Stickstoff

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Ein Traktor düngt ein Feld
Quelle: Emjay Smith / Fotolia

Stickstoff ist ein unentbehrlicher Nährstoff für alle Lebewesen. Der Einsatz mineralischer und organischer Stickstoffdünger zur Steigerung von Erträgen ist daher gängige Praxis in der Landwirtschaft. Entscheidend ist der sorgsame und bedarfsgerechte Einsatz. Stickstoff-Überschüsse können Wasser- und Land-Ökosysteme belasten sowie Klima, Luftqualität und die Biodiversität beeinträchtigen.

Inhaltsverzeichnis

 

Einführung

Stickstoff (N) ist ein elementarer Baustein aller Lebewesen. Stickstoffverbindungen durchlaufen sowohl Boden und Luft als auch Wasser. Eine durch den Menschen verursachte Überlastung und Störung des natürlichen N-Kreislaufs und empfindlichen Systems kann jedoch zu Beeinträchtigungen von Umwelt und Gesundheit führen. Mehr als 50 Prozent der reaktiven Stickstoffverbindungen gelangen in Deutschland über die Landwirtschaft in die Umwelt. Weitere Einträge erfolgen zu etwa gleichen Teilen durch Industrie, Verkehr und private Haushalte. Stickstoff wird in der Landwirtschaft als Dünger eingesetzt, um hohe Erträge bei guter Qualität zu erzielen sowie ausreichend  Nährstoffe nachzuliefern und die Bodenfruchtbarkeit zu erhalten. Die immer noch deutlich zu hohen Stickstoffüberschüsse landwirtschaftlich genutzter Böden entstehen, wenn mehr gedüngt als von den Pflanzen entzogen wird. Der Zielwert der nationalen Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung, den Stickstoffüberschuss auf 70 Kilogramm (kg) N pro Hektar (ha) im Fünfjahresdurchschnitt zu begrenzen, konnte bisher nicht erreicht werden. 2015 betrug der Stickstoffüberschuss in der Gesamtbilanz Deutschlands immer noch rund 100 kg N/ha LF. Neben der Flächennutzung (62 Prozent) trägt auch die Tierhaltung (38 Prozent) zum Stickstoffüberschuss der Landwirtschaft bei.

Ein Übermaß an Stickstoff und die Verlagerung in empfindliche Ökosysteme kann gravierende Auswirkungen auf die Umwelt haben.

Wird der ausgebrachte Stickstoffdünger nicht durch die Pflanzen aufgenommen, kann er in Grund- und Oberflächengewässer oder die Luft ausgetragen werden. Dort gefährdet er als Nitrat das Grundwasser und trägt zur Nährstoffüberversorgung (Eutrophierung) von Oberflächengewässern und Landökosystemen bei. Über die Luft wird Ammoniak in empfindliche Ökosysteme eingetragen wo es eine eutrophierende und versauernde Wirkung hat. Die entstehenden Treibhausgase beeinträchtigen zudem das Klima. Negative Folgen hat dies auf die Landschaftsqualität und die Artenvielfalt.

 

Gefahren für die Umwelt

 Auswirkungen auf das Grundwasser

Stickstoff kann im Boden in unterschiedlichen Formen vorliegen. In der Ammoniumform (NH4+) ist er zunächst an Bodenpartikel gebunden. Im Laufe der Zeit wird er jedoch durch Bodenmikroorganismen in Nitrat (NO3-) umgewandelt. Nitrat ist im Boden sehr mobil und kann insbesondere im Herbst nach der Ernte und bei starken Niederschlägen mit dem Sickerwasser in das Grundwasser verlagert werden. Im Grundwasser – und in der Folge dann im Trinkwasser – kann Nitrat unter bestimmten Bedingungen in das gesundheitlich bedenkliche Nitrit umgewandelt werden. Der Grenzwert für Nitrat im Trinkwasser wurde deshalb 1991 EU-weit auf 50 mg/l festgesetzt. Die Erhebung der Grundwasserqualität nach EU-Wasserrahmenrichtlinie hat 2009 ergeben, dass sich über ein Viertel (26,5 Prozent) des Grundwasservorkommens allein aufgrund der hohen Nitratbelastung in einem schlechten chemischen Zustand befinden. Hauptquellen sind Stickstoffüberschüsse durch Düngung, Fütterung proteinhaltiger Konzentrate und die Mineralisation organischer Substanz. Auch beim Grünlandumbruch werden in kurzer Zeit durch Mineralisation der organischen Bodensubstanz große Nitratmengen freigesetzt. In einigen Regionen Deutschlands, insbesondere in den Viehaltungsregionen Nordwestdeutschlands, wo große Mengen an tierischen Wirtschaftsdüngern anfallen, wird dieser Grenzwert zum Teil erheblich überschritten. Grund hierfür ist häufig ein unsachgemäßer, also zeitlich und mengenmäßig nicht an den Pflanzenbedarf angepasster Einsatz von Wirtschaftsdüngern. Verstärkt wird diese Situation durch den in den letzten Jahren durch das Erneuerbare-Energie-Gesetz (EEG) forcierten Zuwachs an Biogasanlagen in den Viehhaltungsregionen. Diese verwenden neben einem geringen Anteil an Wirtschaftsdüngern vor allem Mais als Gärsubstrat für die Stromerzeugung, was zur Folge hat, dass die für die Tierhaltung benötigten Futtermittel zunehmend importiert werden. Die anfallenden Gärreste sind reich an Nährstoffen und werden zusätzlich zu den ohnehin anfallenden Wirtschaftsdüngern auf die Felder ausgebracht.


