Wetting Agents (Teil 1)

Versprechen und Realität

Was sind sie und was können sie – eine Entscheidungshilfe für den Anwender.

 

Seit ihrer Einführung vor 50 Jahren wurden Wetting Agents weltweit zu einem immer bedeutenderen Bestandteil im Pflegeprogramm der Greenkeeper. Betrachten wir zunächst die im angelsächsischen eher gebräuchliche Bezeichnung „Soil Surfactant“. Dabei handelt es sich um die Abkürzung für „SURFace ACTiv AgenNT“ = Oberflächen wirksame Substanz. Die Soil Surfactants waren zunächst einfache, i.d.R. nicht ionische Substanzen zur Behebung von Infiltrationsproblemen und LDS (Localized Dry Spot – lokale Trockenstellen) im Rasen. Weil es bezüglich der Wirksamkeit dieser Produkte kaum Forschung gab, wurden sie zunächst größtenteils als „Quacksalberprodukte“ angesehen, denn die ersten Soil Surfactants hatten das Potential, bei falscher Anwendung den Rasen zu verbrennen. Trotz allem aber steigerte sich die Akzeptanz für diese Produkte bei Greenkeepern und anderen Personen, die mit Rasenpflege zu tun hatten, im Laufe der Zeit langsam, aber beständig, da sie zu einer besseren Wasserpenetration und zur Vermeidung vom LDS-Problemen führten.

Abb. 1: LDS in einer Rasentragschicht eines Grüns. Scharf abgegrenzte Linie zwischen feuchtem (rechts) und hydrophobem (links) Bereich. (Quelle: Lung)

Innerhalb der letzten 30 Jahre nahm die Forschung über Wetting Agents stetig zu. Einen beträchtlichen Anstieg konnte in den letzten zehn Jahren verzeichnet werden. Dabei zeigte es sich, dass einige Produkte in der Tat eine hohe Effektivität bei der Beeinflussung der Bodenwasserverhältnisse haben, und dem Greenkeeper helfen können, eine hohe Rasenqualität aufrecht zu erhalten. Im Verlauf der Intensivierung des Rasenmanagements, zusammen mit zunehmendem sandigen Aufbau der Rasenflächen, und des wachsenden Wissens um die Bedeutung der Wasserabstoßung des Bodens (SWR – Soil Water Repellency), wurden Neuentwicklungen für den Greenkeeper benötigt, um die Rasenqualität zu verbessern und aufrecht zu erhalten.

 

In den letzten Jahren gab es eine „Technologieexplosion“ auf dem Rasenmarkt. Es wurden neue Wetting Agents entwickelt, die den Durchfluss des Wassers durch die Wurzelzone beeinflussten. Diese neuartigen Produkte helfen dem Greenkeeper nicht nur, Wasserabstoßung zu behandeln, sondern ihr vorzubeugen, bevor sie entsteht. Dies gilt auch für andere, mit Wasser in Zusammenhang stehende Probleme. Wetting Agents wurden zu Hilfsmitteln für den Greenkeeper, mit denen er eine einheitliche Platzqualität und ein effektives Wasser- und Pflegemanagement in einer sowohl ökonomisch als auch ökologisch verantwortungsvollen Art und Weise sicher stellen kann.

Was ist Wasserabstoßung und wie entsteht sie – Soil Water Repellency (SWR)?

Der Wasserabstoßungseffekt, im Folgenden kurz Hydrophobie genannt, tritt bei den verschiedensten Bodentypen auf und stellt vor allem in Böden von Rasenflächen mit hohem Pflegeaufwand auch ein kommerziell sehr wichtiges Problem dar. Hydrophobie in Böden resultiert aus einer Vielzahl an hydrophoben (Wasser abstoßenden) organischen Substanzen, die sich als unpolares „Coating“ (Überzug) an Bodenpartikeln anlagern. Diese organischen Materialien, die von Pilzhyphen, Bodenbakterien, Huminstoffen, Pflanzenwurzelexsudate oder pflanzlichen Abbauprodukten (Blattwachse, Schnittgut, tote Wurzeln, Filz) stammen (siehe Abbildung 2), sammeln sich in den Bodenporen oder auf der Oberfläche von Bodenpartikeln an. Nach wiederholtem Befeuchten und Trocknen unterliegt die organische Masse des Bodens einer konformativen Veränderung, die in einem unpolaren, hydrophoben Überzug resultiert. Sogar geringe Mengen an hydrophober organischer Masse beeinflussen den Wassertransport und die Befeuchtung des Bodens.

