Stickstoff (ergänzt)

Ein Beitrag von Dr. Sonja Dreymann

Entwicklung der N-Düngung

Stickstoff zählt für Mensch, Tiere, Pflanze und Mikroorganismen zu den Schlüsselelementen. Bis Mitte des 19. Jahrhunderts waren die Nutzpflanzen fast ausschließlich auf die Stickstofffixierung durch die Rhizobien und die freilebenden Mikroorganismen angewiesen. Mit dem aufkommenden Welthandel ab 1840 wurde der Chile-Salpeter populär. Dabei handelt es sich um Vogelkot. Um den Chile-Salpeter wurde sogar ein Krieg angezettelt, durch den Bolivien den Zugang zum Pazifischen Ozean verlor.

Die beiden deutschen Chemiker Frank und Caro waren die ersten, die einen künstlichen Stickstoffdünger herstellten. Sie wandelten Kalziumcarbid und Luftstickstoff zu Kalkstickstoff um. Um 1900 gelang es zunächst den norwegischen Forschern Birkeland und Eyde und kurze Zeit später den deutschen Chemikern Haber und Bosch, Stickstoffdünger künstlich herzustellen. Beim Birkeland-Eyde-Verfahren wird der Stickstoff mit Hilfe eines Lichtbogens in drei Schritten zu Salpeter oxidiert; beim Haber-Bosch-Verfahren werden Wasserstoff und Stickstoff zu Ammoniak umgewandelt. Der Birkeland-Eyde-Prozess verbraucht 15 MWh je Tonne Salpetersäure; der Haber-Bosch-Prozess benötigt in etwa die gleiche Energiemenge für 1 Tonne Ammoniak. Ein neues in den USA entwickeltes Verfahren verspricht einen geringeren Energieverbrauch bei der Stickstoffherstellung. Dabei kommen molekulare Katalysatoren mit drei Eisen-Ionen zum Einsatz.

Fast zeitgleich haben die deutschen Forscher Hellriegel und Wilfahrt sowie der niederländische Mikrobiologe Beijerinck die biologische Stickstofffixierung entdeckt. Für die Reduzierung von 1 mol Stickstoff durch das Enzym Nitrogenase werden 16 mol ATP verbraucht; das sind umgerechnet 517 Kilojoule für 28 Gramm Luftstickstoff bzw. 500 Wh für 1 kg Luftstickstoff. Bei dem natürlichen Prozess werden aus einem Stickstoffmolekül und 8 Wasserstoffionen 2 Ammoniak-Moleküle und ein Wasserstoffmolekül erzeugt. Das heißt die natürliche Stickstofferzeugung durch Einzeller benötigt deutlich weniger Energie als die künstliche Umwandlung von Stickstoff in Ammoniak.

In den Reisfeldern wird erheblich mehr Stickstoff fixiert als die Nutzpflanzen benötigen, nämlich bis zu 600 kg N/ha. Verantwortlich dafür ist der Wasserfarn Azolla, der mit dem Cyano-Bakterium Anabaena azollae eine Symbiose eingeht. Die Stickstofffixierung durch Rotklee beträgt 34 bis 73 kg N/ha auf biologisch bewirtschafteten Wiesen; die Fixierung durch Weißklee liegt bei 9 bis 14 kg/ha. Die freilebenden Stickstofffixierer bringen es in Australien auf 20 kg N/ha. Azospirillum brasilense hat im Verbund mit Zuckerrohr jährlich mehr als 150 kg N/ha fixiert. Die Grüne Borstenhirse (Setaria virides) deckt 100 % ihres Stickstoffbedarfs durch dieses Bakterium. Außerdem werden einige Bakterien wachstumsfördernde Eigenschaften nachgesagt. Weitere und detaillierte Informationen im Kapitel Rhizobien – Stickstofffixierung.

