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Seminararbeit
Geowissenschaften

Universität Bayreuth

2008

Camilla H. ©
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ID# 539







Quellen und Dynamik des
NitrAteintrags in Fliessgewässer aus der Landwirtschaft

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis. ii

1Rolle des Stickstoffs in der Landwirtschaft1

1.1Gründe für die Stickstoffdüngung auf landwirtschaftlichen Flächen. 1

1.2Düngerarten. 1

1.2.1Mineralischer Dünger1

1.2.2Organischer Dünger2

1.3Zeitpunkte der Düngung. 2

1.3.1Zeitpunkte der Mineralischen Düngung. 2

1.3.2Zeitpunkte der Organischen Düngung. 3

2Nitratauswaschung. 4

2.1Einflussgrößen der Nitratauswaschung. 4

2.2Nitratdynamik in Böden. 5

2.3Nitratverlagerung an der Oberfläche. 6

3Verminderung der Nitratauswaschung. 7

Literatur- und Quellenverzeichnis. 9


1    Rolle des Stickstoffs in der Landwirtschaft

1.1    Gründe für die Stickstoffdüngung auf landwirtschaftlichen Flächen

Durch die steigende Nachfrage nach Nahrungsmitteln war die Landwirtschaft gezwungen mehr Nahrungsmittel zu produzieren. Die landwirtschaftliche Anbaufläche sollte und konnte allerdings nicht um ein Vielfaches vergrößert werden. Aus diesem Grund mussten die Landwirte den Ertrag pro Hektar steigern. Diese Ertragssteigerung war erst möglich mit der Entdeckung und Anwendung des ersten Düngers im 19. Jh.

Seit dem Beginn der Düngung konnte eine Verzehnfachung der Erträge verzeichnet werden. Doch nicht nur die Ertragssteigerung war der Grund für die landwirtschaftliche Düngung, sondern auch der Erhalt der Bodenfruchtbarkeit war für eine ertragsreiche Ernte über Jahrzehnte hinweg von großer Bedeutung. Die Pflanzen entziehen dem Boden Stickstoff, da sie diesen für ihr Wachstum brauchen.

Würde dieser nicht wieder dem Boden zugeführt werden, würde der Boden nach einer gewissen Zeit unfruchtbar werden und die Pflanzen würden nicht mehr gedeihen. Aus diesem Grund wurde immer mehr Dünger auf die Felder ausgebracht, nach der Devise: Viel hilft viel. Doch dabei entstanden und entstehen immer noch erhebliche Probleme, auf die in Abschnitt 2 eingegangen wird.


1.2    Düngerarten

1.2.1     Mineralischer Dünger

Mineralischer Dünger, wird auch als anorganischer Dünger bezeichnet, und besteht somit nicht aus pflanzlichen oder tierischen Produkten, bzw. Ausscheidungen. Mineralischer Dünger wird zum Großteil aus Salzbergwerken gewonnen und anschließend chemisch aufbereitet. Vor allem das Haber-Bosch-Verfahren aus dem Jahre 1910 revolutionierte die Herstellung von Mineralischem Dünger immens.

Durch die synthetische Herstellung von Ammoniak aus Luftstickstoff und Wasserstoff (gewonnen aus Methan, oder Wasserdampf) konnte großtechnisch Stickstoffdünger hergestellt werden. Vor allem ist hier der Harnstoff zu nennen, der noch heute der wichtigste Mineralische Dünger auf der Welt ist. Seine Herstellung ist unkompliziert, da der aus dem Haber-Bosch-Verfahren gewonnene Ammoniak mit CO2 zu Harnstoff reagiert.

Der 1929 entwickelte Kalkammonsalpeter spielt in Deutschland mit über 50 % Marktanteil an Stickstoffdüngern ebenfalls eine sehr wichtige Rolle. Seine Vorzüge sind die Verteilung des Gesamtstickstoffgehaltes von 27 % auf 13,5 % Nitratstickstoff (NO3­­-N) und 13,5 % Ammoniumstickstoff (NH4-N). Der Nitratstickstoff ist sofort pflanzenverfügbar und hat deshalb eine schnelle Düngerwirkung. Über längere Zeit wird der Ammoniumstickstoff durch Nitrifikation mobilisiert und ist dann ebenfalls pflanzenverfügbar.

