Phosphorverbindungen in terrestrischen Ökosystemen

Bei den Stoffumsätzen innerhalb eines Ökosystems spielen Phosphorverbindungen eine wichtige Rolle. Sie sind in vielen natürlichen Ökosystemen das wachstumslimitierende Element. Bei einem Überangebot in aquatischen Systemen kommt es zur Eutrophierung, deren Folge vermehrtes Pflanzenwachstum, Lichtmangel sowie Arten- und Sauerstoffarmut ist. Neben den Gewässern sind Böden bei der Analyse der Phosphatumsätze in Landschaften von hohem Interesse. Durch ihre Filterwirkung sind sie wichtige Regulatoren im Landschaftsstoffhaushalt.

 In diesem Kapitel sollen mögliche P-Quellen aufgezählt, die P-Dynamik erläutert und die P-Austräge eines terrestrischen Ökosystems genannt werden.

P-Bindungsformen in terrestrischen Ökosystemen

Phosphor liegt in anorganischer und organischer Bindung vor (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1989). Im Boden können folgende Bindungsformen unterschieden werden: definierte anorganische Phosphate, organische P-Verbindungen und adsorbiertes Phosphat. Sie liegen in unterschiedlichem Verhältnis zueinander vor.

Definierte anorganische Phosphate

Die anorganisch gebundenen Phosphate liegen fast ausschließlich als Orthophosphate vor. Diese Salze der Orthophosphorsäure sind zumeist schwer löslich. Nennenswerte P-haltige Mineralien sind Apatit, Strengit, Variskit und Vivianit. Daneben sind Umwandlungsprodukte von Düngerphosphaten im Boden vorhanden.

 Bis zu einem pH-Wert von ca. 7 dominiert Apatit in isomorpher Mischung von Hydroxylapatit Ca5(PO4)3(OH) und Fluorapatit Ca5(PO4)3(F). Bei einem niedrigeren pH-Wert wird Apatit zersetzt. In stark sauren Böden treten Strengit FePO4*2H2O und Variskit AlPO4*2H2O neben amorphen Fe- und Al-Phosphaten mit variierender Zusammensetzung auf. In Reduktionshorizonten von grundwasserbeeinflußten Böden tritt das zweiwertige Fe-Phosphat Vivianit Fe3(PO4)2*8H2O auf. Umwandlungsprodukte von Düngerphosphaten sind u.a. sekundäres Calciumphosphat CaHPO4 bzw. CaHPO4 *2H2O, Octacalciumphosphat Ca8H2(PO4)6 und vermutlich auch Apatit (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1989).

 In der Bodenlösung sind Phosphate in Abhängigkeit von der Bodenacidität als H2PO4- oder HPO42- enthalten (pKS H2PO4- HPO42- = 7.21, pKS H2PO4- H3PO4 = 2.12). Das dreiwertige Phosphation (PO43-) kommt in der Natur nicht in nennenswerten Mengen vor.

 

Organische Phosphorverbindungen

Der Anteil des organisch gebundenen P liegt im Oberboden zwischen 25% und 65% des Gesamt-P, im Unterboden wesentlich tiefer (BERNHARDT 1978). In Moorböden ist dieser Anteil besonders hoch (SCHEFFER 1977).

 Bis zu 50% der im Boden vorhandenen organischen P-Verbindungen zählen zu den Phytaten, den Salzen der Inosithexaphosphorsäure. Sie sind wie die anorganischen Phosphate zumeist adsorbiert. Ungefähr 5-10% der organischen Bodenphosphorverbindungen bestehen aus Nucleinsäuren. Einen hohen Anteil nehmen außerdem die mit Humin- und Fulvosäuren komplexierten Fe- und Al-Phosphate ein. Weitere organische P-Verbindungen wie Phosphorlipide, Zuckerphosphate und Phosphorproteine spielen quantitativ mit 1-2% eine untergeordnete Rolle (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1989). Organische Phosphorverbindungen können nicht direkt von den Pflanzenwurzeln aufgenommen werden. Erst durch mikrobiellen Abbau der organischen Substanz bzw. durch enzymatische Spaltung wird diese pflanzenverfügbar (ANDERSON 1975, zitiert in SCHEFFER 1977).

 

Adsorbiertes Phosphat

Tonminerale und besonders die Fe- und Al-Oxide sowie deren Hydroxide sind in der Lage, Phosphat- ionen zu binden. Die organischen Substanzen vermögen Phosphat nur dann zu adsorbieren, wenn sie mit Fe3+ und Al3+ komplex gebunden sind (BERNHARDT 1978).

 Bei der Adsorption von Phosphaten werden spezifische und unspezifische Adsorption unterschieden. Erstere geschieht durch Ligandenaustausch am Sorbenten. Bei diesem Prozeß wird ein Ligand (OH-) durch das Phosphatanion (meist H2PO4-) aufgrund der höheren Affinität zum Bindungspartner verdrängt. Die spezifische Phosphatadsorption nimmt mit steigendem pH-Wert infolge der größeren Konkurrenz durch OH--Ionen ab. Die unspezifische Adsorption entsteht durch eine einfache Anlagerung der Phosphatanionen an positiv geladene Bodenpartikel. Dies können OH2+ , Al3+ , Fe3+ oder Ca2+ sein.

 Die Mechanismen der Phosphatadsorption und -desorption als Bestandteil der Phosphatdynamik in Böden werden in dem Kapitel 3.3 eingehender behandelt.