Die Vorfruchtwirkung der heimischen Körnerleguminosen wird mit 40 – 95 kg N/ha angegeben. Andere Veröffentlichungen geben Werte von 65 – 150 kg N/ha für Körnerleguminosen bzw. 300 kg N/ha für Futterleguminosen (sprich Luzerne) an. Wegen der Anbaupausen reicht der biologisch fixierte Stickstoff nicht aus, um im Ertrag mit den konventionell wirtschaftenden Getreideerzeugern mitzuhalten. Weltweit wird ungefähr doppelt so viel Stickstoff biologisch fixiert wie industriell hergestellt (200 Millionen Tonnen verglichen mit ca. 100 Millionen Tonnen). Um höhere Erträge zu erzielen ist die Impfung des Saatguts mit freilebenden Bakterien wie Azospirillium, Azoarcus, Azotobacter usw. erforderlich. In Brasilien, Indien und Russland gibt es zahlreiche Hersteller, die entsprechende Präparate anbieten. Einen Überblick über die deutschen und einige europäische Anbieter finden Sie auf der Seite Bodeninformationsdienste unter der Rubrik Biostimulantien.

Da die Düngung mit kommerziellen Stickstoffdüngemitteln gesetzlich immer mehr eingeschränkt wird, gilt es hier, die Effizienz zu steigern. Eine gute Möglichkeit bietet die Cultan-Düngung (siehe weiter unten im Kapitel Stickstoffaufnahme). Versuche der Landwirtschaftskammer Hannover zeigen, dass vor allem bei der Ährengabe gespart werden kann (20 statt 80 kg N/ha) und dass bei gleichen Erträgen und Proteingehalten 20 % Einsparungen konsequent durchgesetzt werden können. Bei extremer Trockenheit hat die Cultan-Düngung klare Vorteile gezeigt.

Neue Düngeverordnung

Die Einschränkung der N-Düngung hat zwar noch nicht dänische Verhältnisse erreicht; die novellierte Düngeverordnung (Stand 24.9.2015) wartet aber mit deutlichen Hinweisen auf Verstößen auf. Nach Angaben von Dr. Gerhard Baumgärtel von der Landwirtschaftskammer Niedersachsen ist es das vorrangige Ziel, die Stickstoffeinträge ins Grund- und Oberflächenwasser stark zu verringern. Damit verbunden ist auch eine Effizienzsteigerung der N-Düngung. Die neue Düngeverordnung setzt auf einheitliche und verbindliche Stickstoffbedarfswerte für Acker, Grünland und Gemüse mit standortspezifischen Obergrenzen sowie auf ein verbindliches Zu- und Abschlagssystem mit Mindest- und Maximalwerten. Der ermittelte Düngebedarf darf grundsätzlich nicht überschritten werden! Wer das nicht dokumentieren kann oder will, muss in Zukunft mit Bußgeldern rechnen. Neu bei der N-Düngebedarfsermittlung sind bei den Sollwertkorrekturen der Wegfall der Bodenart und der Bestandsentwicklung. Ansonsten gilt die Formel:

Ertragsabhängiger N-Sollwert – Nmin-Vorrat im Frühjahr ± Sollwertkorrekturen = notwendige N-Düngung.

Die N-Bedarfswerte schwanken zwischen 130 kg N/ha für Hafer (55 dt/ha) bis 260 kg N/ha für E-Weizen (80 dt/ha). Bei höherem Ertragsniveau sind Zuschläge von insgesamt höchstens 40 kg N/ha zulässig; bei Humusgehalten von mehr als 4,5 % müssen Abschläge von mindestens 20 kg N/ha hingenommen werden. Abschläge kommen auch bei der Anwendung organischer und organisch-mineralischer Düngemittel, bei Vor- und Zwischenfrüchten zum Tragen. Eine N-Ausgleichsdüngung zur Förderung der Strohrotte ist nicht mehr erlaubt. Die betriebliche Obergrenze für alle Flächen ist auf einen Durchschnittswert von 170 kg N/ha festgelegt. Verschärfungen sind in allen Gebieten möglich, in denen der Nitratgehalt im Grundwasser einen Wert von 50 mg/ Liter überschreitet oder 40 mg/Liter mit steigender Tendenz erreicht.

