Phosphor, alles nur eine Frage der Verfügbarkeit

Phosphor wird von Pflanzen nur als im Wasser gelöstes Phosphat aus dem Boden aufgenommen. Von Natur aus sind Böden arm an Phosphor. Auf Phosphor armen Böden wachsen Pflanzen schlecht und zeigen charakteristische Mangelsymptome.

Phosphor (P) ist ein essenzielles Nährelement für alle Organismen. Es nimmt eine Schlüsselrolle ein, unter anderem bei zellulären Energieflüssen, als Bauelement der DNA und bei höheren Lebewesen für die Skelettbildung (Abb. 1). P wird von Pflanzen nur als im Wasser gelöstes Phosphat aus dem Boden aufgenommen. Von Natur aus sind Böden arm an P. Auf P armen Böden wachsen Pflanzen schlecht und zeigen charakteristische Mangelsymptome (Abb. 2).

Walknochenzaun auf Borkum Walknochenzaun auf Borkum
Abb. 1: Aus Lagerstätten fossiler Knochen wird Dünger-Phosphor hergestellt, das am Ende der Nahrungskette unter anderem wieder zu Knochensubstanz wird © Schnug 2005

P wird Böden mit Düngern zugeführt, wovon jedoch von jeder Ernte nur ein Bruchteil (< 10 Prozent) von den Pflanzen genutzt wird. P für Dünger kommt zum überwiegenden Teil aus fossilen Lagerstätten, der geringere Teil ist magmatischen Ursprungs. Der Aufbau dieser Lagerstätten aus fossilen Tierkadavern erfolgte über mehrere Millionen Jahre, die Menge an global verfügbaren P-Reserven ist daher endlich. Die Reichweite abbauwürdiger P-Reserven wird auf 50-200 Jahre geschätzt (Ulrich, 2013). Die Landwirtschaft ist weltweit der größte Verbraucher an P. In Deutschland wird etwa ein Viertel des Bedarfes an Dünger-P durch Mineraldünger gedeckt, die aus Lagerstätten-P hergestellt wurden. Etwa zwei Drittel werden über Wirtschaftsdünger (v.a. Stallmist, Gülle) auf Nutzflächen zurückgeführt. Schlachtnebenprodukte und Klärschlämme decken weitere 10 Prozent der P- Zufuhr landwirtschaftlich genutzter Böden (Kratz et al., 2014).

Maispflanzen mit Mangelsymptomen Phosphormangel an Mais in Livada, Rumänien
Abb. 2: Phosphormangel an Mais in Livada, Rumänien © Rogasik 2003

Derzeit werden in Deutschland jährlich rund 110.000 t Mineraldünger-P aus Rohphosphaten eingesetzt (Kratz et al., 2014). Die in Deutschland verfügbaren P-Mengen aus alternativen Quellen (neben Rohphosphaten aus Lagerstätten) sind um etwa 25 Prozent größer als der derzeitige Bedarf. Das bedeutet, dass rein theoretisch der gesamte P-Bedarf der landwirtschaftlichen Primärproduktion mengenmäßig durch P aus Wirtschaftsdüngern gedeckt werden könnte.

Bei Phosphat wird der Begriff "verfügbar" gleich zwei Mal und mit unterschiedlicher Bedeutung benutzt. Neben der mengenmäßigen Verfügbarkeit von P ist dessen Löslichkeit und damit Verfügbarkeit für Pflanzen von entscheidender Bedeutung für die Düngung. Rohphosphate bestehen aus Apatit (u.a. Hauptbestandteil der Knochensubstanz), der sich unter normalen Bodenbedingungen nicht auflöst. Einer der Meilensteine in der Düngung war vor 150 Jahren die Entdeckung von John Bennet Lawes (Gründer der englischen Versuchsstation Rothamsted (e-RA 2014), dass bei der Behandlung von Knochen mit Schwefelsäure aus unlöslichem Apatit wasserlösliches und damit für Pflanzen aufnehmbares, verfügbares Phosphat wird.

