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Kalkwirkung von Mineraldüngern: N-Formen 

NO - NH + NO - 

3 4 3 NH + 

4 

So-Weizen 

Mais


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Kalkwirkung von Mineraldüngern: K 

Einfluss der Kaliumform 

� KCl und K 2 SO 4 wirken physiologisch sauer (Nährlösungsversuche) 

� Versauernde Wirkung in Rhizosphäre: KCl < K 2 SO 4 

� Grund: Unterschiedliche Aufnahmerate der Cl - -und SO 4 2+ -Ionen


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IV. Biomassebildung/Ernteentzug/Mineralisierung 

� Jeder Ertrag wirkt versauernd 

� Hohe Ernten hinterlassen saureren Boden als geringe 

Ernten 

- Pflanze entzieht dem Boden mehr Kationen als Anionen (abhängig 

von Pflanzenart, - Sorte, u. a.) 

Düngung erhöht den Ertrag und damit die Basenabfuhr


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Faktoren für die basische/saure Wirkung von Düngesalzen und 

Nebenbestandteilen: 

1) Chemische Eigenschaften der Düngemittel (pH-Wert, basisch wirksame 

Bestandteile) 

2) Mikrobielle und chemische Umsetzungen im Boden (Nitrifikation u. a.) 

3) Physiologische Reaktion 

4) Biomassebildung/Ernteentzug/Mineralisierung 

5) Wechselwirkung Bodenlösung – feste Bodensubstanz 

(Adsorption/Desorbtion/Verwitterung/Mineralbildung/Oxidation/Reduktion)


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Düngung beeinflusst den Kationen/Anionen-Haushalt des 

Bodens 

Beispiel: Basensättigung 

-Stark entbaste Böden 

-Zugabe von Neutralsalzen kann zu einer weiteren Versauerung führen 

-Grund: Desorption von H + - und AL 3+ -Ionen 

-Nur bei Böden deren pH-Werte unter 5,0 liegen


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Kalkwirkung von Mineraldüngern: P-Düngung 

pH-Anstieg gegenüber P0 (Versuchsende pH = 4,4) 

stL, pH 4,8, 2 mg CAL-P 2 O 5 /100 g Boden 

Düngung: 3,0 g Gesamt P 2 O 5 /Gef. 

P-Form Ohne Bewuchs 

„chemisch 

bedingte“ 

Kalkwirkung 

Hyperphos 

Thomasph. 

Rhenaniaphosphat 

Superphosphat 

Novaphos 

0,3 

0,5 

0,4 

0,1 

0,2 

Mit Bewuchs 

„gesamte“ 

Kalkwirkung 

1,0 

1,2 

0,9 

0,4 

0,5 

„physiologisch 

bedingte“ 

Kalkwirkung 

0,7 

0,7 

0,5 

0,3 

0,3 

Quelle: R. Gutser und A. Amberger, 1981


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Kalkwirkung Phosphatdüngung 

� Kalkwirkung ist primär bedingt durch den Anteil basisch bzw. sauer wirkender 

Bestandteile 

� Basisch wirkende Bestandteile: Oxide, Hydroxide, Carbonate, Silikate der Alkali- und 

Erdalkalibestandteile sowie Ca-Phosphate 

� Ferner: Die gegenüber Ca bevorzugte Aufnahme von P-Ionen (H 2 PO 4 - , HPO4 2- ) 

Faktoren: 

� Löslichkeit 

� P-Wirksamkeit (pH, Bodenfeuchte, Temperatur)


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Chem. Kalkwirkung 

� Gute Kalkwirkung: Thomasphosphat, Rhenaniaphosphat (hoher Anteil basisch 

wirkender Bestandteile) 

� Geringere (verzögerte) Kalkwirkung: Rohphosphat (Hyperphos) 

� Sauer - neutral: Superphosphat, Novaphos 

Physiologische Kalkwirkung 

� Unter Pflanzenbewuchs steigt die Kalkwirkung sämtlicher P-Dünger 

Gesamtwirkung (Werte in kg CaO/100 kg Produkt, nach Gutser u. Amberger) 

