Dünger

Düngemittel sind alle Stoffe natürlichen oder synthetischen Ursprungs, die dem Boden oder Pflanzengewebe zugeführt werden , um Pflanzen mit Nährstoffen zu versorgen . Düngemittel unterscheiden sich von Kalk oder anderen nährstoffarmen Bodenverbesserungsmitteln . Es gibt zahlreiche Düngemittelquellen, sowohl natürliche als auch industriell hergestellte. ^{[ 1 ]} In der modernen Landwirtschaft konzentriert sich die Düngung meist auf die drei Hauptnährstoffe Stickstoff ( N ), Phosphor (P) und Kalium (K), gelegentlich ergänzt durch Mikronährstoffe wie Steinmehl . Landwirte bringen diese Düngemittel auf verschiedene Weise aus: trocken, pelletiert oder flüssig, mit großen Landmaschinen oder manuell .

Historisch gesehen stammte die Düngung aus natürlichen oder organischen Quellen: Kompost , Tiermist , menschliche Exkremente , geerntete Mineralien , Fruchtfolgen und Nebenprodukte der Mensch-Natur-Industrie (z. B. Fischverarbeitungsabfälle oder Blutmehl aus der Tierschlachtung ). ^{[ 2 ]} Ab dem 19. Jahrhundert, nach Innovationen in der Pflanzenernährung infolge der Entdeckungen von Justus von Liebig , entwickelte sich jedoch eine Agrarindustrie , die auf synthetisch hergestellten Agrochemikaliendüngern basierte . ^{[ 3 ]} Dieser Wandel trug maßgeblich zur Transformation des globalen Ernährungssystems hin zu einer großflächigen industriellen Landwirtschaft mit hohen Ernteerträgen in Monokulturen bei . ^{[ 4 ]}

Die Erfindung des Haber-Bosch-Verfahrens zur Ammoniakgewinnung im 20. Jahrhundert, kombiniert mit der während des Zweiten Weltkriegs gesteigerten chemischen Produktionskapazität, führte zu einem Boom im Einsatz von Stickstoffdüngern . ^{[ 5 ]} In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts war der verstärkte Einsatz von Stickstoffdüngern (Anstieg um 800 % zwischen 1961 und 2019) ein entscheidender Faktor für die gesteigerte Produktivität konventioneller Lebensmittelsysteme im Rahmen der sogenannten „ Grünen Revolution “. ^{[ 6 ]}

Düngemittel, insbesondere bei übermäßiger Anwendung, können Umweltfolgen wie Wasserverschmutzung ^{[ 7 ]} und Eutrophierung ^{[ 8 ]} durch Nährstoffauswaschung [ ^{9 ] nach} sich ziehen . Darüber hinaus entstehen bei der chemischen Herstellung von Düngemitteln Nebenprodukte, darunter Kohlenstoff und andere Emissionen [10]. In einigen Fällen kommt es durch die Anreicherung von Schwermetallen in bestimmten ^, aus dem Bergbau gewonnenen Düngemitteln zu Bodenkontaminationen und -verschmutzungen ^{[ 11 ]} . Nachhaltige landwirtschaftliche Praktiken wie reduzierte Bodenbearbeitung und das Anlegen ^von Pufferstreifen können diese negativen Umweltauswirkungen minimieren ^{[ 12 ] .}

Die Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit beschäftigt Landwirte seit den Anfängen des Ackerbaus. Kulturen des Nahen Ostens [ ^{16 ]} , Chinas ^{[ 17 ]} , Mesoamerikas ^{[ 18 ]} und der Zentralanden ^{[ 19 ] gehörten zu den} Pionieren des Ackerbaus. Dies trug vermutlich zu einem schnelleren Bevölkerungswachstum bei, wodurch sich ihre Kultur an benachbarte Jäger- und Sammlergruppen verbreiten konnte. ^{[ 20 ]} Der Einsatz von Düngemitteln in Verbindung mit Ackerbau verschaffte einigen dieser frühen Gesellschaften einen entscheidenden Vorteil gegenüber ihren Nachbarn und führte dazu, dass sie in ihren jeweiligen Regionen zu dominanten Kulturen wurden. ^{[ 21 ] [ 22 ]} Ägypter , Römer , Babylonier und die frühen Germanen nutzten nachweislich Mineralien oder Dung, um die Produktivität ihrer Felder zu steigern. ^{[ 1 ]} Die wissenschaftliche Erforschung der Pflanzenernährung begann lange vor den Arbeiten des deutschen Chemikers Justus von Liebig, obwohl sein Name meist als „Vater der Düngemittelindustrie“ genannt wird. ^{[ 23 ]} Nicolas Théodore de Saussure und seine wissenschaftlichen Kollegen widerlegten die Vereinfachungen von Liebigs rasch. ^{[ 24 ]} Zu den prominenten Wissenschaftlern, auf die sich von Liebig bezog, gehörten Carl Ludwig Sprenger und Hermann Hellriegel . ^{[ 25 ]} Auf diesem Gebiet kam es zu einem Wissensverlust, ^{[ 26 ]} der teilweise durch die Vermischung von Wirtschaft und Forschung bedingt war. ^{[ 27 ]} Der englische Unternehmer John Bennet Lawes begann 1837 mit Experimenten zu den Auswirkungen verschiedener Düngemittel auf Topfpflanzen. Ein oder zwei Jahre später wurden die Versuche auf Feldfrüchte ausgeweitet. Eine unmittelbare Folge war, dass er 1842 ein Düngemittel patentieren ließ, das durch die Behandlung von Phosphaten mit Schwefelsäure hergestellt wurde . Damit begründete er die Kunstdüngerindustrie. Im darauffolgenden Jahr holte er Joseph Henry Gilbert ins Boot; gemeinsam führten sie am Institut für Ackerbauforschung Feldversuche durch.. ^{[ 28 ]}

