Von: T.L. Provin und L.R. Hossner
Eine effiziente Pflanzenproduktion erfordert eine ausreichende Versorgung mit allen wesentlichen Pflanzennährstoffen. Der Einsatz von Stickstoffdüngern zur Steigerung der Produktion, zur Aufrechterhaltung der Erträge und zur Bereitstellung kostengünstiger Nahrungsmittel und Fasern ist jedoch eine Notwendigkeit der modernen Landwirtschaft. Im Allgemeinen benötigen Nutzpflanzen Stickstoff in der größten Menge aller Pflanzennährstoffe.
Die Auswirkungen von Stickstoffdüngern auf die Umwelt sind seit langem ein Thema. Die Besorgnis über die Verschmutzung von Flüssen, Seen und Grundwasser durch Stickstoff hat dazu geführt, dass sich die landwirtschaftlichen Erzeuger zunehmend ihres potenziellen Beitrags zum Gesamtverschmutzungsproblem bewusst werden.
Um Stickstoff wirksam zu nutzen und seine negativen Auswirkungen auf die Umwelt zu begrenzen, müssen die Erzeuger ein Bewusstsein für die Chemie des Stickstoffs entwickeln und dafür, wie er dem Boden zugeführt und aus ihm entfernt wird.
Die von den landwirtschaftlichen Erzeugern verwendeten Handelsdünger sind eine wichtige Quelle für die Stickstoffzufuhr zu den Böden. Stickstoff wird durch pflanzliche und tierische Abfälle und organische Stoffe im Boden kontinuierlich recycelt. Stickstoff wird dem Boden durch Pflanzen, gasförmige Verluste, Abfluss, Erosion und Auswaschung entzogen. Das Ausmaß und die Mechanismen, die für Stickstoffverluste verantwortlich sind, hängen von den chemischen und physikalischen Eigenschaften eines bestimmten Bodens ab. Abbildung 1 ist eine schematische Darstellung der möglichen Gewinne und Verluste von Bodenstickstoff.
Chemie des Stickstoffs
Stickstoff macht 79 Prozent der Luft aus, die wir atmen. Die Oberfläche eines fruchtbaren Präriebodens kann 2 bis 3 Tonnen Stickstoff pro Hektar enthalten. Die Luft über demselben Acker enthält etwa 35.000 Tonnen inertes Stickstoffgas (N2). Der meiste Stickstoff im Boden ist als N2-Gas entstanden, und fast der gesamte Stickstoff in der Atmosphäre ist N2-Gas. Dieser inerte Stickstoff kann von der Pflanze erst genutzt werden, wenn er in die Formen Ammonium (NH4 +) oder Nitrat (NO3 – ) umgewandelt wird.
Drei wichtige Methoden zur Umwandlung von Stickstoffgas (N2) in Ammonium (NH4 +) sind:
- Freilebende N2-fixierende Bakterien
- N2-fixierende Bakterien in Knöllchen an den Wurzeln von Leguminosen und
- Stickstoffdüngerproduktionsfabriken.
Eine weitere wichtige Methode der N2-Umwandlung ist der Blitzschlag. Wenn ein Blitz einschlägt, wird das Stickstoffgas in der überhitzten Luft in Nitrat (NO3 – ) und Nitrit (NO2 – ) umgewandelt. Blitze können für 1 bis 50 Pfund pflanzenverfügbaren Stickstoff pro Acker und Jahr verantwortlich sein.
Obwohl Stickstoff in verschiedenen chemischen Formen in den Boden gelangt, wandelt er sich schließlich in das anorganische Nitrat (NO3 – )-Ion um. Abbildung 1 zeigt, dass NO3 – von Pflanzen genutzt, in Stickstoffgas zurückverwandelt oder mit dem Bodenwasser nach unten ausgewaschen werden kann.
Handelsdünger, Pflanzenreste, Tierdung und Abwasser sind die häufigsten Quellen für die Stickstoffzufuhr in den Boden. Die Ausbringungsmengen sind sehr unterschiedlich. Einzelne Ausbringungsmengen können bis zu 150 Pfund Stickstoffäquivalent pro Acker für Kulturen wie das Küsten-Bermudagras betragen. Solche hohen Ausbringungsmengen sollten jedoch auf Böden mit geringem Erosions- und Abflusspotenzial begrenzt werden.