� Schwache Kalkwirkung: Superphosphat (0-5), Novaphos (10-15) 

� Gute Kalkwirkung (40-50): Thomasphosphat (45-50), Rhenaniaphosphat (40-45), 

Hyperphos (30-40) 

� Hängt ab von der Löslichkeit u. Wirksamkeit unter den jeweiligen 

Standortbedingung (pH-Wert) ab


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Kalkwirkung von Mineraldüngern: N-Düngung 

NH 4 NO 3 

Nitrifikation nein ja 

NH 4-Aufnahme 

ja 

HNO 3 

Quelle: Reuß & Johnson 1986, verändert 

2 HNO 3 

ja ja 

NO 3-Aufnahme nein nein 

Auswaschung M + + NO 3 - 

H 2 O 

Netto-H + -Produktion 1 0 

2 

2M + + 2NO 3 -


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Kalkwirkung Stickstoffdüngung: Wichtige Faktoren 

� Nitrifikation 

� Aufnahme durch die Pflanze (N-Wirksamkeit) bzw. N-Verluste 

� Stickstoffkomponente wird immer schneller aufgenommen als Begleition 

� Stickstoffform (Ammonium, Nitrat, Harnstoff, Kalkstickstoff) 

� Basisch wirksame (Neben)-Bestandteile (z. B. KAS, Kalkstickstoff)


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Gesamtwirkung 

� Ammoniumdünger (AS, ASS, DAP) wirken bodenversauernd 

� Nitratdünger (z. B. Kalksalpeter Ca(NO 3 ) 2 , Chilesalpeter NaNO 3 ) wirken alkalisch 

� Ammoniumnitrat (AN, KAS) und Harnstoff wirken aufgrund von N-Verlusten i. d. R. 

bodenversauernd 

� Kalkstickstoff wirkt alkalisch (chemisch + physiologisch); Nebenbestandteile 

(CaCO3 , Ca(OH) 2 u. a . )


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Beurteilung der Kalkwirkung 

Kennwerte zur Wirkung von Düngemitteln auf den pH-Wert bzw. 

Kalkzustand des Bodens (ohne Kalkdünger) 

- Basische wirkende Bestandteile 

- Kalkwerte


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Beurteilung der Kalkwirkung: Basisch wirk. Bestandteile 

Basisch wirksame Bestandteile 

Maß für das Neutralisierungspotential 

• ausgedrückt durch die Menge an Säure, die von der Mengeneinheit 

Düngekalk neutralisiert werden kann 

• auf der Basis von Neutralisationsäquivalenten in CaO umgerechnet 

• Methode: Probenvorbereitung mit HCL; Tritration mit NaOH 

Rechtliche Anforderungen 

- Kalkdüngemittel 

- übrige Düngemittel: Deklaration ab 10% CaO (gilt nicht für EG-Düngemittel)


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Beurteilung der Kalkwirkung: Rathsack 

Kalkwert von N-Düngemitteln (Quelle: K. Rathsack, Hannover) 

kg CaO / 1 kg N 

4 

3 

2 

1 

0 

-1 

-2 

-3 

-4 

-5 

Nitrifikation 

Kalkstickstoff 20% N, 60% CaO 

0 20 40 60 80 100 

Harnstoff / AN 35%N 

AS 21% N 

% N-Verwertung 

Ca-Nitrat 15,5%N, 31% CaO 

KAS 24%N, 16% CaO 

y=0,02x+1,0 

y=0,02x 

y=0,02x+1,3 

y=0,02x+2,0 

y=0,02x+4,0


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Beurteilung der Kalkwirkung: Sluijsmans 

Grundannahmen 

�Anionen versauern (negativ), Kationen wirken basisch (positiv) 