Die Mindestwirksamkeit der verschiedenen organischen Dünger wird im Jahr des Ausbringens festgelegt auf 50 % für Rindergülle, 60 % für Schweinegülle, 60 % für Hühnertrockenkot, 50 % für flüssige Gärrückstände usw. Die Inhaltsstoffe der organischen Dünger müssen bekannt sein. Die ab 2018 geltende Obergrenze von 50 kg N/ha im dreijährigen Mittel ist nach Ansicht von Dr. Baumgärtel auf schlechteren Standorten und nach Vorfrüchten, die größere N-Mengen hinterlassen, kaum einzuhalten. Bei Überschreitung des zulässigen Wertes gilt eine Beratungspflicht, das heißt der Landwirt muss im Jahr der Feststellung an einer Beratungsveranstaltung teilnehmen. Bei wiederholten Überschreitungen drohen Ordnungsstrafen.

Die Sperrzeiten wurden erweitert; und es gelten Mindestabstände zu oberirdischen Gewässern. Für organische Düngemittel, organisch-mineralische Düngemittel, Wirtschaftsdünger sowie Harnstoff gilt auf unbestelltes Ackerland eine Einarbeitungspflicht innerhalb von vier Stunden, ab 2018 innerhalb einer Stunde. Ausgenommen sind Harnstoff mit Ureasehemmern, Festmist, Komposte sowie organische bzw. organisch-mineralische Düngemittel mit weniger als 2 % Trockenmasse. Ab 2020 gelten zusätzliche Regeln für die Ausbringung auf bestelltem Ackerland.

Funktionen des Stickstoffs in der Pflanze

Wer beim Stickstoff nur ans Eiweiß denkt, vergisst die vielen anderen lebenswichtigen Funktionen. Gesunde Pflanzen enthalten in Spross und Blättern 3 bis 4 % Stickstoff; das ist ein höherer Anteil als bei allen anderen Nährstoffen (bis auf Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff!). Stickstoff ist ein wesentlicher Bestandteil des Chlorophylls, des Energieträgers ATP und der Nukleinsäuren. Die dunkelgrüne Farbe des Chlorophylls stammt vom Stickstoff. Die vielfältigen Eiweißverbindungen haben die unterschiedlichsten Aufgaben. Sie dienen als Katalysatoren für andere Nährelemente und sie sind Bestandteile aller wichtigen Enzyme, z.B. bei der Zellteilung. Wie in der Rubrik „Bodeninformationsdienst“ beschrieben ist Stickstoffmonoxid eine zentrale Verbindung, die das Pflanzenwachstum und -entwicklung sowie die Immunabwehr reguliert. Nach neueren französischen Untersuchungen ist das Nitrat an der Signalgebung für das Wachstumshormon Auxin beteiligt. Danach wird bei niedrigen Nitratwerten im Boden das seitliche Wurzelwachstum unterdrückt.

Stickstoffaufnahme

Der meiste Stickstoff wird hauptsächlich als Nitrat aufgenommen und in den Wurzeln bzw. im Spross zunächst zu Nitrit reduziert. Anschließend folgt die weitere Reduktion zu Ammonium; dieser Schritt findet ebenfalls sowohl in den Wurzeln als auch im Chlorophyll statt. Durch Lichteinfluss wird dieser Vorgang beschleunigt. Da die Vakuolen in den Blättern relativ hohe Nitrat-Konzentrationen tolerieren, wird dem Nitrat auch eine osmotische Funktion zugesprochen. Die Ammoniumaufnahme spielt eine untergeordnete Rolle. Nitrat ist im Boden mobiler als Ammonium; außerdem ist die Nitratkonzentration in der Bodenlösung deutlich höher als die Ammonium-Konzentration (1000 -5000 µmol ggü. 20-200 µmol). Die Nitrataufnahme ist keinesfalls passiv, wie früher angenommen wurde. Das negativ geladene Nitrat muss die ebenfalls negativ geladene Plasmamembran überwinden und einen hohen Konzentrationsgradienten überwinden. Um in die Pflanze zu kommen, nutzt das Nitrat zwei Transportsysteme, die natürlich Energie benötigen. Bei sehr hohen Nitratkonzentrationen kann es auch vorkommen, dass Nitrat wieder über die Wurzeln ausgeschieden werden. Ammonium wird ebenfalls durch eine Reihe eigener Transportsysteme aufgenommen. Es kann aber auch über die Transportsysteme für Kalium aufgenommen werden, da beide Ionen einander sehr ähnlich sind. Ammonium-empfindliche Pflanzen, wie die Gerste, sind in der Lage, überschüssiges Ammonium wieder an die Bodenlösung abzugeben.