Abb. 2: Ursprung hydrophober organischer Substanzen, die zu einem unpolaren Coating von Bodenprartikeln führen können. (Quelle: Courtesy of P.D. Hallett, Scottish Crop Research Institute)

Wissenschaftler der CORNELL Universität, USA, fanden heraus, dass schon 5% (Gew.-%) hydrophober Sandpartikel eingemischt in hydrophilem Sand die Benetzung und somit die Durchnässung verhindern – der Boden ist nicht mehr zu befeuchten. Wenn dagegen nur 3% hydrophober Partikel im hydrophilen Gefüge vorhanden sind, resultiert daraus ein Finger Flow („bevorzugter Wasserfluss“; siehe Abbildung 4) mit sehr unregelmäßiger Durchfeuchtung der Wurzelzone.Mit weniger als 1% hydrophober Partikel in sonst hydrophilem Sand bleibt das Gemisch wohl benetzbar, der Durchfluss wird allerdings verändert und bleibt ungleichmäßig. Sobald der kritische Feuchtigkeitsgehalt (der volumetrische Wassergehalt unterhalb des Punktes, an dem der Boden kaum noch benetzbar ist) erreicht ist, wechselt der Boden von benetzbar zu nicht mehr benetzbar, was die Infiltration und den Durchfluss nachhaltig beeinflusst. Einfacher ausgedrückt: Böden, die den kritischen Feuchtigkeitsgehalt erreicht haben, sind sehr schwer wieder zu benetzen. Die Folge ist, dass die Niederschläge bzw. das Beregnungswasser entweder vermehrt als „Run-off“ oberflächlich abfließen, und/oder als Fingerflow durch das Bodenprofil geleitet wird. Letztendlich nimmt die Wassereinlagerung des Bodens ab, die Produktivität der Rasennarbe schwindet (Wachstums und Qualität), die Effizienz der Dünger und Pestizide ist ebenfalls reduziert, ebenso die der Beregnungsqualität.

 

Ursprünglich richteten sich die Pflegestrategien darauf aus, die LDS-Symptome zu vermindern. Die Erhaltung der Bodenfeuchte oberhalb des kritischen Feuchtigkeitsgehaltes beugt LDS vor. Allerdings steht diese Strategie im Gegensatz zu einer großen Anzahl von Pflegevorgängen. Man bevorzugt möglicherweise eine eher etwas trockene Rasentragschicht, um die Spielbedingungen zu optimieren. Die Konsequenz davon ist, dass die Rasentragschicht unter den kritischen Feuchtigkeitsgehalt fällt und wasserabstoßend – hydrophob – wird.

 

Praktiken zur Förderung des Rasenwachstums können unter Umständen zu einer Anreicherung von organischer Masse und Filz in der oberen Wurzelzone führen, die bei Trockenheit wasserabstoßend werden kann. Dieses Problem kann durch die neuen Agrostis-Sorten zunehmen, die stark zur Filzbildung neigen. Diese Faktoren können weiter verstärkt werden durch Bearbeitungsstrategien, die den Luftaustausch und den Abbau von exzessivem Filz und organischer Masse einschränken. Bei Filzanreicherung wird die Feuchtigkeit in der Wurzelzone zunehmend problematischer –  bei Trockenheit kann der Filz wasserabstoßend werden, sodass kein Wasser mehr die Filzschicht durchdringen und die darunterliegende Rasentragschicht bewässern kann. Im umgekehrten Fall trocknet Filz bei Nässe nur sehr langsam. Das Potenzial für Pilzkrankheiten steigt, und die Spieleigenschaften der Narbenoberfläche sind nur noch befriedigend.

 

Heute wendet so gut wie jeder Greenkeeper Wetting Agents an, und die Anzahl der Produkte auf dem Markt wächst jedes Jahr. Ein solches Sortiment kann für Käufer bzw. Anwender sehr verwirrend sein – welches Produkt sollen Sie verwenden? Dieser Artikel soll versuchen, diese Verwirrung etwas durchsichtiger zu machen. Dazu soll diskutiert werden:

  • warum man Wetting Agents einsetzen sollte,
  • welcher Chemismus sich am besten zum Erreichen einer gute Narbenqualität eignet,
  • und welche Fragen zum Produkt vor einer Kaufentscheidung gestellt werden sollten.

 

Diese Tipps sollen Sie zu einem besser informierten Käufer und Anwender machen, und sie sollen helfen, die beste Entscheidung für Ihren Club zu treffen.