Auswirkungen auf die Oberflächengewässer

Große Mengen an Stickstoffverbindungen aus der Landwirtschaft gelangen mit dem Grundwasser und aus Abschwemmungen von landwirtschaftlich genutzten Flächen in die Oberflächengewässer. In Flüssen, Seen und Meeren kommt es dadurch zu überhöhten Nährstoffgehalten, die zur Eutrophierung der betroffenen Gewässer führen. Eine Überversorgung mit Stickstoff führt im Gewässer zu einer Steigerung der pflanzlichen Primärproduktion, zum Beispiel von Algen. Das wiederum kann zu erheblichem Sauerstoffmangel im Gewässer und zu lebensfeindlichen Bedingungen für Tiere und Pflanzen führen. Die Wirkung, die eine übermäßige Stickstoffzufuhr auf Oberflächengewässer hat, hängt jedoch auch von anderen wachstumsbegrenzenden Nährstoffen wie zum Beispiel Phosphor ab. Das Verhältnis von Stickstoff und Phosphor ist entscheidend für die Wachstumsbedingungen von Pflanzen. Das natürliche, biologische Verhältnis von 16 (Stickstoff):1 (Phosphor) in Gewässern hat sich aufgrund der hohen Stickstoffeinträge zu Gunsten des Stickstoffs verschoben. Während in Meeren Stickstoff der wachstumsbegrenzende Faktor und damit entscheidend für Nährstoffwirkungen ist, kann in den meisten Flüssen, Seen und Küstengewässern Phosphor (entstammt ebenfalls überwiegend der Landwirtschaft) für das übermäßige Pflanzenwachstum verantwortlich gemacht werden. Sauerstoffmangel und die Verdrängung ursprünglicher Pflanzen und Tiere, die an die neuen Lebensbedingungen weniger gut angepasst sind, führen zu einem Verlust der Artenvielfalt in den Gewässern.


Auswirkung auf die Biodiversität

In naturnahen, terrestrischen (Wald-)Ökosysteme kann eine Überversorgung mit Stickstoff (Eutrophierung) langfristig negative Auswirkungen auf die Vegetation und die Artenzusammensetzung haben. Pflanzen und Tiere, die an nährstoffarme Lebensbedingungen angepasst sind, können durch stickstoffliebende Arten die sich dann stärker ausbreiten, verdrängt werden. In der Folge kann es zu einer Vereinheitlichung der Vegetation und zu einem Rückgang der biologischen Vielfalt kommen.

Weiterhin verursacht die Stickstoffüberdüngung bei Kulturpflanzen und Bäumen ein übermäßiges Wachstum in die Länge und weiche, schwammige Triebe, Zellen und Gewebe. Sie werden anfälliger gegenüber Frost und Hitze, die Lagerfähigkeit der Ernteprodukte nimmt ab und Pflanzenschädlinge sowie Bakterien- und Pilzkrankheiten können sich leichter ausbreiten. Ertragseinbußen bei landwirtschaftlichen Kulturpflanzen und Windbruchschäden in Wäldern können folgen.