Fakt ist, dass das meiste Ammonium im Boden durch Nitrifikation zu Nitrat ungewandelt wird. Präzise ausgedrückt wird das Ammonium in zwei Schritten durch Bakterien der Gattung Nitrosomonas sowie Nitrobacter oxidiert. Bei hohen Temperaturen (20° c) geht das sehr schnell; bei niedrigen Temperaturen (5° C) kann das sechs Wochen dauern. Bei niedrigen Bodentemperaturen ist die Ammonium-Aufnahme höher als die Nitrataufnahme. Selbst bei Bodentemperaturen unter 5° C wird noch Ammonium aufgenommen, nicht aber Nitrat! Der ganze Prozess ist insofern erstaunlich, als das Ammonium in der Bodenlösung zunächst zu Nitrat oxidiert wird, das Nitrat anschließend in der Zellflüssigkeit durch die Enzyme Nitratreductase und Nitritreductase in zwei Schritten wieder zu Ammonium reduziert wird. Anschließend erfolgt die Assimilation des Ammoniums durch das Enzym Glutaminsynthetase. Ein offensichtlich umständlicher Weg, der zudem Energie kostet. Als Grund können die hohen Stickstoffmengen, die die Pflanzen benötigen, angesehen werden.

30 % des Stickstoffs kommen aus dem Unterboden. Die Nitrataufnahme durch  Massenfluss (sprich über die Transpiration) ist bei Zuckerrüben nur auf die ersten Wochen nach dem Auflaufen und auch nur auf die Krume beschränkt.  32 kg N/ha werden durch Massenfluss zugeführt und 181 kg N/ha durch Diffusion in der Bodenlösung.

Bestätigung der Cultan-Düngung

Die ausschließliche Ammoniumernährung verursacht Probleme, denn Ammonium gilt als phytotoxisch, das heißt als giftig für die Pflanzen. Darauf hat Professor Sommer in seinem Buch über die Cultan-Düngung aufmerksam gemacht. Auch die wissenschaftliche Fachliteratur bestätigt das. Danach tritt Ammonium in Konkurrenz zur Kaliumaufnahme, aber auch zur Kalzium- und Magnesiumaufnahme. Eine 2015 erschienene Untersuchung an Paprika spricht von Wachstumshemmungen, unausgewogener Nährstoffversorgung, beschädigten Plasmamembranen, gesteigerter Aktivität von antioxidativen Enzymen sowie verringerter Wasserleitfähigkeit. Die Versuche wurden mit NH4+-Dosierungen von 25 % bzw. 50 % (des gesamten N-Bedarfs) durchgeführt. Statt eines natürlichen Bodens wurde ein künstliches Substrat gewählt, das heißt die mikrobiologischen Einflüsse wurden außer Acht gelassen. Immerhin gibt es mehrere positive Aspekte: Durch Zugabe von Kalzium wurde die Toxizität teilweise aufgehoben. Weder die Photosyntheserate noch die Transpiration waren durch die hohen Ammonium-Gaben beeinträchtigt. Die Phosphor-Gehalte in den Blättern waren deutlich erhöht. Die negativen Auswirkungen auf Spross und Blätter waren bei 50 % deutlich geringer als bei 25 %. Die 50-%-Variante brachte ein besseres Wurzelwachstum hervor als die Kontrolle und als die 25-%-Variante. Der Grund dafür ist in dem geringeren Energiebedarf zu suchen.

Durch diese neue Untersuchung ist die Logik der Cultan-Düngung klar zu erkennen. Das durch die Injektion gebildete Ammonium-Depot wirkt toxisch; aber die Wurzeln bilden ein dichtes Geflecht rund um diese toxische Zone. Wenn in dem Ammonium-freien Bereich eine optimale Versorgung mit Kalzium, Magnesium, Kalium und Phosphor besteht, dann brauchen die Pflanzen keine Nährstoffkonkurrenz zu bewältigen und benötigen keine Energie für die Oxidation des Ammoniums zu Nitrat und die anschließende Reduktion zu Ammonium verschwenden. Die Wurzeln entnehmen das Ammonium allmählich aus den Depots bis diese leer sind.