Der Ammoniumstickstoff hat somit eine längerfristige Düngungswirkung. In Abbildung 2 sind die wichtigsten stickstoffhaltigen Mineralischen Dünger aufgeführt.

Abbildung 1: Mineralische Dünger mit Stickstoff – Wichtige Zahlen 2006/2007 des Bundesarbeitskreis Düngung im Industrieverband Agrar e.V., 2007

1.2.2     Organischer Dünger

Organischer Dünger wird aus pflanzlichen, oder tierischen Produkten bzw. Ausscheidungen gewonnen. Als einzige Ausnahme zählt der bereits bei den Mineralischen Düngern erwähnte Harnstoff. Dieser wird bei beiden Düngerarten genannt, da er synthetisch hergestellt werden kann, aber ebenfalls im Harn der Tiere enthalten ist. Weitere Organische Dünger sind Gülle, Jauche, Guano, Mist, Kompost, Klärschlamm, Gründüngung und Ernterückstände.

Der dort enthaltene Stickstoff ist zum Großteil organisch gebunden und somit nicht direkt für die Pflanzen verfügbar. Zuerst muss der organisch gebundene Stickstoff mineralisiert werden und liegt dann als Ammoniumstickstoff vor. In einem weiteren Umwandlungsschritt, der Nitrifikation, wird der Ammoniumstickstoff zum Nitratstickstoff umgesetzt. Der andere Teil des Stickstoffs in organischen Düngern liegt bereits als Ammoniumstickstoff vor und muss somit nur einen Umwandlungsschritt durchlaufen, bis er pflanzenverfügbar ist.

1.3    Zeitpunkte der Düngung

Allgemein kann gesagt werden, dass der richtige Zeitpunkt der Düngergabe immer in Verbindung mit dem Pflanzenbedarf in Verbindung stehen muss. So läuft man Gefahr, dass bei einer zu frühen Düngung zu viel in das Grundwasser, oder in Fliessgewässer ausgewaschen wird. Bei einer zu späten Düngung können die Pflanzen in eine Stresssituation kommen, da nicht genügend Nährstoffe zur Verfügung stehen.

1.3.1     Zeitpunkte der Mineralischen Düngung

Bei der mineralischen Düngung können grundsätzlich zwei verschiedene Arten von Pflanzen unterschieden werden. Zum einen gibt es Pflanzen, die nur einmal mineralisch gedüngt werden. Die Düngung erfolgt dann kurz vor der Aussaat im März, oder April. Zu diesen Pflanzen gehören unter anderem die Kartoffeln, das Sommergetreide, der Mais und die Leguminosen, wenn letztere überhaupt mineralisch gedüngt werden.

Allgemein kann gesagt werden, dass alle Pflanzenarten mit einer kurzen Vegetationsperiode eine einmalige mineralische Düngung erhalten. Die Düngergabe beläuft sich etwa auf 60 ‑ 110 kg/ha je nach Pflanzenart. (Schilling, 2000)

Auf der anderen Seite gibt es Pflanzen, die zweimal bis mehrmals im Jahr gedüngt werden. Eine zweimalige Düngung erhalten alle Wintergetreidesorten. Die erste Düngung erfolgt in gleicher Höhe und zum gleichen Zeitpunkt, wie bei Pflanzen mit einmaliger Düngung. Die zweite Düngung in Höhe von 20-50 kg/ha wird beim Erscheinen des Zweiten Halmknotens auf das Feld gegeben.

Eine Herbstgabe von mineralischem Dünger bringt keinerlei Ertragssteigerung. Oft liegen die Felder im Winter brach und somit werden die Nährstoffe nicht durch Pflanzen aufgenommen. Es würde zu einer vermehrten Auswaschung und somit Verunreinigung des Grundwassers kommen. Aus diesem Grund wird gänzlich auf eine Ausbringung von mineralischem Dünger im Herbst verzichtet.