Auswirkungen auf die Luftreinhaltung

Der Anteil des in Wirtschaftsdüngern enthaltenen Ammoniums (NH4) am Gesamtstickstoff (N) beträgt bei Stallmist rund 15 Prozent, bei Gülle etwa 50 Prozent und bei Jauche nahezu 95 Prozent. Bei der Lagerung und Ausbringung der Wirtschaftsdünger wird das Ammonium zu Ammoniak (NH3) umgewandelt und kann in die Atmosphäre entweichen. Ammoniak emittiert zudem aus großen landwirtschaftlichen Tierhaltungsanlagen. Bei den synthetischen Stickstoffdüngern kann insbesondere bei der Anwendung von ammoniumbildenden Harnstoffdüngern bzw. ammoniumhaltiger AHL-Lösung größere Mengen an Ammoniak entweichen – bis zu 15 Prozent des Gesamt-Stickstoff-Gehalts.

Die Höhe der Ammoniakverluste bei der Ausbringung hängt von zahlreichen Boden- und Wetterbedingungen ab. Ein hoher pH-Wert, eine geringe Pufferkapazität, geringe Bodenfeuchte, hohe Temperaturen und Wind begünstigen die Ammoniakausgasung. Um diese zu reduzieren beziehungsweise zu vermeiden enthält die in 2017 novellierte Düngeverordnung (DüV) eine Reihe von Anforderungen zur vorschriftsmäßigen Ausbringung von Wirtschaftsdüngern bzw. Harnstoffdüngern. Wirtschaftsdünger müssen beispielsweise auf unbestelltem Ackerland unverzüglich und spätestens innerhalb von vier Stunden nach der Ausbringung in den Boden eingearbeitet werden. Die Ausbringung von flüssigen Wirtschaftsdüngern ist zudem auf bestelltem Ackerland ab 2020 und auf Grünland ab 2025 nur noch mit emissionsarmer Ausbringtechnik (Schleppschlauch, Schleppschuh, Injektionsverfahren) erlaubt. Harnstoffdünger dürfen ab 2020 nur noch ausgebracht werden, wenn ihnen ein Ureaseinhibitor zugesetzt wurde oder wenn sie spätestens innerhalb von vier Stunden eingearbeitet werden.

Ammoniak ist Vorläuferstoff für gesundheitsschädigende sekundäre Feinstäube. Zum anderen wirkt Ammoniak schädigend in angrenzenden Ökosystemen. Moose und Flechten beispielsweise reagieren schon bei geringen atmosphärischen Konzentrationen von Ammoniak mit Veränderungen in ihrer Artenzusammensetzung. Die Ablagerung von Ammoniak in empfindlichen Ökosystemen kann zu Risiken für die Biodiversität führen.


Auswirkungen auf das Klima

Lachgas (N2O) ist ein hochwirksames Treibhausgas, dessen Klimawirksamkeit 265-mal so stark ist wie die von Kohlendioxid (CO2). Die Landwirtschaft ist für rund 80% der Lachgasemissionen in Deutschland verantwortlich. Die wesentliche Quelle der N2O-Emissionen sind die Emissionen aus landwirtschaftlich genutzten Böden. Die Höhe dieser Emissionen wird dabei maßgeblich durch das Stickstoffmanagement bestimmt: Die Ausbringung von organischen und mineralischen Düngemitteln sowie die Einarbeitung von Ernteresten. Die entscheidenden Faktoren sind dabei die Höhe des N-Eintrages und die Standortfaktoren wie Bodeneigenschaften und Witterung. Neben den direkten Lachgasemissionen aus der Stickstoffdüngung kommt es noch zu indirekten N2O-Emissionen, die durch den Austrag von Nitrat und Ammoniak in andere Ökosysteme verursacht werden.

      
Auswirkungen auf den Boden

Eine unsachgemäße, überhöhte Düngemittelgabe insbesondere von sauren Düngemitteln (wie zum Beispiel Ammoniumsulfat) kann zu einer beschleunigten Bodenversauerung beitragen. Das bei der Nitrifikation entstehende Nitrat (NO3-) ist besonders mobil. Wird es nicht von den Pflanzen aufgenommen, sondern in das Grundwasser ausgewaschen (Basenauswaschung), beschleunigt sich die Bodenversauerung. Damit verbunden sind gleichzeitig Veränderungen der Bodenstruktur und der Lebensbedingungen für Bodenmikroorganismen. In der Folge kann dies Einfluss auf die Bodenfruchtbarkeit und auf die Erträge und die Qualität der pflanzlichen Produkte haben. Mineraldünger, insbesondere Phosphatdünger, aber auch organische Reststoffdünger wie Klärschlämme enthalten darüber hinaus Schwermetalle (vor allem Uran und Cadmium).

