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Stickstoffdünger sollten effizient eingesetzt werden. Das heisst, so, dass ein möglichst hoher Anteil des gedüngten Stickstoffs von den Pflanzen aufgenommen wird und somit die N-Verluste über Nitratauswaschung und Denitrifikation gering gehalten werden. Eine Düngung über das ökonomische Optimum hinaus verursacht nicht nur höhere Kosten, sondern hat auch negative Auswirkungen auf die Umwelt.
N-Auswaschung im Winter
Im Frühling ausgebrachte mineralische Stickstoffdünger werden zum grössten Teil während der Vegetationsperiode von den Pflanzen aufgenommen. Eine Auswaschung aus dem Wurzelraum im Frühjahr und Sommer tritt nur unter aussergewöhnlichen Bedingungen auf, z.B. bei flachgründigen, sehr sandigen Böden in Verbindung mit Extremniederschlägen. Zudem verhindert der durch hohe Verdunstung bedingte kapillare Aufstieg in den wärmeren Monaten die Nitratauswaschung. Bodenmikroorganismen wandeln jedoch auch nach der Vegetationsperiode noch organische Substanz in Mineralstickstoff um, der nun nicht mehr von Pflanzen aufgenommen wird und sich als Restnitrat im Boden ansammelt. Vor allem Böden, die langjährig mit hohen Gaben an Wirtschaftsdünger versorgt wurden, haben ein hohes Mineralisierungspotenzial. Das Restnitrat kann im Winter ins Grundwasser ausgewaschen werden. Deshalb ist eine zeitlich und mengenmässig an den N-Bedarf der Pflanze angepasste Düngung wichtig. Zwischenfrüchte über den Winter helfen, eine Nitratauswaschung zu verhindern.
Effizienz fängt bei der Herstellung an
Stickstoff-Dünger wird aus Erdgas hergestellt. In mehreren Verarbeitungsschritten wird das Erdgas - im Wesentlichen Methan - durch die Verbindung mit Stickstoff aus der Luft in einen stickstoffhaltigen Dünger veredelt. 80 % des Gases dienen dabei als Rohmaterial für den Dünger, während die restlichen 20 % zur Erhitzung und zur Stromerzeugung dienen. Ausgehend von den zwei Hauptprodukten, Ammoniumnitrat und Harnstoff, werden durch Beimischung unterschiedlicher Rohstoffe verschiedene Arten von Düngemitteln hergestellt. Für NPK-Dünger beispielsweise werden Phosphor und Kalium beigegeben, KAS-Dünger enthalten zusätzlich Dolomit und die Mischung von Harnstoff und Ammoniumnitratlösung ergibt AHL.
Für die Herstellung von Dünger wird Energie benötigt. Diese wird aus Erdgas bezogen, das bei der Düngerproduktion als Rohstoff zum Einsatz kommt. Moderne Werke in Europa produzieren umweltschonend und halten den Energieverbrauch auf einem tiefen Niveau. Als Nebenprodukt der Düngemittelherstellung erzeugen die Produktionsstätten Strom, der entweder werksintern genutzt oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Die europäische Düngemittelindustrie trägt zum Erhalt von ca. 50 000 direkten und indirekten Arbeitsplätzen bei.
Die Investitionen in neue Anlagen und Ausrüstungen belaufen sich auf jährlich mehr als 680 Millionen Franken. In den letzten Jahren wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Düngemittelherstellung zu einem grundlegend sauberen Prozess zu machen. Heute gelten die europäischen Standards als Best Practice, und in keiner anderen Region weltweit wird Dünger mit einer besseren Umweltverträglichkeit hergestellt als in Europa.
Gasförmige N-Verluste
Gasförmige Stickstoffverluste treten als Methan, Ammoniak oder Lachgas auf. Methan entsteht beim mikrobiellen Abbau von organischer Substanz unter Luftabschluss (anaerobe Bedingungen). Einige Bodenbakterien können unter Sauerstoffmangel Nitrat als Sauerstoffquelle nutzen. Bei dieser sogenannten Denitrifikation wird Nitrat zu Lachgas und gasförmigem Stickstoff umgewandelt. Damit wird fixierter Stickstoff bei der nächsten Bodenbearbeitung wieder in die Atmosphäre zurückgeführt. Die Denitrifikation findet vor allem in stark durchnässten und verdichteten Böden bei hohen Nitratgehalten statt. Durchschnittlich können dem Boden ca. 30 kg N/ha und Jahr durch Denitrifikation verloren gehen. Pflanzenbauliche Massnahmen wie das Verhindern von Bodenverdichtungen und die bedarfsgerechte Düngung der Kulturen mit schnell wirkenden N-Formen halten die Denitrifikationsrate so gering wie möglich.
Wenn ammoniumhaltige (NH4haltige) Mineraldünger auf den Boden ausgebracht werden, kann dies zur Freisetzung des leicht flüchtigen Ammoniaks (NH3) führen. Die Ammoniakemissionen aus Mineraldüngern werden sehr stark durch den pH-Wert des Bodens beeinflusst. Erst ab pH-Werten über 7.5 treten nennenswerte NH3-Verluste auf.