Das Birkeland-Eyde-Verfahren war eines der konkurrierenden industriellen Verfahren zu Beginn der Stickstoffdüngerproduktion. ^{[ 29 ]} Mit diesem Verfahren wurde atmosphärischer Stickstoff (N₂ ₎ in Salpetersäure (HNO₃ ₎ umgewandelt – einer von mehreren chemischen Prozessen, die als Stickstofffixierung bezeichnet werden . Die so gewonnene Salpetersäure diente anschließend als Nitratquelle ( NO₃⁻ _{) . In} Rjukan und Notodden (Norwegen) wurden Fabriken errichtet, die auf diesem Verfahren basierten, ^und große Wasserkraftwerke gebaut. ^{[ 30 ]}

In den 1910er und 1920er Jahren erlebten das Haber-Bosch-Verfahren und das Ostwald-Verfahren ihren Aufstieg . Im Haber-Bosch-Verfahren wird Ammoniak (NH₃ ₎ aus Methan (CH₄ ₎ ( Erdgas ) und molekularem Stickstoff (N₂ ₎ aus der Luft gewonnen. Das im Haber-Bosch-Verfahren gewonnene Ammoniak wird anschließend im Ostwald-Verfahren teilweise in Salpetersäure (HNO₃ ₎ umgewandelt . ^{[ 31 ]} Schätzungsweise ein Drittel der weltweiten Nahrungsmittelproduktion wird jährlich mit Ammoniak aus dem Haber-Bosch-Verfahren gedeckt , wodurch fast die Hälfte der Weltbevölkerung ernährt wird. ^{[ 32 ] [ 33 ]} Nach dem Zweiten Weltkrieg wurden die für die Bombenproduktion hochgefahrenen Stickstoffproduktionsanlagen auf die Landwirtschaft umgestellt. ^{[ 34 ]} Der Einsatz synthetischer Stickstoffdünger hat in den letzten 50 Jahren des 20. Jahrhunderts stetig zugenommen und sich bis 2003 auf fast 100 Millionen Tonnen Stickstoff pro Jahr erhöht. ^{[ 35 ]}

Die Entwicklung synthetischer Stickstoffdünger hat das globale Bevölkerungswachstum maßgeblich unterstützt . Schätzungen zufolge wird derzeit fast die Hälfte der Weltbevölkerung durch den Einsatz synthetischer Stickstoffdünger ernährt. ^{[ 36 ]} Auch der Einsatz von Phosphatdüngern stieg von 9 Millionen Tonnen pro Jahr im Jahr 1960 auf 40 Millionen Tonnen pro Jahr im Jahr 2000, doch die zukünftige Verfügbarkeit von Phosphordünger ist mittlerweile ein kritisches Thema. ^{[ 37 ]}

Der Einsatz anorganischer Düngemittel in der Landwirtschaft betrug 2021 195 Millionen Tonnen Nährstoffe, davon 56 % Stickstoff. ^{[ 38 ]} Asien trug 2021 mit 53 % zum weltweiten Verbrauch anorganischer Düngemittel bei, gefolgt von Amerika (29 %), Europa (12 %), Afrika (4 %) und Ozeanien (2 %). Diese Rangfolge gilt für alle Nährstoffe. Die Hauptverbraucher anorganischer Düngemittel sind in absteigender Reihenfolge China, Indien, Brasilien und die Vereinigten Staaten von Amerika (siehe Tabelle 15), wobei China der größte Verbraucher aller Nährstoffe ist. ^{[ 38 ]} Der Einsatz anorganischer Düngemittel in der Landwirtschaft betrug 2023 190 Millionen Tonnen Nährstoffe, davon 112 Millionen Tonnen (58 %) Stickstoff. ^{[ 39 ]}