 

Maßnahmen zur Begrenzung der Stickstoffeinträge

 

Um eine Verbesserung des Umweltzustands zu erreichen und den Eintrag reaktiver Stickstoffverbindungen zu reduzieren, wurden in der europäischen und nationalen Umweltpolitik Richtlinien und Strategien mit definierten Umweltqualitätszielen und Maßnahmen verabschiedet.

 

Zum Schutz des Grund- und Oberflächenwassers vor Nitrat-Verunreinigungen aus der Landwirtschaft wurde 1991 die EU-Nitrat-Richtlinie erlassen. Diese sieht die Überwachung des Grund- und Oberflächenwassers, die Ausweisung gefährdeter Gebiete und die Aufstellung von Regeln der guten fachlichen Praxis in der Landwirtschaft vor. Sie beschreibt Maßnahmen, die von den Mitgliedstaaten anhand von Strategien und Aktionsprogrammen umgesetzt werden müssen. Für die Beurteilung des Erfolgs der durchgeführten Maßnahmen zur Minderung von Stickstoff müssen die Mitgliedstaaten den Zustand ihrer Oberflächengewässer und Grundwasservorkommen alle vier Jahre bewerten und der EU-Kommission einen Nitratbericht vorlegen. Die Nitrat-Richtlinie wird in Deutschland mit der Düngeverordnung (DüV) in nationales Recht umgesetzt. Deutschland und einige andere Mitgliedstaaten wenden die Maßnahmen der Nitratrichtlinie in ihrem gesamten Hoheitsgebiet an und verzichten deswegen auf die Ausweisung gefährdeter Gebiete. Damit gelten die Regeln der guten fachlichen Praxis der Landwirtschaft, die in der Düngeverordnung festgeschrieben sind, für das gesamte Bundesgebiet und müssen von allen Landwirten eingehalten werden.

 

Der aktuelle Nitratbericht von 2016 zeigt, dass es in den vergangenen 10 Jahren praktisch zu keiner Veränderung der Grundwasserbelastung gekommen ist. So sind die Nitratgehalte im oberflächennahen Grundwasser weder im repräsentativen EUA-Grundwassermessnetz noch im sogenannten Belastungsmessnetz in den letzten beiden Berichtszeiträumen (2008-2011 und 2012-2014) erkennbar gesunken. Somit wird der von der Wasserrahmenrichtlinie geforderte "gute Zustand" des Grundwassers in Deutschland bisher nicht flächendeckend erreicht. Der Zustand ist also unbefriedigend und eine Besserung nicht in Sicht. Daraus ergibt sich nach der Nitratrichtlinie für die Bundesregierung die Pflicht, weitergehende wirksamere Maßnahmen zu ergreifen, um das angestrebte Ziel zu erreichen. Dieser Verpflichtung ist Deutschland nicht in ausreichendem Maße nachgekommen. Im Oktober 2013 hat die Europäische Kommission daher ein Mahnverfahren gegen Deutschland wegen unzureichender Umsetzung der EU-Nitratrichtlinie eingeleitet und im Oktober 2016 Klage beim Europäischen Gerichtshof (EU-GH) eingereicht. Die Bundesregierung hat wegen des Mahnverfahrens in einem langjährigen Prozess die Düngeverordnung umfassend überarbeitet und im Frühjahr 2017 verabschiedet. Ob hierdurch die Klage abgewehrt werden kann ist nach wie vor offen. Eine Antwort der Kommission auf die Klagebeantwortung der Bundesregierung vom Januar 2017 steht noch aus.

 

Das Umweltbundesamt hat 2009 eine „Integrierte Strategie zu Minderung von Stickstoffemissionen“ erarbeitet, die konkrete Maßnahmen für die emittierenden Sektoren aufzeigt. Die Fachbroschüre "Reaktiver Stickstoff in Deutschland - Ursachen, Wirkungen, Maßnahmen" von 2014 fasst die aktuellsten Erkenntnisse dazu zusammen und stellt sie auf eine neue Datenbasis. Der Landwirtschaft wird der größte Handlungsbedarf aber auch das größte Minderungspotenzial zugesprochen. Zudem können hier die größten Synergie-Effekte beim Erreichen von Zielen des Gewässer- und Klimaschutzes sowie der Luftreinhaltung, genutzt werden.