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Phosphoreinträge in terrestrische Ökosysteme

Der mittlere Phosphorgehalt der Erdkruste beträgt 0.05% P. Entsprechend korrespondiert auch der mittlere Phosphorgehalt in Böden mit 0.02-0.08% P. Neben den nativen Phosphorverbindungen werden terrestrischen Ökosystemen, insbesondere agrarischen Nutzflächen, auf verschiedenen Pfaden weitere Phosphate zugeführt.

Atmosphärische Deposition

Im Niederschlagswasser sind gelöste und ungelöste anorganische Phosphorverbindungen nachzuweisen. Sie gelangen bei Verbrennungsvorgängen von Heizöl, Treibstoffen oder Schmierstoffen in die Atmosphäre. Ein bedeutender Teil der Phosphorfracht wird mit Rauchgasen emittiert. Aber auch P-Quellen wie Pollenstäube sind nicht unerheblich (BERNHARDT 1978). Die Depositionsraten variieren je nach Region, Jahreszeit und Niederschlagsintensität und -dauer stark. In Ballungsgebieten und in ihrer Nähe kann die P-Deposition allein eine Eutrophierung von Seen bewirken (BERNHARDT 1978). HOFFMANN (1972) gibt als Beispiel für nährstoffreiche Niederschläge einen Wert von 0.995 mg P/l an (gemessen an der Feldkrücker Höhe im Hohen Vogelsberg).
Die mittlere jährliche Depositionsrate in Deutschland beträgt nach BERNHARDT (1978) 0.4 kg P/ha*a. Im Bornhöveder Seengebiet wurde 1991 eine durchschnittliche Konzentration von 0.01 mg PO4-P/l im Regenwasser und eine Jahressumme der nassen Deposition von 0.32 kg PO4-P ermittelt (NOWOK 1994). Die berechneten Depositionsraten von 1990 und 1991 (SPRANGER l992) liegen ebenfalls in dieser Größenordnung. Die relativ niedrigen Werte sind durch das Fehlen von Emissionsquellen zu erklären (BRANDING mündl. Mittlg.). BRUHM (1985) berechnete in seiner Untersuchung für einen Standort in Schleswig-Holstein (Rastorf) im Freiland eine Eintragsrate von 0.87 kg P2O5/ha*a (= 0.38 kg P/ha*a). Für einen Waldstandort ermittelte BRUHM (1985) zehnmal höhere Werte (9.24 kg P2O5/ha*a). Die hohen Eintragsraten des Waldstandortes erklärte er sich durch den "Auskämmeffekt" der Vegetation und die Verunreinigung des Auffangtrichters mit Laub und Insekten.

P-Eintrag durch Düngemittel

Auf landwirtschaftlich genutzten Böden sind die Oberböden als Folge der langjährigen P-Düngung mit Phosphaten angereichert (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1989). Untersuchungen bestätigten dies auch im Bornhöveder Gebiet (BIRKHOLZ 1991).
Notwendigkeit und Ziel der P-Düngung
In der intensiven Pflanzenproduktion der Landwirtschaft ist es üblich, Düngemittel mit den Hauptpflanzennährstoffen, wie dem Phosphat, auf den Boden zu applizieren, obwohl der native P-Vorrat mit 0.02-0.08% P relativ hoch ist. Der Gesamtgehalt an Phosphat im Boden ist allerdings kein geeignetes Maß für die Beurteilung der Phosphatbereitstellung für Pflanzen. Letztere vermögen nur mineralisierte anorganische und leichtmobilisierbare Phosphate über ihre Wurzeln und Wurzelhaare zu nutzen. Im Boden liegen sie jedoch häufig in organischen oder stabilen, schwerlöslichen anorganischen Verbindungen vor. Deshalb wird für eine optimale P-Versorgung zusätzlich gedüngt, um einen hohen labilen Phosphatanteil im Boden zu erzielen, eine ausreichende P-Nachlieferung aus dem Boden zu gewährleisten und die Phosphatkonzentration in der Bodenlösung zu erhöhen (BERNHARDT 1978).
Formen der Phosphatdünger
Es kann zwischen Wirtschaftsdüngern wie Jauche, Gülle sowie Stallmist und Mineraldüngern unterschieden werden. In den Wirtschaftsdüngern mit P-Gehalten bis zu 0.3% P bei Stallmist, 0.01% P bei Jauche und 0.3% P bei Hühnergülle (FINCK 1989) liegt Phosphor häufig in organischer Form vor und muß erst durch mikrobielle Transformationsprozesse mineralisiert werden, um pflanzenverfügbar zu sein. Mineraldünger, die im Handel unter Namen wie Superphosphat, Triplephosphat, Thomasphosphat, Novaphos, Hyperphos oder Rhenaniaphosphat erhältlich sind, weisen in unterschiedlichem Mengenverhältnis eine Mischung aus anorganischen Phosphatverbindungen auf. Sie werden durch Teil- oder Vollaufschluß aus Rohphosphaten gewonnen und unterscheiden sich in ihrem wirksamen P-Gehalt (angegeben in % P2O5) und ihrer Wirkungsgeschwindigkeit (FINCK 1991). Je nach Zeitpunkt der Applikation, Kulturart oder den Bodenverhältnissen kann die Wahl des Phosphatdüngers variieren (FINCK 1991): Eine Übersicht gibt die Abbildung 3-1:

Abb. 3-1: Verbleib und Umsetzung der P-Dünger im Boden (aus: FINCK 1991)
Phosphatdünger gelangen zumeist als Mehrnährstoffdünger (NP-, NPK- oder PKMg-Dünger) in den Boden.
Mengen an P-Düngemittel
Die erforderliche Menge an P-Dünger ist von verschiedenen Faktoren abhängig:
  1. Kulturart, Wuchsstadium
  2. Nutzungsintensität
  3. Bodenverhältnisse (pH, Feuchte u.a.)
  4. Art des P-Düngers
  5. Phosphatversorgung und -mobilität des Bodens

Zur Ermittlung des P-Bedarfs werden folgende Methoden angewendet:
  1. Bodenuntersuchungen, P-Gehaltsermittlung
  2. P-Entzug durch Ernte, Nährstoffbilanzierung
  3. Erfahrungswerte des Landwirts
  4. Pflanzenanalyse
  5. Erkennen von Mangelsymptomen
Die Richtlinien zur Düngung, die in den jeweiligen Bundesländern veröffentlicht werden, sind unverbindlich. So ergibt sich bei der Abschätzung der jährlichen P-Düngung im Untersuchungsgebiet eine große Unsicherheit. Eine grobe Abschätzung der P-Düngung kann in Abhängigkeit von der in Kap. 4.2 abgeleiteten Fruchtfolge erfolgen.
Der Aufwand an P-Düngemitteln ist seit 10 Jahren leicht rückläufig, nachdem er zuvor stark angestiegen war (FINCK 1991). Für die Jahre 72/73 und 73/74 berechnete KRETZSCHMAR (1978) im Honigaueinzugsgebiet in der Nähe von Kiel einen durchschnittlichen Düngemittel- aufwand von 58 kg P/ha*a. Für das Wirtschaftsjahr 1974/75 schätzt BERNHARDT (1978) auf Grundlage der Düngemittel-Kreisstatistik den Aufwand mit ca. 37 kg P/ha wesentlich geringer ein. Im Untersuchungsgebiet beträgt die durchschnittliche P-Düngemenge auf Ackerflächen 50 kg P/ha*a (NOWOK 1994).
Alterung von P-Düngemittel
Unter der Alterung von Phosphatdünger versteht man die verminderte Pflanzenverfügbarkeit löslicher Phosphate mit zunehmender Kontaktzeit des Düngers. Der Prozeß der Phosphatalterung kann unterschiedlicher Natur sein: Düngerphosphate können okkludieren oder adsorbiert werden, Ca-Phosphate können zu Apatit umgewandelt werden. Welcher Prozeß überwiegt, hängt von dem verwendeten P-Dünger und den Bodeneigenschaften ab (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1989). In Versuchen konnte dies verdeutlicht werden, indem auf 10 verschiedenen Böden zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit Superphosphat gedüngt wurde: 6 Monate, 3 Monate und direkt vor der Aussaat von Weidelgras. Die Phosphataufnahme der Pflanzen bei Düngung zur Aussaat war auf den meisten Böden signifikant höher, als bei den vor der Aussaat gedüngten Böden (BAREKZAI & MENGEL 1985). Die Phosphataufnahme durch die Pflanzen korrelierte ebenfalls mit den Phosphatgehalten, die mit unterschiedlichen Untersuchungsmethoden (EUF, DL, CAL) ermittelt wurden. Die stärkste Phosphatalterung zeigte sich auf einer sauren Braunerde, die geringste auf einer Rendzina mit stark carbonathaltigem Unterboden. Die Versuchsergebnisse lassen den Schluß zu, daß Ackerböden mit hohem pH-Wert die Düngerphosphate besser ausnutzen als saure Böden, in denen sie schnell adsorbiert werden (BAREKZAI 1984). Versuche, in denen die Phosphatnachlieferung von Böden durch mehrmalige Wasserextraktion getestet wurde, zeigen, daß adsorbiertes Phosphat durch Konzentrationserniedrigung desorbiert und dadurch pflanzenverfügbar wird (SCHACHTSCHABEL & BEYME 1980). Bei 20maliger Extraktion wurden auf verschiedenen Böden im Mittel 90% des anorganischen Phosphors gelöst. In einem statistischen Dauerversuch über 84 Jahre ohne P-Düngung konnte sogar eine Phosphatmobilisierung aus dem Unterboden (Schwarzerde) festgestellt werden (WECHSUNG & PAGEL 1993).