Für einen Maisertrag von 6–9 Tonnen pro Hektar (2,5 Acres) werden 31–50 Kilogramm (68–110 Pfund) Phosphatdünger benötigt ; Sojabohnen benötigen etwa die Hälfte, 20–25 Kilogramm pro Hektar. ^{[ 40 ]} Yara International ist der weltweit größte Hersteller von stickstoffbasierten Düngemitteln. ^{[ 41 ]}

Düngemittel fördern das Pflanzenwachstum. Dies wird auf zwei Arten erreicht: Zum einen durch die traditionelle Zugabe von Nährstoffen . Zum anderen verbessern einige Düngemittel die Bodenfruchtbarkeit, indem sie die Wasserspeicherfähigkeit und Belüftung des Bodens optimieren. ^{[ 42 ]} Dieser Artikel, wie viele andere zum Thema Düngung, legt den Schwerpunkt auf den Nährstoffaspekt.

Düngemittel liefern typischerweise in unterschiedlichen Anteilen : ^{[ 43 ]}

• Drei Hauptmakronährstoffe (NPK) :
  • Stickstoff (N): Blattwachstum und Stängel; ^{[ 44 ]}
  • Phosphor (P): Entwicklung von Wurzeln, Blüten, Samen und Früchten; ^{[ 45 ]}
  • Kalium (K): starkes Stammwachstum, Wassertransport in Pflanzen, Förderung der Blüten- und Fruchtbildung ; ^{[ 46 ]}
• Mikronährstoffe: Kupfer (Cu), Eisen (Fe), Mangan (Mn), Molybdän (Mo), Zink (Zn) und Bor (B). ^{[ 47 ]} Von gelegentlicher Bedeutung sind Silicium (Si), Kobalt (Co) und Vanadium (V). ^{[ 48 ]}

Obwohl die Kalziumaufnahme durch Pflanzenwurzeln lange Zeit als Luxusgut galt ^{[ 49 ]} , wird sie heute aufgrund ihrer vielfältigen Funktionen für den Erhalt der Integrität von Pflanzenzellwänden und Zellmembranen als essentielles Element betrachtet ^{[ 50 ]} . Die Kalkung hat zudem einen entscheidenden und positiven Einfluss auf die Ernteerträge , indem sie der Bodenversauerung ^{[ 51 ]} , einer Nebenwirkung des Pflanzenwachstums ^{[ 52 ]} und des Nährstoffexports durch die Pflanzen ^{[ 53 ]} , entgegenwirkt, die Bodenstruktur und damit die Bodenbelüftung verbessert ^{[ 54 ]} und die biologische Aktivität des Bodens und damit die Bodenfruchtbarkeit , insbesondere durch verstärkte Nitrifikation , erhöht ^{[ 55 ]} .

Die für ein gesundes Pflanzenwachstum notwendigen Nährstoffe werden nach Elementen klassifiziert , die Elemente selbst werden jedoch nicht als Düngemittel verwendet. Stattdessen bilden Verbindungen , die diese Elemente enthalten, die Grundlage von Düngemitteln. Makronährstoffe sind im Pflanzengewebe in Mengen von 0,15 % bis 6,0 % der Trockenmasse (TM) (0 % Feuchtigkeit) vorhanden, werden aber mitunter in größeren Mengen verbraucht als benötigt (Luxuskonsum), insbesondere bei einer Überdüngung . ^{[ 56 ]} Pflanzen bestehen aus vier Hauptelementen: Wasserstoff , Sauerstoff , Kohlenstoff und Stickstoff . Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff sind in Kohlendioxid bzw. Wasser weit verbreitet. Obwohl Stickstoff den größten Teil der Atmosphäre ausmacht , liegt er in einer für Pflanzen nicht verfügbaren Form vor. Stickstoff ist der wichtigste Dünger, da er in Proteinen ( Amidbindungen zwischen Aminosäuren ), DNA ( purische und Pyrimidinbasen ) und anderen Bestandteilen (z . B. Tetrapyrrolhäm im Chlorophyll ) vorkommt . Es gilt als allgemein anerkannt, dass Stickstoff im Ausgangsgestein fehlt und daher nicht durch Mineralverwitterung gewonnen werden kann , obwohl neuere Studien auf die gleichwertige Bedeutung von Atmosphäre und Grundgestein als Stickstoffquellen hinweisen. ^{[ 57 ]} Pflanzen erhalten Stickstoff durch die Verwitterung stickstoffhaltiger Ausgangsgesteine ^{​​[ 58 ]} und durch Stickstofffixierung . Nur einige freilebende (z. B. Clostridium ) und symbiotische Bakterien, die in den Wurzelsystemen von Wirtspflanzen (insbesondere Leguminosen ) leben, können atmosphärischen Stickstoff ( N₂ ) fixieren ^, indem sie ihn in Ammoniak ( NH₃ ) und Aminosäuren umwandeln , die dann für Pflanzen verfügbar sind. ^[ ₅₉ ^{] [ 60 ]} Phosphat ( PO₄³⁻ ₎3−4) wird für die Produktion von DNA ( genetischem Code ) und ATP , dem wichtigsten Energieträger in Zellen , sowie bestimmter Lipide ( Phospholipide , den Hauptbestandteilen der lipidischen Doppelschicht der Zellmembranen ) benötigt . ^{[ 61 ]}