Phosphor weist im Vergleich zu anderen Pflanzennährstoffen, die Böden regelmäßig durch Düngung zugeführt werden müssen, einige Besonderheiten auf:

  1. Eine sehr geringe Mobilität in Böden. Dies bedingt, dass Pflanzen den größten Teil ihres aktuellen P-Bedarfs aus P decken, das aus früheren Düngungsmaßnahmen stammt und in die Bodenlösung remobilisiert wurde. Dieses aktuell (für eine Vegetationsperiode) aus dem Boden verfügbare P wird durch eine Bodenuntersuchung auf extrahierbares P (sog. pflanzenverfügbares P) bestimmt und mit Gehaltsklassen von A (sehr niedrig) bis E (sehr hoch) quantifiziert. In der Gehaltsklasse C reicht das aus Bodenvorräten verfügbare P zur Deckung des Bedarfs einer Ernte oder des Ertrages einer Rotation (je nachdem, ob jährlich oder nur einmal in der Fruchtfolge gedüngt wird). Bei höheren Gehalten im Boden (Klassen D und E) werden durch Düngung keine signifikanten Mehrerträge erwartet. Mit Erreichen der Gehaltsklasse C müssen daher fortan nur noch die Mengen an P durch Düngung ergänzt werden, die durch den Entzug der Ernten des Folgejahres oder der Fruchtfolge zu erwarten sind. In den Gehaltsklassen D und höher ist Düngung ohne Nutzen, ggf. aber negativ durch Eutrophierung (Überdüngung) benachbarter Ökosysteme (z.B. Gewässer und Wälder).
  2. P geht auf Böden mineralischen Ursprungs kaum durch Auswaschung und generell nicht gasförmig verloren. Auf diesen Böden gibt es praktisch keine unvermeidbaren Verluste von P bzw. können diese durch Maßnahmen der guten ackerbaulichen Praxis (z.B. Erosionsvermeidung) verhindert werden.
  3. Die langfristige Ausnutzung von P-Düngern kann experimentell nicht bestimmt werden (Schnug et al., 2015). In sich stabile Vegetationssysteme ohne externe P-Zufuhr (Vitousek et al., 2010) implizieren jedoch, dass P über lange Zeiträume hinweg von Pflanzen vollständig genutzt werden kann. Pflanzen nehmen P primär als gelöstes Phosphat aus der Bodenlösung auf, weshalb angenommen wird, dass in überschaubaren Zeiträumen, z.B. binnen einer Vegetationsperiode, nur vollständig wasserlösliches oder neutral-ammonium-citratlösliches (letzteres entspricht der Extraktionskraft der natürlichen Chemosphäre der Pflanzen) mineralisches oder vollständig mineralisierbares organisches P zu 100 Prozent genutzt werden kann. Schwerlösliche mineralische P-Formen stellen keine langsamer wirkende Reserve dar. Bei der Kennzeichnung von Düngemitteln ist neben dem Gesamt-P-Gehalt zwingend der Gehalt an pflanzenverfügbarem P (wasser- / neutral-ammonium-citratlösliches P) anzugeben, damit nicht verdeckt P über einen geringer löslichen Rest "verschwendet" wird.

Aus diesen Sachverhalten folgt, dass nach Erreichen der P-Gehaltsklasse "C" im Boden die Düngung von P dem Entzug der Ernten entsprechen kann, sofern das P im Dünger organisch gebunden, oder mineralisch, wasser- bzw. neutral-ammonium-citratlöslich ist.

Recycling-Phosphate können eine große Bandbreite unerwünschter Stoffe enthalten. Deshalb müssen hier konsequenter als bisher die damit potenziell verbundenen Befrachtungen von Böden mit Schwermetallen und organischen Schadstoffen berücksichtigt werden. Die Zulässigkeit von Stoffeinträgen mit Düngemitteln in Böden sind dabei im Düngegesetz vom 9. Januar 2009 geregelt (BGBl. I S. 54, 136; zuletzt geändert durch Artikel 370 VO vom 31. August 2015, (BGBl. I S. 1474, 1528).

