Stickstoffverbindungen und Landwirtschaft

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1 Stickstoffverbindungen und Landwirtschaft - vom Haber Bosch Prozeß zur Eutrophierung N-Düngung als Produktionsfaktor N-Dynamik in landwirtschaftlich genutzten Böden N-Bilanz als Meßlatte einer Umweltverträglichkeit H H N H N N H H O N H N H O N N O O N O O N O Dr. Ingo Müller FB 33 / Bodenschutz Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen 1

2 N-Düngung Düngung in der Landwirtschaft Fluch oder Segen? Modernes betriebswirtschaftliches Ziel der Pflanzenproduktion: Aus dem Einsatz der Faktoren Boden, Saatgut, Düngemittel, Pflanzenschutzmittel, Maschinen, Energie und Arbeitskraft hohe Mengen hochwertiger Nahrungsmittel so zu erzeugen, dass nach Abzug der Kosten ein optimaler Gewinn verbleibt und negative Effekte für die Umwelt weitgehend vermieden werden. Historische Rückschau: Durch die Düngung (und den züchterischen Fortschritt) ist eine Verzehnfachung der Erträge erzielt worden.

3 N-Düngung Winterweizenertrag und Düngerverbrauch Haber-Bosch-Prozess

4 N-Düngung (1913) Herstellung von Kalkammonsalpeter ab 1929

5 N-Düngung Beginn der modernen Agrikulturchemie

6 N-Düngung Wirkungsgesetz der Wachstumsfaktoren

7 N-Düngung Wie bringt der Landwirt den Stickstoff in den Boden? Mineralische N-Dünger: Ammonium (schwefelsaures A. (NH 4 ) 2 SO 4 erster synth. N-Dünger) Nitrat (Kalksalpeter, Natronsalpeter erster N-Handelsdünger) Ammonium und Nitrat (Kalkammonsalpeter NH 4 NO 3 + CaCO 3 ) Amid (Harnstoff, Kalkstickstoff) Organische N-Dünger Gülle, Mist, Kompost, Klärschlamm, Gründüngung, Ernterückstände Anbau von N-fixierenden Pflanzen

8 N-Düngung Mikrobiologische Fixierung von Luftstickstoff: N e H + 2 NH 3 Beispiele: Knöllchen Anabaena (Blaualge) Symbiose mit Azolla (Wasserfarn), der zusammen mit Reis kultiviert wird Rhizobiumsymbiose, z.b. bei Leguminosen

9 atmosph. Fixierung/ Deposition N-Dynamik Wie kommt der Stickstoff in den Boden? Atmosphäre biologische Fixierung Tierdung Kompost Klärschlamm Pflanzenrückstände industrielle Fixierung (Dünger) organische Substanz NH 4 + NO 3 - Wie liegt der Stickstoff im Boden vor?

10 Anteile am Stickstoffvorrat im Boden: N-Dynamik 90 % von ca kg/ha Anteil [%] 90 5,0 3,5 0,8 0,4 0,3 0,01 org. Subst. fix. NH4 pflanzl. Biom. Streu Nmin mikrob. Biom. tier. Biom.

11 N-Dynamik atmosph. Fixierung/ Deposition Atmosphäre biologische Fixierung Tierdung Kompost Klärschlamm organische Substanz (N-Pool) Pflanzenrückstände Pflanzenaufnahme industrielle Fixierung N-Immobilisierung NH 4 + NO 3 - Bodenteilchen

12 N-Dynamik N-Immobilisierung Festlegung von mineralischem Stickstoff: Nitrat Ammomium Pflanzen vegetatives und generatives Wachstum Proteinsynthese Mikroorganismen Aufbau von Körpersubstanz und Vermehrung Proteinsynthese R---NH 2 (Aminogruppe) R---NH 2 (Aminogruppe) assimilatorische Nitratreduktion mikrobielle Festlegung

13 N-Dynamik atmosph. Fixierung/ Deposition Atmosphäre biologische Fixierung Tierdung Kompost Klärschlamm organische Substanz (N-Pool) Pflanzenrückstände Pflanzenaufnahme N-Mineralisierung industrielle Fixierung NH 4 + NO 3 -