1.3.2     Zeitpunkte der Organischen Düngung

Die Zeitpunkte der Organischen Düngung unterscheiden sich im Wesentlichen sehr von den Zeitpunkten der Mineralischen Düngung. Oft werden die organischen Dünger im Herbst ausgebracht. Der Grund hierfür ist, dass wie in Abschnitt 2.2.2 angesprochen, der organische Dünger in einer zu Beginn nicht pflanzenverfügbaren Form vorliegt. Bis es zu Nitrat umgewandelt wurde, vergeht einige Zeit.

Sande hingegen dürfen nur im Frühjahr gedüngt werden, da auf solchen Standorten die Sickerrate höher liegt und somit auch die Gefahr der Auswaschung.

Generell gibt es Sperrfristen für die Düngung in Deutschland, die für Dünger mit einem Gesamtstickstoffgehalt von mehr als 1,5 % gelten.

Auf Ackerland gibt es eine Sperrfrist vom 01. November bis 31. Januar.

Auf Grünland geht die Sperrfrist vom 15. November bis 31. Januar.

2    Nitratauswaschung

Durch die erhöhte Gabe von stickstoffhaltigem Dünger auf die Felder kam es vermehrt zur Auswaschung des sehr mobilen Nitrats in das Grundwasser. Für den Menschen, vor allem für Säuglinge und ältere Menschen ist eine zu hohe Konzentration von Nitrat im Trinkwasser gefährlich. Aus diesem Grund wurde ein Grenzwert für Nitrat von 50 mg/L eingeführt. Nitrat wird im menschlichen Körper zu Nitrit umgewandelt.

2.1    Einflussgrößen der Nitratauswaschung

Es gibt fünf große Einflussfaktoren, die bei der Nitratauswaschung eine wichtige Rolle spielen. Im Folgenden werden die einzelnen Punkte erläutert:

Boden

Der Boden spielt eine große Rolle bei der Nitratauswaschung. So sind Geschwindigkeit und Menge der Auswaschung von der Bodenart, der Tiefgründigkeit, dem (Mikro-) Relief und dem Wasserhaltevermögen des Bodens abhängig. Vor allem Sande mit einem schlechten Wasserhaltevermögen weisen höhere Konzentrationen von Nitrat im Sickerwasser auf, wie z.B. ein Tonboden. (Scheffer & Schachtschabel, 2002) Auch die Verweilzeit des Sickerwassers ist in Tonböden erheblich länger, wie in den Sandböden.

Klima

Bodennutzung

Hier stellt sich zuerst die Frage, ob es sich bei einem Feld um Gründland oder Ackerland handelt. Gründland hat eine geringere Auswaschung, da es eine erheblich höhere Wurzeldichte, wie Ackerland aufweist. Außerdem ist durch die ganzjährige Bedeckung von Grünland die Auswaschung ebenfalls vermindert. Als weiteres muss betrachtet werden, welche Frucht angebaut wird, wie dessen Stickstoff- und Wasseraufnahmevermögen ist und ob es eine Fruchtfolge mit Zwischenfruchtanbau gibt.

Düngermanagement

Hierunter fallen die Düngerart, der Nährstoffgehalt des Düngers, die Menge und der Zeitpunkt der Düngung. Und ob die Düngung auf einmal auf das Feld gebracht wird, oder ob es Teilgaben gibt.

Vor allem die Bearbeitungstiefe spielt hier eine wichtige Rolle, da ein zu tief gepflügter Acker eine höhere Mineralisationsrate verursacht und somit die Bildung von Nitrat fördert. Neben der Bildung von Nitrat kommt es auch zu einer vermehrten Erosion, was ebenfalls zur oberflächlichen Verlagerung und gegebenenfalls zum Eintrag von Nitrat, oder anderen Stickstoffverbindungen in Fliessgewässer führen kann.

2.2    Nitratdynamik in Böden

Die Nitratverlagerung im Boden und die Auswaschung ins Grundwasser spielen bei der Nitratdynamik die wichtigste Rolle und sollten eine erhöhte Aufmerksamkeit erhalten. In Bayern werden zum Beispiel 95 % des Trinkwassers aus Grundwasser gewonnen. Dabei handelt es sich um eine Menge von 950 Millionen m3 Wasser. Davon haben 4 % eine Überschreitung des Grenzwertes von 50 mg/L.