Abb. 3: Links Bodenpartikel mit gecoateter, rechts mit ungecoateter Oberfläche. (Quelle: Kostka Aquatrols)
Abb. 4. Die verschiedenen Eindringschemata, je nach Zustand des Bodens. Links „Finger Flow“ bei Hydrophobie, rechts „Matrix Flow“ wenn keine Hydrophobie vorliegt. (Quelle: Aquatrols)

 

Was ist ein Wetting Agent?

Wetting Agents sind Soil Surfactants (Oberflächen wirksame Substanzen), die speziell zur Befeuchtung von Bodensubstraten zum Einsatz kommen. Ein Surfactant reduziert generell die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit, damit sich diese leichter verteilen kann (z.B. als Netzmittel beim Spritzen von Pflanzenschutzmitteln), und es reduziert auch die Grenzflächenspannung zwischen zwei Flüssigkeiten (Wasser/Öl), zwischen einer Flüssigkeit und Gas, oder einer Flüssigkeit und einen Feststoff. Surfactants sind gewöhnlich organische Verbindungen, die amphiphil (also sowohl hydrophil als auch hydrophob/lipophil) sind. Das heißt, sie besitzen sowohl einen hydrophoben (ihre „Schwänze“) und einen hydrophilen Teil (ihren „Kopf“). Der hydrophobe Teil heftet sich an die wasserabstoßende Substanz an. An der Oberfläche treten die hydrophilen Teile mit dem Wasser in Verbindung und die Anlagerung von Wassermolekülen ist nun möglich (Wasserfilm). Liegen Bodenpartikel mit hydrophoben Eigenschaften vor, so hilft ein Wetting Agent bzw. Surfactant, solche Bodenpartikel an ihrer Oberfläche zu benetzen. 

 

Warum benötigt man ein Wetting Agent?

Wetting Agents haben bewiesen, dass der Finger Flow (siehe Abbildung 4) und andere Wasser relevante Probleme wie Trockenstellen (LDS), Vernässungen und ungleichmäßige Benetzung reduziert werden. Sie helfen, einen so genannten Matrix Flow (siehe Abbildung 4) zu etablieren und ihn beizubehalten. Unter einem Matrix Flow versteht man das gleichmäßige Eindringen des Wassers sowohl nach unten als auch zur Seite, was zu einer uniformen Verteilung des Wassers und der applizierten Chemikalien (Dünger, Pestizide) im Bodenprofil führt.

 

Der Matrix Flow fördert die Gesundheit und Widerstandskraft der Rasennarbe, weil das Wasser und alle im Wasser löslichen Chemikalien tiefer und gleichmäßiger in die Wurzelzone vordringen, was zu einem tiefer reichenden Wurzelsystem für gesündere, dichtere und einheitlichere Narbenoberflächen führt.

Abb. 5: Die verschiedenen Bodenwasserarten (Quelle: Lung)
Abb. 6: Veränderung von organischer Substanz (z.B. zersetzte Pflanzenrückstande) bei abnehmendem Feuchtigkeitsgehalt (Abnahme der Hydrathülle). (Quelle: Aquatrols)

 

Wir unterscheiden insgesamt drei Formen von Bodenwasserarten: das Adsorptionswasser, das Kapillarwasser und das Gravitationswasser (Sickerwasser).

 

Als Adsorptionswasser wird Wasser bezeichnet, das an der Oberfläche von festen Bodenteilen haftet (elektrostatische Kräfte, Wasserdipole). Es überzieht als Wasserfilm die Oberfläche der Bodenpartikel. Die erste direkt aufliegende Schicht mit relativ hoher Saugspannung ist an die Bodenpartikel gebunden. Nach außen nimmt die Saugspannung ab, sodass ein Teil dieses Adsorptionswasser für die Pflanzen verfügbar ist. In sehr feinen Poren (<0,2 µm) mit hohen Adsorptions- und Kapillarkräften und einem pF-Wert > 4,2 befindet sich das sogenannte Totwasser (Teil des Adsorptionswasser), das von den Pflanzen grundsätzlich nicht genutzt werden kann.

 

Das Kapillarwasser ist das Wasser, das im Kapillar- und Porensystems des Bodens entgegen der Schwerkraft verbleibt, oder sogar aufsteigen kann. Kapillarwasser besitzt einen pF-Wert von 2 – 4,2 und ist bei niederem pF-Wert pflanzenverfügbar.

 

Das Gravitationswasser hat einen pF-Wert <2. Es fließt mittels der Schwerkraft durch die Bodenporen (Mittel- bis Grobporen; >0,01 mm) nach unten, z.B. in die Drainschicht.