Zwei Gruppen enzymatischer Reaktionen sind für die Effizienz stickstoffbasierter Düngemittel von großer Bedeutung.

Urease

Die erste Reaktion ist die Hydrolyse (Reaktion mit Wasser) von Harnstoff ( CO(NH₂ ₎ ₂ ₎ . Viele Bodenbakterien besitzen das Enzym Urease , welches die Umwandlung von Harnstoff in Ammoniumionen ( NH₄⁺) katalysiert .+4) und Bicarbonat- Ionen ( HCO−3). ^{[ 62 ]}

Ammoniakoxidation

Ammoniakoxidierende Bakterien (AOB), wie beispielsweise Arten der Gattung _Nitrosomonas , oxidieren Ammoniak ( NH₃ ) zu Nitrit ( NO₂).−2), ein Prozess, der als Nitrifikation bezeichnet wird . ^{[ 63 ]} Nitritoxidierende Bakterien , insbesondere Nitrobacter , oxidieren Nitrit ( NO₂).−2) zu Nitrat ( NO−3), das extrem löslich und mobil ist und leicht ins Grundwasser , dann in Flüsse und schließlich ins Meer gelangt , und eine Hauptursache für Eutrophierung ^{[ 64 ]} und Algenblüten in Flüssen, Seen und an Meeresküsten darstellt. ^{[ 65 ]}

Düngemittel werden auf verschiedene Weise klassifiziert. Eine Einteilung erfolgt danach, ob sie nur einen Nährstoff (z. B. Kalium, Phosphor oder Stickstoff) liefern; in diesem Fall spricht man von Einzeldüngern . Mehrnährstoffdünger (oder Komplexdünger ) liefern zwei oder mehr Nährstoffe, beispielsweise Stickstoff und Phosphor. Düngemittel werden außerdem in anorganische (Thema des Großteils dieses Artikels) und organische Düngemittel unterteilt. Anorganische Düngemittel enthalten keine kohlenstoffhaltigen Stoffe außer Harnstoff . Organische Düngemittel bestehen üblicherweise aus (recycelten) pflanzlichen oder tierischen Materialien (z. B. Kompost bzw. Mist ). Anorganische Düngemittel werden aufgrund der für ihre Herstellung erforderlichen chemischen Behandlungen auch als synthetische Düngemittel bezeichnet. ^{[ 66 ]}

Der wichtigste stickstoffbasierte Direktdünger ist Ammoniak (NH₃ ₎ , ^das in Lösung als Ammonium (NH₄⁺ ₎ ionisiert und in Form von Salzen oder Derivaten ausgebracht wird , darunter:

• Ammoniumnitrat (NH ₄ NO ₃ ) mit 34-35% Stickstoff findet breite Anwendung.
• Harnstoff (CO(NH ₂ ) ₂ ), mit 45-46% Stickstoff, ist eine weitere beliebte Stickstoffquelle und hat den Vorteil, dass er im Gegensatz zu Ammoniak und Ammoniumnitrat fest und nicht explosiv ist.
• Calciumammoniumnitrat ist eine Mischung aus 20-30% Kalkstein CaCO ₃ oder Dolomit CaMg(CO ₃ ) ₂ und 70-80% Ammoniumnitrat mit 24-28% Stickstoff.
• Calciumnitrat mit 15,5 % Stickstoff und 19 % Calcium hatte Berichten zufolge einen geringen Marktanteil am Stickstoffdüngermarkt (4 % im Jahr 2007). ^{[ 67 ]}

Die wichtigsten direkten Phosphatdünger sind die Superphosphate :

• Einzelnes Superphosphat (SSP), bestehend aus 14–18 % P ₂ O ₅ , wiederum in Form von Ca(H ₂ PO ₄ ) ₂ , aber auch Phosphogips ( Ca SO ₄ · 2 H ₂ O ).
• Tripelsuperphosphat (TSP) besteht typischerweise aus 44–48% P ₂ O ₅ und enthält keinen Gips.