14 N-Dynamik N-Mineralisierung Freisetzung von pflanzenverfügbarem Stickstoff 1. Schritt: Ammonifikation Pflanzen Mikroorganismen Bodenlebewesen NH 4 + H 2 O organische Substanz - bodeneigene - zugeführte R---NH 2 + H 2 O NH 3 + R---OH Hydrolyse durch aerobe und anaerobe Eiweißzersetzer

15 N-Dynamik atmosph. Fixierung/ Deposition Atmosphäre biologische Fixierung Tierdung Kompost Klärschlamm organische Substanz (N-Pool) Pflanzenrückstände Pflanzenaufnahme industrielle Fixierung NH 4 + NO 3 - Bodenteilchen Nitrifikation

16 N-Dynamik 2. Schritt: Nitrifikation aerobe Umwandlung von Ammonium in Nitrat - erfolgt in 2 Stufen: Nitrosomonas (Bild) und/oder Nitrococcus: Oxidation von Ammonium zu Nitrit: 2 NH O H 2 O 2 NO H 3 O + Nitrobacter: Oxidation von Nitrit zu Nitrat: 2 NO 2- + O 2 2 NO 3 - Zusammen etwa 10% gasförmige (N 2, N 2 O) Verluste durch unvollständige Prozesse

17 N-Dynamik im Boden Einflußfaktoren der N-Mineralisierung C/N-Verhältnis:eng schnelle Mineralisierung weit langsame Mineralisierung gut verrotteter Stallmist (C/N=15-20) rasch Bodeneigene Mikroorganismen (>10) rasch - schlecht verrotteter Mist / Kompost / Stroh (50-100) - Immobilisierung von pflanzenverfügbarem Ammonium und Nitrat - Kurz vor der Saat kann dieses zu N-Mangel für die Pflanzen führen. Sterben die Mikroorganismen wieder ab, erfolgt in Abhängigkeit von der Bodenfeuchte und temperatur wieder eine N-Freisetzung. Durchlüftung, ph-wert

18 N-Düngung Wann düngen? Am besten entsprechend des Pflanzenbedarfs Probleme liegen in der N-Dynamik im Boden!

19 N-Düngung Welche Düngerform sollte der Landwirt bevorzugen? Mineralische Dünger: - gut dosierbar - Wirkung gut abschätzbar Nitrat Pflanzenverfügbarkeit im Boden Ammonium Harnstoff Zeit

20 N-Düngung Organische Düngung: hoher Anteil an organischer Substanz hoher Anteil an gebundenem Stickstoff nur geringer Anteil an pflanzenverfügbarem Stickstoff Mineralisierung erforderlich witterungsabhängiger Prozeß nicht steuerbar

21 N-Düngung Wirkung mineralischer und organischer Dünger im Vergleich organische Düngung Kombinationswirkung! mineralische Düngung

22 N-Dynamik atmosph. Fixierung/ Deposition Atmosphäre Tierdung Kompost Klärschlamm Pflanzenrückstände Ausgasung biologische Fixierung organische Substanz (N-Pool) offener Kreislauf mit Lecks im System Denitrifikation NH 4 + NO 2 - NO 3 -

23 N-Dynamik Denitrifikation: mikrobieller Abbau von Nitrat anaerober Prozeß, d.h. unter Luftabschluß oder -mangel z.b. durch Flavobacterium N 2 O NO 3 - NO NO 2 gasförmige Verluste bis zu 50% des pflanzenverfügbaren Stickstoffs N 2

24 N-Dynamik Parallel ablaufende N-Dynamik in unterschiedlichen Bodenzonen:

25 atmosph. Fixierung/ Deposition N-Dynamik im Boden Ernteentzug Atmosphäre Tierdung Kompost Klärschlamm Pflanzenrückstände Ausgasung industrielle Fixierung biologische Fixierung Abfluß / Erosion organische Substanz (N-Pool) Denitrifikation NH 4 + NO 2 - NO 3 -

26 N-Dynamik

27 atmosph. Fixierung/ Deposition Ernteentzug N-Dynamik Atmosphäre Tierdung Kompost Klärschlamm Pflanzenrückstände Ausgasung industrielle Fixierung biologische Fixierung Pflanzenaufnahme Abfluß / Erosion organische Substanz (N-Pool) Denitrifikation NH 4 + NO 2 - NO 3 - Auswaschung

