Hauptmenü öffnen

GEOWiki@LMU β

Überdüngung

Seit Beginn der Landwirtschaft vor etwa 5.000 – 10.000 Jahren verwenden die Menschen Düngemittel zur Ertragssteigerung. Diese zunächst organischen Dünger wurden im Laufe der Zeit durch mineralische und künstlich hergestellten Düngemittel ersetzt. Die verwendeten Dünger liefern den Pflanzen zusätzliche Nährstoffe, wie Stickstoff, Phosphor oder Kalium, die für die Photosynthese und das Wachstum benötigt werden. Zeitlich ungeeignete Düngung und Überdüngung können jedoch negative Umwelt-Auswirkungen haben. Das überschüssige Nitrat, das in Stickstoff¬düngern enthalten ist, kann nur schlecht im Boden gehalten und leicht durch Niederschlag ausgewaschen werden. So gelangt es in das Grundwasser und andere Ökosysteme. Da die Trinkwasserversorgung in Deutschland hauptsächlich über Grundwasser erfolgt und Nitrat eine gesundheitsschädigende Wirkung haben kann, entsteht hier ein Nutzungskonflikt zwischen der Landwirtschaft und der Trinkwasserversorgung. Dieser Nutzungskonflikt betrifft mittlerweile fast die gesamte Europäische Union und ist ein aktuelles Thema der Politik.



Inhaltsverzeichnis

Stickstoffdünger

Stickstoff stellt das bedeutendste Nährelement für Pflanzen dar, denn er ist ein wesentlicher Bestandteil des Rubisco Enzyms, welches für die Photosynthese essentiell ist. Ohne die Photosynthese könnten Pflanzen weder den für Menschen und Tiere lebensnotwendigen Sauerstoff noch Biomasse produzieren, die anderen Lebewesen letztendlich als Nahrung dient. Die Verfügbarkeit von Stickstoff im Boden begrenzt somit die Biomasseproduktion und die landwirt¬schaftlichen Erträge. Durch die Zugabe von Stickstoffdüngern auf landwirtschaftlich genutzten Flächen wird die Verfügbarkeit von Stickstoff im Boden erhöht und stellt so einen Mindesternte¬ertrag sicher. Ohne Stickstoff gäbe es außerdem keine Mikroorganismen oder höhere Lebens¬formen, da Stickstoff ein grundlegender Bestandteil der DNA, RNA, Aminosäuren und Proteinen ist.[1] Stickstoff ist in verschiedenen Verbindungen und Mengen in organischen Düngemitteln (z.B. Gülle, Stallmist, Kompost, Ernte-Nebenprodukte) und mineralischen Düngemitteln (z.B. Ammonium-dünger, Nitratdünger, Ammoniumnitratdünger) enthalten. Mineralische Düngemittel haben heute in der intensiven Landwirtschaft eine wichtige Bedeutung und kommen in großen Mengen zum Einsatz. Sie verdrängen früher verwendete Substanzen, wie Mergel, Guano, Asche oder Salpeter. Sie werden meist in fester Form als Granulat, oder auch flüssig als Spritzdünger produziert, um eine einfache Verteilung zu gewährleisten.[2] Stickstoffdünger werden mittlerweile meist nur noch synthetisch hergestellt, da nur noch wenige natürliche Lagerstätten bestehen. Jährlich werden etwa 100 Millionen Tonnen Stickstoff zu Stickstoffdünger verarbeitet. Dies entspricht einer Menge von ca. 400 Millionen Tonnen Dünger pro Jahr. Die Basis für die Produktion von Stickstoffdünger stellt das Haber-Bosch-Verfahren dar, bei dem Ammoniak synthetisiert wird. Gleichung 1 zeigt die Synthese von Stickstoff aus der Luft und Wasserstoff (zum Beispiel aus Erdgas), die vereinfacht als Grundlage für die Herstellung von Stickstoffdünger gilt.[2] Synthese von Stickstoff aus der Luft und Wasserstoff zu Ammoniak[2]

 


Nitrat und Nitrit

Nitrat Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle \text{NO_{3}^{-}}} und Nitrit   sind Stickstoffverbindungen mit Sauerstoff und stellen Salze der Salpetersäure HNO3 dar. Sie zählen neben Lachgas N2O und Ammoniak NH3 zu den reaktiven Stickstoffen. Reaktiver Stickstoff zeichnet sich dadurch aus, dass er, anders als der Stickstoff der Atmosphäre N2, der eine sehr stabile Bindung zwischen den beiden N-Atomen aufweist und kaum reaktiv ist, viele verschiedene Bindungen mit organischen und anorganischen Stoffen eingehen kann und in der Lage ist, sich von einer Form in eine andere umzuwandeln.[3] Die Verbindungen kommen in Oberflächengewässern und im Grundwasser häufig nur in Spuren vor. In landwirtschaftlich genutzten Gebieten kann die Konzentration der beiden Verbindungen in Gewässern aufgrund von Düngemittelauswaschungen jedoch erheblich ansteigen. Die Konzen¬tration von Stickstoffverbindungen kann als Indikator für den Grad der Verunreinigung eines Gewässers verwendet werden. [3] Nitrat und Nitrit können auf verschiedene Wege in den Boden und in das Grundwasser gelangen. Entweder durch chemische Umwandlungen stickstoffhaltiger Ausgangsstoffe, wie Proteine und Harnstoffe, oder direkt durch das Ausbringen von Düngemitteln. Die Stickstoffverbindungen in Düngemitteln bestehen größtenteils aus Nitrat und Ammonium, denn diese sind pflanzenverfügbar. Das bei der Zersetzung von stickstoffhaltigen Ausgangsstoffen entstehende oder in Düngemitteln vorhandene Ammonium bzw. Ammoniak wird mit Hilfe von Mikroorganismen im Boden zunächst zu Nitrit oxidiert (siehe Gleichung 2 und Gleichung 3). [3]

Aerobe Oxidation (Nitrifikation) von Ammonium zu Nitrit 〖"2 NH" 〗_"4" ^"+" " + 3 " "O" _"2" " ⟶ " 〖"2 NO" 〗_"2" ^"-" " + " 〖"4 H" 〗^"+" " + " 〖"2 H" 〗_"2" "O" Gleichung 2

Aerobe Oxidation von Ammoniak zu Nitrit 〖"2 NH" 〗_3^ " + 3 " "O" _"2" " ⟶ " 〖"2 NO" 〗_"2" ^"-" " + " 〖"2 H" 〗^"+" " + " 〖"2 H" 〗_"2" "O" Gleichung 3

Unter aeroben Bedingungen wird dann Nitrit zu Nitrat oxidiert (siehe Gleichung 4).

Aerobe Oxidation von Nitrit zu Nitrat 〖"2 NO" 〗_"2" ^"-" " + " "O" _"2" " ⟶ " 〖"2 NO" 〗_"3" ^"-" Gleichung 4

Es ist aber auch möglich, dass unter anaeroben Bedingungen Nitrat von Mikroorganismen wieder zu Nitrit reduziert wird, wie Gleichung 5 zeigt.

Anaerobe Reduktion (Denitrifikation) von Nitrat zu Nitrit 〖"NO" 〗_3^- " + 2 H ⟶ " 〖"NO" 〗_"2" ^"-" " + " "H" _"2" "O" Gleichung 5