Eine Mischung aus Einfachsuperphosphat und Dreifachsuperphosphat wird als Doppelsuperphosphat bezeichnet. Mehr als 90 % eines typischen Superphosphatdüngers sind wasserlöslich.

Der wichtigste kaliumbasierte Direktdünger ist Kaliumchlorid (MOP, 95–99 % KCl). Er ist üblicherweise als 0-0-60- oder 0-0-62-Dünger erhältlich.

Diese Düngemittel sind weit verbreitet. Sie bestehen aus zwei oder mehr Nährstoffkomponenten.

Binäre (NP, NK, PK)-Dünger

Zweikomponenten-Dünger liefern den Pflanzen sowohl Stickstoff als auch Phosphor. Diese werden als NP-Dünger bezeichnet. Die wichtigsten NP-Dünger sind:

• Monoammoniumphosphat (MAP) NH ₄ H ₂ PO ₄ . Mit 11% Stickstoff und 48% P ₂ O ₅ .
• Diammoniumphosphat ( DAP). (NH₄)₂HPO₄ _. Mit ₁₈ % _{Stickstoff und} 46 % _P₂O₅

Etwa 85 % der MAP- und DAP-Düngemittel sind wasserlöslich.

NPK-Dünger

Mehrnährstoffdünger

Schüttgut-Dünger

NPK-Dünger sind Dreikomponentendünger, die Stickstoff, Phosphor und Kalium liefern. Es gibt zwei Arten von NPK-Düngern: Mehrnährstoffdünger und Mischdünger. Mehrnährstoffdünger enthalten chemisch gebundene Inhaltsstoffe, während Mischdünger physikalische Mischungen einzelner Nährstoffkomponenten sind.

Die NPK-Bewertung ist ein Bewertungssystem, das den Gehalt an Stickstoff, Phosphor und Kalium in einem Dünger beschreibt. Sie besteht aus drei durch Bindestriche getrennten Zahlen (z. B. 10-10-10 oder 16-4-8), die die chemische Zusammensetzung des Düngers angeben. ^{[ 68 ]} Die erste Zahl steht für den Stickstoffanteil im Produkt, die zweite für P₂O₅ und _{die dritte} für K₂O . Düngemittel enthalten zwar kein P₂O₅ _oder K₂O _, aber _{das System ist eine gängige Kurzform für die} Menge an Phosphor (P) bzw. Kalium (K) in einem Dünger. Ein 23 kg (50 Pfund) schwerer Sack Dünger mit der Kennzeichnung 16-4-8 enthält 3,6 kg (8 Pfund) Stickstoff (16 % der 23 kg), eine Phosphormenge entsprechend 2 Pfund P₂O₅ _{( 4} % der 23 kg) und 4 Pfund K₂O ( 8 % der 23 kg). Die meisten Düngemittel werden nach dieser NPK-Konvention gekennzeichnet, während die australische Konvention, die einem NPKS-System folgt, eine vierte Zahl für Schwefel hinzufügt und für alle Werte _, einschließlich P und K, die Elementwerte verwendet. ^{[ 69 ]}

Mikronährstoffe werden in geringen Mengen verbraucht und sind im Pflanzengewebe in Konzentrationen im Bereich von ppm ( parts per million ) vorhanden, von 0,15 bis 400 ppm oder weniger als 0,04 % der Trockenmasse. ^{[ 70 ] [ 71 ]} Diese Elemente werden häufig als Coenzyme für Enzyme benötigt, die für den Pflanzenstoffwechsel essenziell sind . Da diese Elemente Katalysatoren (Enzyme) bilden, ist ihre Wirkung weitaus größer als ihre Konzentration . Typische Mikronährstoffe sind Bor , Zink , Molybdän , Eisen und Mangan . ^{[ 43 ]} Diese Elemente werden als wasserlösliche Salze zugeführt. Eisen stellt ein besonderes Problem dar, da es sich bei moderaten Boden-pH-Werten und Phosphatkonzentrationen von löslichen ( Eisen (II) -) in unlösliche, bioverfügbare ( Eisen (III)-) Verbindungen umwandelt. ^{[ 72 ]} Aus diesem Grund wird Eisen häufig als Chelatkomplex , z. B. als EDTA- oder EDDHA -Derivat, verabreicht. Der Mikronährstoffbedarf ist abhängig von der Pflanze und den Umweltbedingungen. Zuckerrüben benötigen beispielsweise Bor , und Hülsenfrüchte benötigen Kobalt ^{[ 1 ],} während Umweltbedingungen wie Hitze oder Dürre die Verfügbarkeit von Bor für Pflanzen verringern und so einen Bormangel verursachen . ^{[ 73 ]}

