Stickstoff

Herkunft des Stickstoffs in der Landwirtschaft

Von allen Nährstoffen benötigen landwirtschaftliche Nutzpflanzen vor allem Stickstoff (N). Als einziger Nährstoff stammt N letztlich aus der Luft. Er kann durch biologische Transformation, z.B. von einigen spezialisierten Pflanzen wie Leguminosen durch Symbiose mit N-fixierenden Mikroorganismen der Luft entzogen und für pflanzliches Wachstum nutzbar gemacht werden. Weiterhin kann durch das so genannte Haber-Bosch-Verfahren der Stickstoff der Luft chemisch umgewandelt werden. Dieses 1913 zuerst eingesetzte Verfahren hat dazu geführt, dass N-Dünger in der Folgezeit in immer größerer Menge und zu geringen Kosten zur Verfügung standen. Dies hat einerseits die weltweite Nahrungsmittelproduktion exponentiell gesteigert, andererseits aber auch eine vermehrte Umweltbelastung erzeugt, da nur etwa ein Viertel des in der Landwirtschaft eingesetzten N in Nahrungsmitteln wieder zu finden ist. Der größte Teil entweicht wieder in die Umwelt, wobei unbedenklich nur der Anteil ist, der in N₂, den molekularen Luftstickstoff, umgewandelt wird. Schadwirkungen gehen dagegen von Nitrat, Ammoniak und Lachgas aus.

Nitrat

Als Pflanzennährstoff trägt Nitrat (NO₃) zur übermäßigen Nährstoffversorgung vor allem von Meeresgewässern bei. Dies hat vermehrtes Algenwachstum zur Folge. Sauerstoffmangel bei der Zersetzung von Algen sowie Verschiebungen im natürlichen Artenspektrum können die Folge sein. Viel beachtet wurde in den letzten Jahrzehnten überschüssiger Dünger-N, der in Form von Nitrat vor allem in das Grundwasser gelangt. Fast 80 % des Trinkwassers wird in Deutschland aus Grundwasser hergestellt. In den 80er Jahren haben verschärfte Grenzwerte zu Problemen geführt, da im Grundwasser überwiegend landwirtschaftlich genutzter Einzugsgebiete diese Grenzwerte häufig überschritten wurden. Als Reaktion wurden dort verschiedene Maßnahmen, wie eine besser an den Pflanzenbedarf angepasste Düngung, durchgeführt.

In einigen Gebieten waren diese Maßnahmen offensichtlich erfolgreich, da ein Rückgang der Nitratkonzentration im Grundwasser festgestellt wurde. In anderen Gebieten ist dagegen die Nitratkonzentration im Grundwasser bis heute nicht gesunken. Dies kann möglicherweise darauf zurückgeführt werden, dass Änderungen der Nitratkonzentration im Sickerwasser, also der Nitrataustrag aus der landwirtschaftlich genutzten Fläche, sich erst mit einer zeitlichen Verzögerung bemerkbar machen. Diese Verzögerung ist vor allem von der Tiefe des Grundwassers unterhalb der Geländeoberfläche und der Fliesszeit des neu gebildeten Grundwassers bis zur Stelle der Trinkwassergewinnung abhängig.

Um trotz dieser Verzögerung möglichst frühzeitig eine Rückmeldung hinsichtlich des Erfolges der durchgeführten Maßnahmen zu erhalten, kann auch der mehrjährige Verlauf der Bodennitratgehalte (größter Teil der mineralischen Bodenstickstoffs, Nmin) analysiert werden. Problematisch ist dabei jedoch, dass diese Werte stark von jährlich unterschiedlichen Witterungseinflüssen geprägt sind. Wie eigene Forschungsergebnisse belegen, kann der Einfluß der Witterung auf den Nmin-Wert mit hoher Genauigkeit durch multiple Regressionsmodelle vorhergesagt werden.

In früheren Jahrzehnten wurde bei Maßnahmen zur Vermeidung von Nitratausträgen besonders der Trinkwasserschutz in den Vordergrund gestellt, da eine hohe Nitratkonzentration im Trinkwasser als gesundheitsgefährdend galt. Diese Annahme hat sich als weitgehend unhaltbar erwiesen. Es wurde jedoch durch den Trinkwasserschutz das Bewusstsein für die allgemeine Problematik von Nährstoffeinträgen in Gewässer gefördert.  So ist heute gesichertes Wissen vorhanden, um der möglichen Hauptschadwirkung von Nitrat, die in der Eutrophierung der küstennahen Randgewässer liegen könnte, besser entgegen treten zu können.

Ammoniak

Ammoniak (NH₃) kann wie Nitrat synthetisch aus Luftstickstoff hergestellt und zu Düngungszwecken eingesetzt werden. Er entsteht auch bei der Zersetzung des Harnstoffs in Wirtschaftdüngern (vor allem Gülle und Mist). Der überwiegende Teil der NH₃-Emissionen in Deutschland stammt aus der Tierhaltung. Ammoniak belastet die Umwelt als Schadgas. Es wirkt nach mikrobieller Umsetzung versauernd und verursacht so in Deutschland vor allem Wald- und Gebäudeschäden. Weiterhin führt es zur Eutrophierung nährstoffarmer Ökosysteme (z.B. Moore). Auch gefährdet es die Gesundheit von Menschen und Tieren, die besonders in Ställen erhöhten NH₃-Konzentrationen ausgesetzt sind. Derzeit ist kein Trend erkennbar, der eine Unterschreitung der für das Jahr 2010 gültigen der Emissionsgrenzen erwarten lässt. Zur Verminderung von Ammoniakemissionen gibt es eine Reihe von Maßnahmen, wie z.B. die Abdeckung von Güllelagerbehältern und angemessene Gülleausbringungsverfahren. Auch kann eine Behandlung von Wirtschaftdüngern die Emissionen vermindern.