Stickstoff in organischem Material (Pflanzenreste, tierische Dünger, Abwässer, organische Bodensubstanz) ist als Teil von Proteinen, Aminosäuren und anderen pflanzlichen und mikrobiellen Materialien vorhanden. Er wird für die Pflanzen erst verfügbar, wenn die Verbindung durch Mikroorganismen im Boden abgebaut wird. Dies wird als „Mineralisierung“ bezeichnet (Abb. 2). Der erste Schritt der Mineralisierung ist die „Ammonifikation“. Das aus der Ammonifikation stammende Ammonium (NH4 +) wird dann von „nitrifizierenden“ Bakterien im Boden durch den „Nitrifikation“ genannten Prozess in Nitrat-Stickstoff (NO3 – -N) umgewandelt.
Die Orte der Ammonifikations- und Nitrifikationsreaktionen im Stickstoffkreislauf sind in Abbildung 1 dargestellt. Das positiv geladene Ammonium (NH4 +)-Ion, das bei der Ammonifikation entsteht oder dem Boden in Düngemitteln zugesetzt wird, wird von negativ geladenen Tonteilchen im Boden angezogen. In den meisten nicht-trockenen Böden wird das NH4 + -Ion jedoch schnell in Nitratstickstoff (NO3- N) umgewandelt. Wachsende Pflanzen nehmen den meisten Stickstoff in Form von Nitrat (NO3- ) auf.
Gängige Quellen für anorganischen Stickstoff sind Ammoniak (NH3), Ammonium (NH4 +), Amin (NH2 +) und Nitrat (NO3 – ). Die meisten Düngemittel enthalten oder bilden NH4 +, das im Boden schnell in NO3 – umgewandelt wird.
Entfernung von Stickstoff aus dem Boden
Stickstoff wird durch vier Hauptprozesse aus dem Boden entfernt:
- Pflanzenaufnahme
- Gasförmiger Verlust
- Abfluss und Erosion
- Auswaschung
Pflanzenaufnahme bezieht sich auf die Stickstoffaufnahme durch die Wurzeln. Baumwolle, Mais, Tomaten und Rasengräser benötigen 60 bis 300 Pfund Stickstoff pro Acker, um ein gutes Wachstum und rentable Erträge oder die gewünschte Ästhetik zu erzielen. Der tatsächliche Bedarf für eine bestimmte Kultur variiert je nach Produktionspotenzial und wird in hohem Maße von klimatischen Faktoren beeinflusst.
Da die meisten Böden wenig pflanzenverfügbaren Stickstoff enthalten, wird der Stickstoffbedarf häufig als kommerzieller Stickstoffdünger bereitgestellt. Der Stickstoffbedarf von mehr als 150 Pfund pro Acre wird in der Regel auf zwei oder mehr Anwendungen aufgeteilt. Allerdings verlässt nur der pflanzliche Stickstoff in der geernteten Ernte tatsächlich das Feld. Der restliche Pflanzenstickstoff wird als Pflanzenrückstände in den Boden zurückgeführt und gelangt als organischer Stickstoff wieder in den Kreislauf, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Der gasförmige Stickstoffverlust erfolgt durch Denitrifikation oder Ammoniakverflüchtigung. Denitrifikation ist ein Prozess, bei dem Nitratstickstoff (NO3- -N) in gasförmiges Stickoxid (N2O) oder elementaren Stickstoff (N2) umgewandelt wird. An diesem Prozess sind anaerobe Bakterien beteiligt (die keinen freien Sauerstoff benötigen), und er findet in der Regel in feuchten oder wassergesättigten Böden statt.
Da es sich um einen anaeroben Prozess handelt, sind die gasförmigen Verluste aus einem normalen (aeroben) Boden gering. Wenn Böden jedoch über längere Zeiträume sehr nass oder gesättigt sind, kann ein großer Teil des Nitrats verloren gehen.
Ammoniakgas kann sich aus Stickstoffverbindungen wie Harnstoff an der Bodenoberfläche entwickeln. Harnstoff ist in tierischem Dung enthalten und kann in reiner Form als Düngemittel (45-0-0) gekauft werden.