Für die Herstellung synthetischer oder anorganischer Düngemittel werden aufbereitete Chemikalien benötigt ^{[ 74 ]} , während organische Düngemittel aus der biologischen Verarbeitung von Pflanzen- und Tierresten oder Exkrementen (z. B. Urin , Kot ) gewonnen werden ^{[ 75 ] .}

Stickstoffdünger werden aus Ammoniak (NH₃ ₎ hergestellt , das im Haber-Bosch-Verfahren gewonnen wird . ^{[ 67 ]} Bei diesem energieintensiven Verfahren liefert Erdgas (CH₄ ₎ üblicherweise den Wasserstoff , während der Stickstoff (N₂ ₎ aus der Luft gewonnen wird . Dieses Ammoniak dient als Ausgangsmaterial für alle anderen Stickstoffdünger, wie beispielsweise wasserfreies Ammoniumnitrat ( _NH₄NO₃ ) und Harnstoff (CO( _NH₂ ) _{₂ )} .

Natriumnitratvorkommen (NaNO₃ ) ₍ chilenischer Salpeter ) finden sich auch in der Atacama-Wüste in Chile und waren einer der ersten (1830) verwendeten stickstoffreichen Düngemittel. ^{[ 76 ]} Es wird noch immer zur Düngemittelverwendung abgebaut. ^{[ 77 ]} Nitrate werden auch aus Ammoniak im Ostwald-Verfahren hergestellt .

Phosphatdünger werden durch Extraktion aus Phosphatgestein gewonnen, das zwei Hauptbestandteile _von Phosphor enthält: Fluorapatit Ca₅ (PO₄ ₎ ₃F _{( CFA )} und Hydroxyapatit Ca₅ (PO₄ ₎ ₃OH _. Jährlich werden Milliarden Kilogramm Phosphatgestein abgebaut, jedoch nehmen Größe und Qualität der verbleibenden Vorkommen ab. ^{[ 37 ]} Durch Behandlung mit Säuren werden diese Mineralien in wasserlösliche Phosphatsalze umgewandelt . ^{[ 78 ]} Die große Produktion von Schwefelsäure ist vor allem auf diese Anwendung zurückzuführen. ^{[ 79 ]} Im Nitrophosphatverfahren oder Odda-Verfahren (erfunden 1927) wird Phosphatgestein mit einem Phosphorgehalt (P) von bis zu 20 % in Salpetersäure (HNO₃ ₎ gelöst, _{wodurch ein Gemisch aus} Phosphorsäure ( _H₃PO₄ ) und Calciumnitrat (Ca( NO₃ ) _{₂ )} entsteht . Diese Mischung kann mit einem Kaliumdünger kombiniert werden, um einen Mehrnährstoffdünger mit den drei Makronährstoffen N, P und K in leicht löslicher Form herzustellen. ^{[ 80 ]}

Kali ist ein Gemisch aus Kaliummineralien, das zur Herstellung von Kaliumdüngemitteln (chemisches Symbol: K) verwendet wird. Da Kali wasserlöslich ist, erfordert die Gewinnung dieses Nährstoffs aus dem Erz mehrere Reinigungsschritte, beispielsweise zur Entfernung von Natriumchlorid (NaCl) (Kochsalz ) . ^{[ 81 ]} _{Manchmal wird Kali auch als K₂O} bezeichnet , um die Beschreibung des Kaliumgehalts zu vereinfachen. Tatsächlich handelt es sich bei Kalidüngemitteln üblicherweise um Kaliumchlorid , Kaliumsulfat , Kaliumcarbonat oder Kaliumnitrat . ^{[ 82 ]}

Es gibt drei Hauptwege zur Herstellung von NPK-Düngemitteln (benannt nach ihren Hauptbestandteilen: Stickstoff (N), Phosphor (P) und Kalium (K)):

• Mischen in großen Mengen. Die einzelnen Düngemittel werden im gewünschten Nährstoffverhältnis vermischt.

• Das Nassverfahren basiert auf chemischen Reaktionen zwischen flüssigen Rohstoffen ( Phosphorsäure , Schwefelsäure , Ammoniak ) und festen Rohstoffen (wie Kaliumchlorid ).
• Das Nitrophosphatverfahren.