28 N-Dynamik Nitratverlagerung Grundwasser Trinkwasser

29 N-Bilanz N-Bilanz für die ldw. genutzte Fläche in NRW Düngemenge [kg N / ha LF] N - Entzug N - Überschuss Summe Mineraldünger Wirtschaftsdünger mittleres Saldo +100 kg N/ha

30 N-Bilanz Verbleib von gedüngtem N 15 in einem 6-jährigen Lysimeterversuch 17% 3% Nutzung durch die Pflanze 25% 55% Einbau in Humus Versickerung in tiefere Schichten Denitrifikationsverluste

31 N-Bilanz Verlagerung von Nitrat bei 30 mm Regen auf wassergesättigten Boden Bodenart Lehm sandiger Lehm Sand Bodentiefe [cm] feine Partikel feine und mittlere Partikel grobe Partikel

32 N-Bilanz Wie richtet der Landwirt seine N-Düngermenge aus? - langjährige Erfahrung - Ertragserwartung - Sollwertkonzept - unter Anrechnung des im Boden vorhandenen mineralischen Stickstoff

33 N-Bilanz

34 N-Bilanz

35 N-Bilanz Ertragsmaximierung Geldrohertrag Anreiz Fruchtart Ertrag N-Saldo dt/ha kg N / ha Ertrag dt/ha N-Saldo kg N / ha Finanzvorteil / ha W-Weizen 87,3 +15 W-Gerste 83,8 +35 W-Roggen 88,9 +20 Kö-Raps 44,1 +90 (Zu-Rüben ) 86,2-5 80, ,6-6 41, ,8 +21,5 +19,9 +23, Feldversuche , Hdlgn-Hessen

36 N-Bilanz Sollwertkonzept (Ziel: optimale Pflanzenernährung um N-Kosten bereinigter Ertrag) Für jede Fruchtart wird ein Sollwert für den optimalen N-Bedarf vorgegeben. z.b. Winter-Weizen 200 kg N/ha (LK Westfalen-Lippe) Zuschlag bei schweren, untätigen oder leichten, humusarmen Böden (+20) Zuschlag bei ungünstiger Vorfrucht (Getreide) (+20) oder Abzug bei günstiger Vorfrucht (Rüben, Raps) (-20) Abzug nach Viehbesatz je GV/ha (-10) Anrechnung des im Boden vorhandenen mineralischen N (z.b. 40) Ohne Zu- oder Abschläge, reine Düngergabe: 160 kg N/ha vgl. mit Hessen

37 Probleme bei der Steuerung der N-Düngung Einfluß der Witterung auf die Nährstoffdynamik (N-Verfügbarkeit, Nichtausnutzung der Spätgabe) Anrechnung und Ausnutzung von Wirtschaftsdüngern (Zentren der Viehhaltung oft auf durchlässigen, flachgründigen Böden) Voraussagbarkeit des Pflanzenwachstumsverlaufs (Einfluß von Störungen, z.b. Krankheiten auf den Bedarf) Voraussagbarkeit des Ertrages (Gesamtentzug) (gute Jahre, schlechte Jahre) übrigbleibender Stickstoff im Boden nach der Ernte (keine Aufnahme, abwärtsgerichtete Wasserbewegung Heterogenität der Böden auf einem Schlag ungleichförmige Düngerverteilung

38 Lösungsansätze Witterung keine Lösung Wirtschaftsdünger maßvoll anwenden, realistisch anrechnen Pflanzenwachstumsverlaufs optimale Bestandespflege Voraussagbarkeit des Ertrages realistische, mittlere Ertragserwartungen übrigbleibender N nach der Ernte möglichst vermeiden Anbau von Zwischenfrüchten Heterogenität der Böden auf einem Schlag weitgehend berücksichtigen ungleichförmige Düngerverteilung moderen Geräte verwenden

39 übergreifende Probleme Nahrungsmittelproduktion auf hohem Niveau birgt Risiken für die Umwelt! Nitratverlagerung Versorgung mit qualitativ hochwertigen Nahrungsmitteln Landschaftspflege und -erhaltung positiver Nutzen Stickstoffeintrag in Gewässer oder nährstoffarme Biotope Ammoniak und Stickoxide negative Risiken Abwägen gemeinsame Lösungskonzepte

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