Eigene Literaturstudien haben gezeigt, dass durch den Einsatz von sauer wirkenden Aluminium- oder Eisensalzen, die auch bei der chemischen Abwasserreinigung in Kläranlagen eingesetzt werden, eine Verminderung der NH₃-Emissionen erreicht werden kann. Der Einsatz dieser Salze hat gegenüber anderen Verfahren den Vorteil, dass gleichzeitig die Löslichkeit des Phosphors in der Gülle und somit die Umweltgefährdung durch Eutrophierung weiter vermindert wird.

Lachgas

Lachgas (N₂O) entsteht bei der Umsetzung von N-Verbindungen im Boden und in Wirtschaftsdüngern. Es schädigt die Ozonschicht und gilt als Treibhausgas.

Literatur

Schweigert, P. 1996. Der Stickstoffhaushalt des landwirtschaftlich geprägten Einzugsgebietes der Innerste im nordwestlichen Harzvorland bei Hildesheim. Dissertation, Universität Hannover.

Schweigert, P. 1996. Nmin-Werte im Frühjahr sind abhängig von der Witterung der Vormonate. Zuckerrübe 45, 128-131.

Schweigert, P. 1998. Multiple Regressionsmodelle zur Witterungsabhängigkeit von Nmin-Werten: Grundlagen und Anwendungsmöglichkeiten. Agribiol. Res. 51, 253-260.

Schweigert, P.1998. Regressionsmodelle zur Witterungsabhängigkeit von Nmin-Werten. In: „N-Simulationsmodelle“ – Möglichkeiten und Grenzen beim Einsatz in der Praxis, Fachseminar des NLÖ am 16.7.98 in Hildesheim.

Schweigert, P. und van der Ploeg, R.R. 1998. Erfolgskontrolle bei grundwasserschonender Landwirtschaft durch den Nachweis witterungsunabhängiger Nmin-Trends. Wasser & Boden 50/5, 18-21.

Gerdes, P., P. Schweigert, A. van Kampen und S. Kunst. 1998. Einträge aus diffusen Quellen in die Fließgewässer. DVWK-Materialien 5/1998.

Schweigert, P. 1999. Eine Innovation im niedersächsischen Agrarbereich – die Düngung nach der Nmin-Methode. Statistische Monatshefte Niedersachsen. 377-379.

van der Ploeg, R.R., Schweigert, P., and Bachmann, J. 2001. Use and misuse of nitrogen in agriculture: the German story. ScientificWorldJournal 1, 737-744

Schweigert, P. 2002. Abschätzung der Nitratauswaschung in Wasserschutzgebieten durch Analyse von Nmin-Daten. Wasser & Boden 54/4, 33-36.

Schweigert, P., and van der Ploeg, R.R. 2002. N-Effizienz der landwirtschaftlichen Produktion in der Bundesrepublik Deutschland nach 1950: Fakten und Bewertungen. Berichte über Landwirtschaft 80, 185-212.

Schweigert, P. und van der Ploeg, R.R. 2002. Nmin-Messreihen als Umweltindikatoren für die Nitratgefährdung von Gewässern. Beiträge der Landeskultur und Kulturtechnik für eine nachhaltige Nutzung und Entwicklung der Kulturlandschaft – Geschichte und Perspektiven – Internationale Tagung vom 15.10. bis 17.10.2002 in Halle. Berichte des Landesamtes für Umweltschutz Sachsen-Anhalt, Sonderheft, 167-168.

Schweigert, P. und Zimmermann, P. 2003. Der Nmin-Gehalt von Ackerböden als Agrar-Umweltindikator für Gewässerbelastungen durch Nitrat. Berichte über Landwirtschaft 81, 161-319.

Chloupek, O., P. Hrstkova, and P. Schweigert. 2004. Yield and its stability, crop diversity, adaptability and response to climate change, weather and fertilisation over 75 years in the Czech Republic in comparison to some European countries. Field crop research 85(2-3), 167-190.

Schweigert, P., N. Pinter, and R.R. van der Ploeg. 2004. Regression analyses of weather effects on the annual concentrations of nitrate in soil and groundwater. J. Plant Nutr. Soil Sci. 167, 309-318.

Schweigert, P., and R.R. van der Ploeg. 2004. Monitoring Soil Mineral Nitrogen Concentration in Germany: Preliminary Results and Some Methodical Challenges. p. 1033-1041. In: Guanha Huang and Luis S. Pereira (eds.) Land and Water Management - Decision Tools and Practices, Vol II. Proceedings of the 7th Inter Regional Conference on Environment and Water (Beijing, 11.-14.10.2004).

Schweigert, P. 2004. Verminderung von Emissionen der Intensivtierhaltung durch den Einsatz von Aluminiumverbindungen. Berichte über Landwirtschaft 82 (3), 351-361