Andere ammoniumhaltige Düngemittelverbindungen, einschließlich Ammoniumsulfat (21-0-0) und in geringerem Maße Ammoniumnitrat (33-0-0) und Ammoniumphosphat, können in Gegenwart von Kalziumkarbonat nachweislich freies Ammoniak erzeugen. Diese Bedingung besteht in einigen Böden mit hohem pH-Wert (pH>7,3).
Abfluss und Erosionsverluste können Nitrat (NO3 – ), Ammonium (NH4 +) und organischen Stickstoff enthalten. Das negativ geladene NO3 -Ion verbleibt im Bodenwasser und wird nicht von Bodenpartikeln gehalten. Wenn Wasser, das gelöstes NO3 – oder NH4 + enthält, von der Oberfläche abfließt, werden diese Ionen mitgerissen. Wenn jedoch Stickstoffdünger auf trockene Böden ausgebracht wird und Regen oder Bewässerungswasser zum Einsatz kommt, löst das erste Wasser den Dünger auf und trägt ihn in den Boden. Niederschläge führen im Allgemeinen nicht zu Oberflächenverlusten von Düngerstickstoff, es sei denn, es kommt kurz nach der Ausbringung zu sehr intensiven Niederschlägen.
Ammonium, das von Tonpartikeln gehalten wird, kann durch Bodenerosion in Oberflächengewässer gelangen. Tatsächlich wird durch Bodenerosion mehr Stickstoff verlagert als durch Niederschläge, die gelöste Stickstoffverbindungen transportieren. Wenn erodierte Böden in Flüssen und Seen abgelagert werden, wandeln mikrobielle Aktivitäten Stickstoffverbindungen langsam in lösliche Formen um.
Auswaschungsverluste sind die Bewegung von Wasser durch einen Boden unterhalb der Wurzelzone nach unten. Dieser Verlust tritt am häufigsten bei Nitrat (NO3 – ) in Gebieten mit hohen Niederschlägen, bei übermäßiger Bewässerung und bei grobkörnigen (sandigen) Böden auf. Stickstoffverluste durch Auswaschung verringern die für die Pflanzen verfügbare Stickstoffmenge und können möglicherweise oberflächennahe Brunnen und Grundwasserleiter verunreinigen.
Die Stickstoffmenge und der Zeitpunkt der Ausbringung sollten auf die Bodenbedingungen und die Anforderungen der Pflanzen abgestimmt sein, um die Auswaschungsverluste zu minimieren. Zahlreiche Forschungsstudien zeigen, dass aufgrund der Pflanzenaufnahme nur wenig Nitratstickstoff (NO3 – -N) aus Böden ausgewaschen wird, auf denen eine Pflanze aktiv wächst. Da die am stärksten auswaschungsgefährdeten Sandböden in Ost-Texas liegen, wo überwiegend Gras angebaut wird, sind bei der Stickstoffdüngung im Allgemeinen landesweit minimale Auswaschungsverluste zu erwarten.
Studien haben zwar begrenzte Probleme mit Nitrat (NO3 – )-Bewegungen gezeigt, aber unsachgemäße Anwendungen von kommerziellen und organischen Stickstoffdüngern können dazu führen, dass NO3 – in Oberflächengewässer abfließt und in das Grundwasser ausgewaschen wird.
Verhindern von Stickstoffverlusten
Der beste Weg, Stickstoffverluste auf landwirtschaftlichen Flächen zu verhindern, sind gute Boden- und Wasserbewirtschaftungsmethoden. Der erste Schritt zur Verringerung potenzieller Stickstoffverluste besteht darin, den Boden untersuchen zu lassen. Eine ordnungsgemäß entnommene Bodenprobe liefert eine Schätzung des im Boden vorhandenen Nitrat-Stickstoffs (NO3 – -N) und kann als Richtschnur für die Ausbringung einer angemessenen Menge Stickstoffdünger für die angebaute Pflanze dienen.
Die beste Methode, um zu verhindern, dass Stickstoff in Flüsse und Seen gelangt, sind eine sachgemäße Düngung und die Kontrolle von Oberflächenabfluss und Erosion. Auswaschungsverluste können verhindert werden, indem der Stickstoffbedarf auf mehrere Anwendungen aufgeteilt wird, wenn grob strukturierte Böden und hohe Niederschlagsmengen üblich sind.
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