Neben der Ernährung der Nutzpflanzen ist demnach die Fruchtbarkeit der Böden zu erhalten und zu erhöhen; Gefahren für die Gesundheit von Menschen und Tieren sowie für den Naturhaushalt ist vorzubeugen. Um Schadstoffeinträge mit Siedlungs- und Industrieabfällen zu minimieren, haben sich thermische Verfahren als geeignet erwiesen (Umweltbundesamt, 2003). Organische Schadstoffe (inkl. Arzneimittelrückständen und Infektiosität) werden wirkungsvoll nur durch vollständige Verbrennung beseitigt. Die geringen Löslichkeiten von P-Recyclingprodukten sind im Hinblick auf eine Nutzung durch Pflanzen jedoch kontraproduktiv (Kratz et al., 2010; Krüger und Adam, 2014). Ohne Weiterbehandlung sind diese P- Quellen daher für den Düngereinsatz ungeeignet und sollten vorzugsweise nach weiterer Aufarbeitung (u.a. thermische P-Gewinnung) der Erzeugung hochreiner P-Formen für hochwertigere Produkte dienen.

Anorganische Schadstoffe in Rohphosphaten und Recyclingprodukten können durch nasschemische und thermische Aufbereitungsprozesse abgetrennt werden. Diese Schadstoffe haben z.T. einen potenziellen Wert als Rohstoffe (Lanthanide) oder Energiequellen (Actinide), wodurch die Wirtschaftlichkeit der Abtrennung positiv beeinflusst wird.

Die Erfolgsformel für eine nachhaltige P-Düngung heißt also "P: 100 Prozent / Zero": auf intakten und ausreichend (Gehaltsklasse "C" – "anzustreben") mit P versorgten Böden mit organisch gebundenem oder vollständig wasser- bzw. neutral-ammonium-citratlöslichem mineralischem P (100 prozentige Ausnutzung) in möglichst schadstoffarmen Düngemitteln (Zero) auf Entzug zu düngen.

Ein Beitrag von Ewald Schnug, Sylvia Kratz, Judith Schick und Silvia Haneklaus, Institut für Pflanzenbau und Bodenkunde, Julius Kühn-Institut (JKI), Braunschweig.

Literatur

e-RA (2014): John Bennet Lawes 200 years

Kratz, S., Schick, J., Shwiekh, R., Schnug, E. (2014): Abschätzung des Potentials erneuerbarer P-haltiger Rohstoffe in Deutschland zur Substitution rohphosphathaltiger Düngemittel. Journal für Kulturpflanzen 66: 261–275

Kratz, S., Haneklaus, S., Schnug, E. (2010): Chemical solubility and agricultural performance of P-containing recycling fertilizers. VTI Agriculture and forestry research 60: 227-240

Krüger, O., Adam, C. (2014): Monitoring von Klärschlammmonoverbrennungsaschen hinsichtlich ihrer Zusammensetzung zur Ermittlung ihrer Rohstoffrückgewinnungspotentiale und zur Erstellung von Referenzmaterial für die Überwachungsanalytik (UBA-Texte 49/2014) (PDF, 6 MB, Datei ist nicht barrierefrei)

Schnug, E., de Kok, L., Frossard, E. (2015): Phosphorus: 100 % zero. Springer (in press)

Ulrich, A.E. (2013): Peak phosphorus: Opportunity in the making. Exploring global phosphorus management and stewardship for a sustainable future. Diss. ETH Nr. 21599

Vitousek, P.M., Porder, S., Houlton, B.Z., Chadwick, O.A. (2010): Terrestrial phosphorus limitation: mechanisms, implications, and nitrogen-phosphorus interactions. Ecological Applications 20, 5-15

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