�Kationen und Anionen werden in äquivalente Mengen an CaO umgerechnet 

�Korrekturen aufgrund empirischer Beobachtungen und theoretischer Überlegungen 

�Durch Addition dieser Komponenten wird der Kalkwert berechnet 

E (kg CaO/100 kg Produkt) = 

1,0 x CaO +1,4 x MgO + 0,6 x K 2 O + 0,9 x Na 2 O 

- 0,4 x P 2 O 5 - 0,7 x SO 3 (1,75 bei S) - 0,8xCl – n x N 

( n= 0,8 für Grünland; 1,0 für Acker )


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Ableitung der Faktoren für K 2O, CaO, MgO, Na 2O, Cl, SO 3 

� Versuche zu KCl, K 2 SO 4 , MgSO 4 , CaSO 4 , NaCl: keine pH-Wirkung 

� Annahme: Alkalische Wirkung der Kationen hebt saure Wirkung der Anionen auf 

� Theoretische Ableitung: 

- Kationen und Anionen dieser Düngemittel werden in äquivalente Mengen an CaO 

umgerechnet 

- Kationen positiv, Anionen negativ 

Folge: Beispiel theoretische Ableitung aus der Chemie: 

1 kg K 2 O äquivalent +0,6 kg CaO 

1 kg Cl äquivalent -0,8 kg CaO


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Ableitung des Faktors für P 2O 5 

theoretisch aus der Chemie: 

� 2 H3PO4 + 3 CaO → 3 Ca + +2 PO 3- 

4 + 6 H2O � 1 Mol P2O5 binden max. 3 Mol CaO 

� d. h. 1 kg P2O5 binden 1,2 kg CaO 

Aber: 

� Versuche mit Superphosphat (Ca(H 2 PO 4 ) 2 ): neutrale Wirkung bei Böden mit 

pH 5 – 6 

� Annahme: 

- Saure Wirkung von P 2 O 5 hebt alk. Wirkung des Kations auf 

- 2 H 3 PO 4 + 1 CaO → Ca(H 2 PO 4 ) 2 + H 2 O 

- Monocalciumphosphat enthält 0,4 kg CaO je kg P 2 O 5 : Deshalb Faktor -0,4 

� Weitere Aussage: 

- Anpassung des Wertes bei höheren und niedrigeren pH-Werten erforderlich


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Ableitung des Faktors für Stickstoff 

� Grundannahmen: 

• Nitrat als Anion wirkt versauernd 

• Nur das im Boden verbleibende NO 3 - wirkt versauernd 

�v. a. die Nährstoffaufnahme der Pflanzen, aber auch Denitrifikation 

reduzieren versauernde Wirkung 

�N-Ausnutzung: Grünland (70%), Ackerland (50%). 

• Wirkung von NH 4 + gleich NO3 - 

� Theoretische Ableitung: 

• Faktor für Grünland: -0,8; für Acker: -1,1 >>wegen Denitrifikation -1,0


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Fazit Sluijsmans-Formel: 

� Die Formel liefert theoretische Werte 

� Größenordnung der Kalkwirkung kann zur Charakterisierung von Düngemitteln 

herangezogen werden 

Kritischpunkte 

� Mechanismen der Kalkwirkung werden nicht hinreichend berücksichtigt 

� Tatsächliche Kalkwirkung hängt von Standortbedingungen und Kulturpflanzen ab 

� Kalkwert bei Mehrnährstoffdüngern ist eine Punktaufnahme zum Zeitpunkt der 

jeweils geltenden Rezeptur 

� Gesamt-Kalkverluste weitaus höher als der Einfluss der Unterschiede der Dünger 

� Es lässt sich nicht ableiten, in welchem Umfang mehr oder weniger gekalkt werden 

muss


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Düngemittel Kalkverlust bzw. -gewinn in kg 

CaO 

Stickstoffdünger (% N) je 100 kg N je 100 kg 

Dünger 

Schwefels. Ammoniak, SSA (21) -299 -63 

Ammonsulfatsalpeter, ASS (26) -188 -49 

Harnstoff , Piagran (46), Alzon 47 (47) -100 -46 

AHL -100 -28 

Kalkammonsalpeter (27) -56 -15 

Stickstoffmagnesia (22) -18 -4 

Kalksalpeter (15,5) +84 +113 

Kalkstickstoff (21) +186 +39


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Ausblick 

Gruppe Symbol Kalkwert 

In kg CaO/100 

kg Produkt 

Ackerbauliche 

Wirkung 

Sorte 

(Beispiel) 