Schritt 1. Nitrophosphate werden durch Ansäuern von Phosphatgestein mit Salpetersäure hergestellt .

• • Salpetersäure + Phosphatgestein → Phosphorsäure + Calciumsulfat + Hexafluorokieselsäure .
  • Ca ₅ F(PO ₄ ) ₃ + 10 HNO ₃ →6 H ₃ PO ₄ + 5 Ca(NO ₃ ) ₂ + HF
  • 6 HF _{+ SiO₂} → _H₂SiF₆ + ₂ H₂O

Schritt 2. Entfernung des Calciumnitrats. Es ist wichtig, das Calciumnitrat zu entfernen , da Calciumnitrat extrem hygroskopisch ist .

• • Methode 1. (Odda-Verfahren) Calcium-Nitrat-Kristalle werden durch Zentrifugation entfernt.
  • _{Methode 2.} Sulfonitratverfahren _Ca ( _NO₃ ) _₂ + _H₂SO₄ + _2NH₃ → CaSO₄ + _2NH₄NO₃
  • _Methode 3. Phosphonitrischer Prozess _{Ca ( NO₃} ) _₂ + _H₃PO₄ + _2NH₃ → CaHPO₄ + _2NH₄NO₃
  • Methode 4. Carbonitrisches Verfahren Ca _{( NO₃} ) _₂ + _CO₂ + _H₂O + _2NH₃ → _CaCO₃ + _2NH₄NO₃

Organische Düngemittel sind Düngemittel biologischen Ursprungs, d. h. sie werden aus lebenden oder ehemals lebenden Materialien gewonnen. Der Begriff „organische Düngemittel “ umfasst auch im Handel erhältliche und häufig verpackte Produkte, die den Anforderungen und Richtlinien des ökologischen Landbaus und des umweltschonenden Gärtnerns entsprechen . Diese Systeme der Lebensmittel- und Pflanzenproduktion schränken den Einsatz synthetischer Düngemittel und Pestizide deutlich ein oder vermeiden ihn gänzlich . Organische Düngemittel enthalten typischerweise sowohl organische Materialien als auch zulässige Zusatzstoffe wie nährstoffreiche Gesteinsmehle, gemahlene Muschelschalen ( Krabben , Austern usw.), andere verarbeitete Produkte wie Saatenmehl oder Algenextrakt sowie kultivierte Mikroorganismen und deren Derivate. ^{[ 83 ]}

Organische Düngemittel (erste Definition) umfassen tierische Abfälle , Pflanzenreste aus der Landwirtschaft, Algen , Kompost und behandelten Klärschlamm ( Biosolids ). Neben Stallmist zählen auch Produkte aus der Tierschlachtung zu den tierischen Quellen : Blutmehl , Knochenmehl , Federmehl , Häute , Hufe und Hörner sind typische Bestandteile. ^{[ 43 ]} Organisch gewonnene Materialien, die der Industrie zur Verfügung stehen, wie beispielsweise Klärschlamm, sind aufgrund verschiedener Faktoren, von Restverunreinigungen ^{[ 84 ]} bis hin zur öffentlichen Wahrnehmung ^{[ 85 ]} , möglicherweise nicht für den ökologischen Land- und Gartenbau geeignet. Unabhängig von Definition und Zusammensetzung enthalten die meisten dieser Produkte weniger konzentrierte Nährstoffe, die sich zudem nicht so leicht quantifizieren lassen. ^{[ 86 ]} Sie können bodenverbessernde Vorteile bieten und für diejenigen attraktiv sein, die naturnäher wirtschaften oder gärtnern möchten. ^{[ 87 ]}

Torf ist , gemessen am Volumen, das am häufigsten verwendete verpackte organische Bodenverbesserungsmittel . Er ist eine unreife Form von Kohle , die die Bodendurchlüftung und -feuchtigkeit und damit die biologische Aktivität des Bodens verbessert , den Pflanzen aber keinen direkten Nährwert verleiht . Daher ist er kein Dünger im Sinne der Definition zu Beginn des Artikels, sondern ein Bodenverbesserungsmittel . ^{[ 88 ]} Kokosfasern (aus Kokosnussschalen ), Rinde und Sägemehl werden hauptsächlich als Mulch verwendet und schützen den Boden vor Austrocknung ^{[ 89 ]} , verhindern das Wachstum von Unkraut ^{[ 90 ]} und verbessern die Bodenstruktur ^{[ 91 ]} , verleihen dem Boden aber keinen Nährwert . Einige organische Zusätze können sogar einen gegenteiligen Effekt auf die Nährstoffe haben. Frisches Sägemehl kann beim Zersetzen Nährstoffe verbrauchen und wird von holzabbauenden Pilzen besiedelt , was ohne Nährstoffzufuhr zu Stickstoffmangel (Stickstoffentzug) führt. ^{[ 92 ]} Diese Eigenschaft kann jedoch genutzt werden, um überschüssigen mineralischen Stickstoff zu binden. ^{[ 93 ]} Dieselben organischen Bodenverbesserer (sowie Kompost usw.) können die Nährstoffverfügbarkeit durch eine verbesserte Kationenaustauschkapazität [ ^{94 ]} oder durch verstärktes Wachstum von Mikroorganismen erhöhen, die wiederum die Verfügbarkeit bestimmter Pflanzennährstoffe steigern. ^{[ 95 ]} Echte organische Düngemittel wie Kompost und Stallmist können lokal verteilt werden ^, ohne industriell verarbeitet zu werden, was die Quantifizierung des tatsächlichen Verbrauchs erschwert.