Die jüngsten Ergebnisse aus Bayern sprechen formal eine andere Sprache, spiegeln aber das Dilemma wider, dass hier verschiedene Systeme miteinander verglichen werden und nicht nur verschiedene Düngevarianten. Beim Cultan-Verfahren bildet sich der Ertrag über die Kornzahl je Ähre; deshalb kann bei 15 bis 25 % des Saatguts gespart werden.

Andere Formen der N-Aufnahme

Aus dem Boden können aber auch Harnstoff und Aminosäuren aufgenommen werden. Die Konzentration an freien Aminosäuren in der Bodenlösung variiert zwischen 1 und 100 µmol. Die Aufnahme der Aminosäuren durch die Pflanzenwurzeln steht im Wettbewerb mit den Mikroorganismen. Fakt ist, dass in den Wurzeln drei Transportsysteme für die Aufnahme von Aminosäuren vorhanden sind.

Harnstoff ist eine schnell verfügbare Stickstoffform für Bakterien, Pilze, aber auch Pflanzen. Mit Hilfe des Enzyms Urease wir der Harnstoff zunächst zu Ammoniak umgewandelt; anschließend folgt die hydrolytische Spaltung zu Ammonium. Der anorganische Stickstoff wird zunächst zu Glutamat, Glutamin und Asparagin umgewandelt. Das Asparagin ist die erste von Wissenschaftlern entdeckte Aminosäure; sie wurde 1805 aus Spargel gewonnen. Das Asparagin nimmt eine Schlüsselfunktion beim Transport von Stickstoffverbindungen in der Pflanze ein. Harnstoff kann aber auch direkt über die Wurzel aufgenommen werden. Ein Harnstoff-Transportsystem ist bereits nachgewiesen. Der passive Transport wird durch Proteine aus der Gruppe der Aquaporine ermöglicht.

Bei der Stickstofffixierung über Rhizobien und frei lebende Bakterien wird der Luftstickstoff N2 direkt zu Ammonium umgewandelt. Das macht insgesamt 65 % des für weltweit alle Pflanzen verfügbaren Stickstoffs aus.

Während des Wachstums wird der im Eiweiß gebundene Stickstoff immer wieder umgewandelt und zu unterschiedlichen Organen transportiert. Dabei entsteht unter anderem auch Ammoniak, das mit Hilfe des Enzyms Glutamin-Synthetase wieder reassimiliert wird.

Nicht nur die Wurzeln, die Mykorrhiza ist ebenfalls in der Lage Stickstoff zu assimilieren. Die Mykorrhiza vermag auch Nitrat in die Wurzeln der mit ihr verbundenen Pflanzen zu transportieren. Mykorrhizierte Pflanzen können Trockenstress wesentlich besser überstehen als nicht mykorrhizierte Pflanzen, was sich bei der Stickstoffassimilierung bemerkbar macht.

Die Wirkung des Stickstoffs ist von fast allen anderen Nährelementen abhängig, allen voran Phosphor, Schwefel und Magnesium. Das optimale N:P-Verhältnis liegt für viele Kulturpflanzen bei ca. 12 : 1.

Es besteht eine negative Korrelation zwischen der Kornzahl je Ähre und dem Proteingehalt. Bei den neuen Stay-Green-Sorten des Maises geht die höhere Körnerproduktion zu Lasten des Eiweißgehaltes.

Der Platz ist zu knapp, um an dieser Stelle auch noch die Funktionen des Stickstoffs für Mensch und Tier zu beschreiben.

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C:N-Verhältnis

Biogasgülle                              5:1 Schweinegülle                         5:1 Bodenmikroorganismen      8:1 Hühnertrockenkot                8:1 Zottelwicke                            11:1 Weizenblätter                       13:1 Maiswurzeln                         14:1 Leguminosenheu                 17:1…

Dr. Sonja Dreymann

Ich habe das Unternehmen Dreymann-Agrar 2015 gegründet mit dem Ziel, für die Landwirtschaft eine unabhängige Fachberatung zum Boden anzubieten. Mit den Bodenkursen unterstütze ich Landwirte und die weiteren landwirtschaftlichen Akteure (Beratungsvereine, Verbände etc.) im Norddeutschen Raum, sich mit einem neuen Blickwinkel der Bodenbewirtschaftung zu widmen und neue Methoden und Lösungsansätze anzuwenden.