Kennfar 

be 

A 1 --- < -50 Stark versauernd Harnstoff Pink 

B 2 -- -35 - -50 versauernd NHL Rot 

C 3 -10 - -35 schwach 

versauernd 

NPK-Dünger Gelb 

D 4 O -10 - + 10 Neutral Kalidünger weiß 

E 5 + 10 – 35 Schwach 

kalkmehrend 

Rohphosphat 

Thomaskali 

„Rückstandkal 

ke“ 

F 6 ++ 35 – 50 Kalkmehrend Kohlens. Kalk, 

Konverterkalk 

G 7 +++ >50 Stark kalkmehrend Branntkalk, 

Mischkalk 

hellgrün 

Grün 

Blau 

Quelle: Pollehn


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Ausblick 

100 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

-10 

-20 

-30 

-40 

-50 

-60 

-70 

Magnesium-Branntkalk 

kg CaO/dt Dünger 

Magnesium-Mischkalk 

Kohlensaurer Magnesiumkalk 

ENTEC avant 12+7+16(+4+5) 

Nitrophoska Mg plus 12+5+17(+5+11) 

BLAUKORN ENTEC spezial 12+12+17(+2+6) 

Kalkammonsalpeter Rieselkorn 27 

YARA NPK 16+16+16 


Kalkdünge NPK 

N-Einzel auf KAS- 

Andere N-Dünger 

Nitrophoska suprem 20+5+10(+3+3) 

Nitrophoska 12+12+17(+2+8) 

COMPO Blaukorn ENTEC 14+7+17S+2+9+TE 

YARA Sulfan 

YARA OptimagPLUS 

stark 

alkalisch 

schwach alkalisch 

ENTEC 24-8-7 

YARA NPK 21+6+11 (+2+3,6) + Bor 

neutral 

schwach 

sauer 

sauer 

stark sauer 

ALZON flüssig 

PIASAN 24-S 

ENTEC 25+15 

premago 

ALZON 46 

ENTEC 26 

YARA Harnstoff, granuliert 

PIAMON 33-S 

Quelle: Pollehn


DüKa, 19.02.2008 

Kalkwirkung von Düngesystemen 

50 

0 

-50 

-100 

-150 

-200 

DHG-210196 

Sauer.prs 

Saure Düngung kostet Kalk 

Jährlicher Kalkverlust bzw. -gewinn durch Düngung in einer Fruchtfolge 

Z-Rüben-Getreide-Getreide - n. BASF 

140 kg/ha N, 50 kg/ha P2O5, 90 kg/ha K2O 

kg/ha CaO Kalkverlust/ -gewinn je 100 kg Nährstoff 

NPK 

13+9+4 

+KAS 

NPK 

20+8+8 

+KAS 

+Kali-Ausgleich 

NP 

20+20+KAS 

+Kali- 

Ausgleich 

N+P+K 

+KAS+ 

TSP 

+Kali 

N+P+K 

+AHL+DAP 

+Kali 

N+P+K 

Harnstoff 

+DAP+Kali 

N+PK 

KAS+Th-Kali 

12+18 

+/- kg CaO -152 -118 -91 -78 -163 -163 26


DüKa, 19.02.2008 

Konsequenzen für die Landwirtschaft 

Was braucht der Landwirt 

� Düngesystem ausrichten auf Nährstoffeffizienz 

und Bodenfruchtbarkeit 

� Informationen, ob er sauer oder basenzuführend düngt 

- pH-Wirkung 

- Kulturpflanzen 

- Böden 

- Mobilität von Nährstoffen 

� Bemessung der Kalkgabe anhand von Bodenuntersuchungen

Kalkwert von Düngemitteln - eine Bewertung von ... - bei der DHG!

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