Auch die Reduzierung der Düngung führte bis jetzt nur zu einer Verminderung der mittleren Nitratkonzentration um 1 mg/L. Der Grund hierfür sind die oftmals hohen Verweilzeiten des Sickerwassers im Boden, bis es das Grundwasser erreicht. Eine Verlagerung bis zum Grundwasserspiegel kann je nach Bodenart bis zu mehreren Jahrzehnten dauern.

Über kurz oder lang werden auch die Fliessgewässer mit dem im Grundwasser befindlichen Nitrat verunreinigt, da sie im ständigen gegenseitigen Austausch stehen. 50 – 80 % des Nitrats in Fliessgewässern gelangen über das Grundwasser dort hin.

Eine Verdeutlichung der Nitratdynamik ist in Abbildung 2 dargestellt. Der gasförmige Stickstoffverlust spielt eine weniger wichtige Rolle, kann aber auch über kurz oder lang durch Regen in ein Fliessgewässer gelangen. Weiterhin bewirken die freigesetzten Stickoxide den Ozonabbau in der Stratosphäre.


2.3    Nitratverlagerung an der Oberfläche

In Abbildung 3 ist eine Übersicht der Möglichkeiten dargestellt, wie es zu einem Oberflächenabfluss und zu einem direkten Eintrag in Fliessgewässer kommen kann.

Abbildung 3: Eintrag landwirtschaftlicher Schadstoffe in Oberflächengewässer- Nieder, 1985

Da Nitrat sehr löslich ist, spielt der oberflächliche Transport eine geringe Rolle. Der Großteil gelangt wie in Abschnitt 2.2 erwähnt über das Grundwasser in die Fliessgewässer. Andere Stickstoffverbindungen, vor allem organisch gebundene sind im Vergleich zu Nitrat sehr immobil und können aus diesem Grund oberflächlich durch Erosion verlagert werden. Ein Eintrag von Nitrat führt in Oberflächengewässern zur Eutrophierung.


Für die Verminderung der Nitratauswaschung gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, auf die im Folgenden eingegangen wird.

Angepasste Stickstoffmenge an den Pflanzenbedarf

Eine angepasste Düngergabe an den jeweiligen Pflanzenbedarf verhindert eine zu hohe Auswaschung. Was zuviel gedüngt wird und nicht von den Pflanzen aufgenommen wird, wird durch das Sickerwasser ausgewaschen. Außerdem führt es zu einer Stresssituation für Pflanzen, da ein Überangebot eines Nährstoffes vorhanden ist und andere Nährstoffe dadurch nicht mehr aufgenommen werden können. Es kommt zu Ertragseinbußen.

Berücksichtigung des bereits im Boden vorhandenen Stickstoffs (Nmin-Gehalt)

Richtiger Zeitpunkt der mineralischen Düngung

Eine zu frühe Düngung führt zu einer erhöhten Auswaschung, da die Düngung der Nährstoffe vor der Aufnahme durch die Pflanzen erfolgt. Weiterhin verhindert eine Aufteilung der Düngung eine übermäßige Auswaschung.

Richtige Düngerform und Düngetechnik

Bei extrem erosions-, bzw. auswaschungsgefährdeten Böden sollte ein langsam wirkender (stabilisierender) Stickstoffdünger verwendet werden. Stabilisierende Stickstoffdünger verhindern eine zu schnelle Nitrifikation von Ammonium zu Nitrat.

Richtiger Umgang mit Wirtschaftsdünger

Ein überlegter Einsatz von Wirtschaftsdünger ist für die Nitratauswaschung extrem wichtig. Es muss für genügend Lagerungsplatz auf den landwirtschaftlichen Betrieben gesorgt werden, so dass der Wirtschaftsdünger nur während der Vegetationsperiode auf die Felder gebracht wird. Eine Düngung von Grünland ausschließlich mit Wirtschaftsdünger ist bestens geeignet, da Grünland durch diese Düngungsform keinerlei Ertragseinbußen aufweißt.


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