
Stickstoff im Boden
Stickstoff ist ein essenzieller Nährstoff für das Pflanzenwachstum und ein zentraler Bestandteil des Bodenökosystems. Er gelangt durch natürliche Prozesse wie die biologische Stickstofffixierung sowie durch menschliche Einflüsse, insbesondere die Landwirtschaft, in den Boden. Während Stickstoffverbindungen für die Pflanzenproduktion unverzichtbar sind, führt eine Überversorgung, insbesondere mit Nitrat, zu erheblichen Umweltproblemen. Diese reichen von der Verschmutzung des Grundwassers bis hin zur Versauerung des Bodens.
Der Stickstoffkreislauf im Boden
Der Stickstoffkreislauf ist ein komplexes System biologischer, chemischer und physikalischer Prozesse, die den Stickstoff zwischen Atmosphäre, Boden und Organismen transportieren. Die Atmosphäre enthält mit 79,1 % Stickstoff die größte Stickstoffquelle (Gisi et al., 1997, S. 194). Pflanzen können elementaren Stickstoff jedoch nicht direkt nutzen, weshalb er in bioverfügbare Formen umgewandelt werden muss.
Ein Großteil des Stickstoffs im Boden liegt organisch gebunden vor, vor allem in Humus und abgestorbenem Pflanzenmaterial. Durch die Mineralisierung wird dieser organische Stickstoff durch Mikroorganismen abgebaut und freigesetzt. Dabei werden komplexe organische Moleküle zunächst proteolytisch gespalten, anschließend durch Mikroorganismen weiter in Ammonium (NH₄⁺) umgewandelt (Gisi et al., 1997, S. 196). Je nach Bodenbedingungen und mikrobieller Aktivität kann dieser Prozess Jahre oder Jahrzehnte dauern (Sutor, 2000, S. 100).
In einem nächsten Schritt erfolgt die Nitrifikation, ein aerober Prozess, bei dem Ammonium durch autotrophe Bakterien in Nitrat (NO₃⁻) umgewandelt wird. Dieser Prozess läuft in zwei Stufen ab:
- Oxidation von Ammonium zu Nitrit durch Nitrosomonas:2 NH₄⁺ + 3 O₂ → 2 NO₂⁻ + 4 H⁺ + 2 H₂O + 272 kJ
- Oxidation von Nitrit zu Nitrat durch Nitrobacter:2 NO₂⁻ + O₂ → 2 NO₃⁻ + 75 kJ
(Sutor, 2000, S. 100; Hugenroth, 1981, S. 7; Guderian & Gunkel, 2000, S. 21)
Diese Reaktionen setzen Energie frei, tragen jedoch auch zur Versauerung des Bodens bei, da Wasserstoffionen (H⁺) gebildet werden.
Nitrat als Umweltproblem
Da Nitrat negativ geladen ist, kann es nicht an Bodenpartikel gebunden werden und wird daher leicht mit dem Sickerwasser ins Grundwasser ausgewaschen (Gisi et al., 1997, S. 196). In Deutschland gelangen jährlich durchschnittlich 96 kg Nitrat pro Hektar aus landwirtschaftlich genutzten Flächen ins Grundwasser, in Regionen mit intensiver Tierhaltung wie dem Emsland oder dem südoldenburgischen Münsterland sind es sogar über 200 kg (Wendland et al., 1998, S. 170).
Die Auswirkungen einer hohen Nitratkonzentration im Grundwasser sind vielfältig:
- Trinkwasserbelastung: Überschreitungen der Grenzwerte (50 mg/l nach Trinkwasserverordnung) sind keine Seltenheit.
- Eutrophierung: Überschüssiges Nitrat gelangt in Gewässer, fördert das Algenwachstum und führt zu Sauerstoffmangel.
- Gesundheitsrisiken: Nitrat kann im Körper zu Nitrit reduziert werden, das mit Hämoglobin reagiert und den Sauerstofftransport im Blut beeinträchtigen kann.
Denitrifikation – der natürliche Stickstoffabbau
Unter anaeroben Bedingungen und bei niedrigem pH-Wert wird Nitrat durch Mikroorganismen wieder in gasförmige Stickstoffverbindungen umgewandelt – ein Prozess, der als Denitrifikation bezeichnet wird. Die Reaktion verläuft in mehreren Stufen:
C₆H₁₂O₆ + 12 NO₃⁻ → 12 NO₂⁻ + 6 CO₂ + H₂O + 3990 kJ
C₆H₁₂O₆ + 8 NO₂⁻ → 4 N₂ + 2 CO₂ + 4 CO₃²⁻ + 6 H₂O + 6240 kJ
(Guderian & Gunkel, 2000, S. 19)
Hierbei wird Stickstoff in molekularer Form (N₂) freigesetzt und gelangt zurück in die Atmosphäre. In tiefen Bodenschichten kann dieser Prozess durch mikrobielle Aktivität weitergeführt werden (Sutor, 2000, S. 101).