Bei der Düngung von Harnstoff kann es jedoch auch bei niedrigeren pH-Werten zu NH3-Verlusten kommen. Harnstoff wird nach der Ausbringung innerhalb kurzer Zeit im Boden zu Ammonium umgewandelt. Dieser Prozess führt zu einem Anstieg des pH-Wertes direkt um das Düngerkorn und damit zu höheren Ammoniakemissionen als bei anderen Stickstoffdüngern, wie z.B. KAS. Dieser Effekt wird bei Trockenheit noch gefördert.
Grundsätzlich werden NH3-Verluste auch durch Bedingungen gefördert, die ein Eindringen des Düngers in den Boden verhindern. Hierzu zählen z. B. auch Frost oder eine Auflage von organischer Substanz auf der Bodenoberfläche (Mulchsaat).
Verlustquellen von Stickstoff
Erhöhtes Auswaschungsrisiko von Nitrat besteht bei:
- hohen Nitratgehalten im Boden nach der Ernte infolge von Überdüngung oder anschliessender hoher Mineralisierung
- geringer Wasserhaltefähigkeit des Bodens (leichte, sandige Böden)
- hohen Niederschlagsmengen
- langen Bracheperioden
Gasförmige Ammoniakverluste treten vor allem auf bei:
- hohem Boden-pH-Wert
- geringer Pufferkapazität und geringem Ammonium-Ab sorptionsvermögen (z. B. geringer Gehalt an Ton oder org. Substanz)
- geringer Bodenfeuchte
- unbearbeitetem Boden, reduzierter Bodenbearbeitung und in Grünland, wenn der Dünger nicht in den Boden eindringen kann
- hohen Temperaturen und starkem Wind
- hohen Evapotranspirationsraten
- Trockenheit nach Düngerapplikation
Umsetzungs-Geschwindigkeit
Die N-Formen unterscheiden sich in ihrer Wirkungsgeschwindigkeit. Nitrat kann direkt von den Pflanzen aufgenommen werden. Harnstoff muss zuerst von Bodenbakterien via Ammonium in die Nitratform umgewandelt werden. Die Geschwindigkeit der Umsetzung hängt vor allem von der Bodentemperatur ab. Bei einer langsamen Erwärmung des Bodens im Frühjahr kann dies zu einer temporären Unterversorgung der Kulturen mit Stickstoff führen, wenn Dünger ohne Nitratanteil eingesetzt werden.
Häufig werden die verschiedenen N-Formen, bzw. verschiedene N-Dünger wie Kalkammonsalpeter (KAS), Harnstoff oder Ammonium-Nitrat-Harnstofflösung (AHL), als wirkungsgleich betrachtet. Feldversuche zeigen, dass zwar mit allen N-Düngern Höchsterträge erzielt werden können. Der hierfür nötige N-Aufwand ist aber bei Einsatz nitrathaltiger Dünger wie Kalkammonsalpeter meist niedriger. N-Steigerungsversuche zeigen, dass KAS den Höchstertrag bereits bei geringerer Aufwandmenge erzielt als Harnstoff.
Die Gründe für die Wirkungsunterschiede von Nitraten und Ammonium oder Harnstoff (Amid) sind vielfältig. Oft ist es eine von der Witterung und Bodenbedingungen abhängige Kombination verschiedener Ursachen, die für die unterschiedliche N-Effizienz verantwortlich ist.
Klimaschonender Ackerbau
Zur Bewertung der Auswirkungen der Düngung auf die Umwelt dienen Ökobilanzen. Sie erfassen die Summe aller Emissionen (NO3, NH3, N2O, CO2 etc.) sowie die für die Produktion notwendigen Ressourcen (Öl, Erdgas, Fläche etc.) und stellen diese ins Verhältnis zur erzeugten Biomasse (z.B. pro t Getreide). So werden Einzelwirkungen zu übergeordneten Umwelteffekten zusammengefasst.
Berechnungen zur Weizenproduktion belegen, dass bei einer Stickstoffdüngung in optimaler Höhe weniger Treibhausgase pro Tonne Weizen freigesetzt werden als bei reduzierter Stickstoffdüngung. Das liegt daran, dass eine reduzierte Mineraldüngung zu niedrigen Erträgen führt. Eine optimierte Stickstoffdüngung erhöht die Nahrungsmittelproduktion auf den bestehenden Flächen, so dass naturnahe Ökosysteme als natürlicher CO2-Speicher erhalten werden können. Ökonomisch optimale N-Düngung ist auch aus Umweltsicht sinnvoll, da durch sie die knappen Flächen am effizientesten genutzt werden. Hohe Umweltbelastungen treten besonders bei unterlassener oder bei einer den Pflanzenbedarf überschreitenden N-Düngung auf.