 

Matrix Flow bedeutet, dass sich das in die Rasentragschicht eindringende Wasser über das gesamte Porenvolumen mittels der drei verschiedenen Bodenwasserarten gleichmäßig im Bodenprofil verteilt. Dies setzt voraus, dass keine Hydrophobie von Bodenteilen vorliegt, die wegen fehlender Adsorptions- und Adhäsionskräfte sowohl Adsorptions- und Kapillarwasser verhindern würde. Lediglich über primäre und sekundäre Grobporen würde andernfalls das Gravitationswasser als Finger Flow in die Rasentragschicht einsickern und sie durchdringen. Soil Surfactants (Wetting Agents) erhalten oder erneuern diese wichtigen Adsorptions- und Adhäsionskräfte im Boden für einen ausgewogenen Wasserhaushalt im Boden.

 

Die Adsorptions- und Adhäsionskräfte dürfen aber durch das Soil Surfactant nicht so stark ausgebildet werden, dass plötzlich aus Gravitationswasser Kapillarwasser wird und die eigentlichen Luftporen mit Wasser gefüllt sind. Moderne Surfactants sind so konstruiert, dass sie nur so viel Wasser im Porenvolumen zurückhalten, wie unbedingt erforderlich ist.

 

Irland hat eigentlich aufgrund der Niederschlagshäufigkeit und des -volumens so gut wie keine Trockenheitsprobleme. Trotzdem werden in Irland im Rasen sehr häufig Soil Surfactants eingesetzt – aber nicht als „Wetting Agent“ sondern als „Drying Agent“, um zu vermeiden, dass überschüssiges Wasser als Kapillarwasser die Luftporen ausfüllt. Das „Drying Agent“ erhöht den Anteil an Gravitationswasser und erhöht somit den Anteil an Luftporen. Denselben Effekt kann man in Regenperioden auch bei uns mit Wetting Agents der neuesten Generation beobachten. Überschüssiges Wasser wird als Gravitationswasser nach unten abgeführt und Staunässe vermieden.

 

Welche Produkttypen sind verfügbar?

Die Art der chemischen Verbindung eines Wetting Agents ist sehr wichtig für die Produktwahl. In der chemischen Industrie sind sehr viele verschiedene Typen von Soil Surfactants verfügbar, die mit ihrer chemischen Formulierung jeweils speziell auf ein bestimmtes Problem des Wasserhaushalts abgestimmt sind. Manche agieren wie ein Durchdringungsmittel, um Wasser von der Oberfläche wegzuschaffen, damit der Wasserverlust durch Run-off und Evaporation zu Beginn der Applikation reduziert wird, oder auch, dass es zu keiner Taubildung auf den Blättern kommt. Andere verrichten ihre Arbeit mehr in tieferen Zonen des Bodenprofils, damit garantiert ist, dass Wasser, Nährstoffe und andere Chemikalien gleichmäßig in der Wurzelzone verteilt werden. Die Formulierung kann auch sehr spezifisch auf die Anzahl der Behandlungen innerhalb einer Anwendungsperiode abgestimmt sein. Einige Surfactants sind so konstruiert, dass sie monatlich oder alle zwei Monate anzuwenden sind, während andere wiederum für ein gesamtes Saisoninterval vorgesehen sind (so genannte Langzeit-Wetting Agents).

 

Die Auswahl eines Wetting Agents sollte im allgemeinen auf das spezielle Pflegeprogramm und auf die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Rasenflächen genau abgestimmt sein!

 

Erklärung der verwendeten Abkürzungen und Fachbegriffe

Surfactant – Kunstwort aus: „SURFaceACTiv AgenNT“ = Oberflächen aktive Substanz;

LDSLocalized Dry Spot (lokale Trockenstellen);

SWRSoil Water Repellency (Wasserabstoßungseffekt = Hydrophobie des Bodens);

Leaching – beschreibt sämtliche Vorgänge des Passierens eines Wirkstoffes (Pflanzenschutzmittel) oder eines Nährstoffes (Dünger) durch das Bodenprofil;

WDPTWater-Droplet-Penetration-Test (Wassertropfen – Penetrationstest);

Hydrophob – wasserabstoßend;

Hydrophil – wasserfreundlich, wasseranziehend;

Lipophil – fettfreundlich.

 

Autoren:

Stanley J. Kostka, Director of Technology & Innovation, Aquatrols USA

und Gerhard Lung, Institut Dr. Lung, Stuttgart

 

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