Biologische Stickstofffixierung und anthropogene Einflüsse
Trotz der natürlichen Stickstoffkreisläufe beeinflusst der Mensch die Stickstoffbilanz erheblich. Neben Düngemitteln spielen industrielle Emissionen und Tierhaltung eine große Rolle. Durch trockene und nasse Deposition gelangen jährlich ca. 25 kg Stickstoff pro Hektar in Böden, was insbesondere nährstoffarme Ökosysteme wie Hochmoore gefährdet (Guderian & Gunkel, 2001, S. 10).
Gleichzeitig erfolgt eine natürliche Stickstofffixierung durch Mikroorganismen wie Azotobacter oder Beijerinckia, die atmosphärischen Stickstoff binden können. Jährlich werden so global etwa 200–250 Millionen Tonnen Stickstoff biologisch fixiert, zusätzlich zur industriellen Düngemittelproduktion von etwa 40–50 Millionen Tonnen (Gisi et al., 1997, S. 195).
Möglichkeiten zur Reduzierung der Stickstoffbelastung
Um die Nitratproblematik zu entschärfen, sind verschiedene Maßnahmen erforderlich:
- Angepasste Düngung: Eine bedarfsgerechte Stickstoffzufuhr kann die Auswaschung minimieren.
- Ökologische Landwirtschaft: Fruchtfolgen, Zwischenfrüchte und Grünstreifen reduzieren den Stickstoffüberschuss.
- Renaturierung von Feuchtgebieten: Diese fungieren als natürliche Filter für überschüssige Nährstoffe.
- Technische Lösungen: Wasseraufbereitung und NOₓ-Filter können die Stickstoffemissionen verringern.
Fazit
Stickstoff ist ein unverzichtbares Element für das Pflanzenwachstum, doch ein Übermaß führt zu erheblichen Umweltproblemen. Insbesondere Nitrat belastet Böden und Gewässer, da es leicht ausgewaschen wird und die Trinkwasserqualität gefährdet. Natürliche Prozesse wie die Denitrifikation und biologische Stickstofffixierung können Stickstoff wieder abbauen, reichen jedoch oft nicht aus, um die anthropogenen Einträge auszugleichen. Eine nachhaltige Bewirtschaftung landwirtschaftlicher Flächen und gezielte Maßnahmen zur Reduzierung der Stickstoffemissionen sind daher essenziell, um Böden und Grundwasser langfristig zu schützen.
Quellen
- Aulakh, M. A., Khera, T. A. & Doran, J. W. (2000): Mineralization and denitrification in upland, nearly saturated and flooded subtropical soil – Effect of nitrate and ammoniacal nitrogen. Biology and Fertility of Soils, 31(2), S. 162–167.
- Bach, M., Huber, A. & Frede, H.-G. (2000): Schätzung der Einträge von Pflanzenschutzmitteln aus der Landwirtschaft in die Oberflächengewässer Deutschlands. Berliner Umweltberichte, 5(97).
- Bremner, J. M. (1997): Sources of nitrous oxide in soils in Nutrient Cycling. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 49(1), S. 7–16.
- Gisi, U., Schenker, R. & Sticher, H. (1997): Bodenökologie. 2. Auflage, Stuttgart: Thieme Verlag.
- Guderian, R. & Gunkel, G. (2000): Aquatische Systeme: Grundlagen, physikalische Belastungsfaktoren, anorganische Stoffeinträge. Heidelberg: Springer Verlag.
- Guderian, R. & Gunkel, G. (2001): Terrestrische Ökosysteme: Immissionsökologische Grundlagen, Wirkung auf Boden, Wirkung auf Pflanzen. Heidelberg: Springer Verlag.
- Hugenroth, P. (1981): The Behaviour of Nitrogen Fertilizers in Neutral and Acid Loess Soils. Göttinger Bodenkundliche Berichte, 69, S. 7–21.
- Klöpffer, W. (1996): Verhalten und Abbau von Umweltchemikalien – Physikalisch-chemische Grundlagen. Landsberg: ecomed Verlagsgesellschaft.
- Sutor, G. (2000): Standortdifferenzierte Quantifizierung des zulässigen auswaschungsgefährdeten Stickstoffs zur Einhaltung einer bestimmten Nitratkonzentration im Sickerwasser. Dissertation, RWTH Aachen.
- Wendland, F., Bach, M. & Kunkel, R. (1998): The influence of nitrate reduction strategies on the temporal development of the nitrate pollution of soil and groundwater throughout Germany – a regionally differentiated case study. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 50(2), S. 167–179.