China ist zum größten Produzenten und Konsumenten von Stickstoffdüngern geworden ^{[ 98 ],} während Afrika kaum auf Stickstoffdünger angewiesen ist ^{[ 99 ]} . Landwirtschaftliche und chemische Mineralien spielen eine wichtige Rolle bei der industriellen Verwendung von Düngemitteln, deren Wert sich auf etwa 200 Milliarden US-Dollar beläuft ^{[ 100 ]} . Stickstoff hat einen bedeutenden Einfluss auf den globalen Mineralienverbrauch, gefolgt von Kali und Phosphat. Die Stickstoffproduktion hat sich seit den 1960er Jahren drastisch erhöht. Auch die Preise für Phosphat und Kali sind seit den 1960er Jahren gestiegen, und zwar stärker als der Verbraucherpreisindex ^{[ 100 ]} . Kali wird in Kanada , Russland und Belarus produziert , die zusammen mehr als die Hälfte der Weltproduktion ausmachen ^{[ 100 ]} . Die Kaliproduktion in Kanada stieg 2017 und 2018 um 18,6 %. ^{[ 101 ] [ 102 ]} Konservative Schätzungen gehen davon aus, dass 30 bis 50 % der Ernteerträge auf natürliche oder synthetische Handelsdünger zurückzuführen sind. ^{[ 82 ] [ 103 ]} Der Düngemittelverbrauch übersteigt die landwirtschaftliche Nutzfläche in den Vereinigten Staaten. ^{[ 100 ]}

Daten zum Düngemittelverbrauch pro Hektar Ackerland im Jahr 2012 wurden von der Weltbank veröffentlicht . ^{[ 104 ]} Das folgende Diagramm zeigt den Düngemittelverbrauch der Länder der Europäischen Union (EU) in Kilogramm pro Hektar (Pfund pro Acre). Der Gesamtverbrauch an Düngemitteln in der EU erreichte 2017 mit 11,6 Millionen Tonnen einen Höchststand, ging aber seitdem stetig zurück und lag 2023 bei 9,3 Millionen Tonnen ^{[ 105 ].} Dies entspricht einer Ackerfläche von 157 Millionen Hektar im Jahr 2020, 1,5 Millionen Hektar weniger als 2010. ^{[ 106 ]} Dieser Wert entspricht einem durchschnittlichen Düngemittelverbrauch von 70 kg pro Hektar Ackerland in den EU-Ländern im Jahr 2020.

Der gesamte landwirtschaftliche Einsatz anorganischer Düngemittel, ausgedrückt als Summe der drei Nährstoffe Stickstoff (N), Phosphor (P₂O₅) und Kalium (K₂O), betrug 2023 190 Millionen Tonnen, ein Anstieg von 1 % gegenüber 2022. Davon entfielen 112 Millionen Tonnen auf Stickstoff (58 % des Gesamtverbrauchs), 41 Millionen Tonnen auf Phosphor (21 %) und 38 Millionen Tonnen auf Kalium (20 %). Der Gesamtverbrauch an Düngemitteln lag 2023 um 55 Millionen Tonnen (41 %) höher als im Jahr 2000 (38 % mehr Stickstoff, 26 % mehr Phosphor und 73 % mehr Kalium). Asien trug 2023 mit 56 % zum weltweiten landwirtschaftlichen Verbrauch anorganischer Düngemittel bei, gefolgt von Amerika (27 %), Europa (11 %), Afrika (4 %) und Ozeanien (2 %). ^{[ 15 ]}

Düngemittel werden üblicherweise für den Anbau aller Nutzpflanzen verwendet, wobei die Aufwandmengen von der Bodenfruchtbarkeit abhängen , die in der Regel durch eine Bodenanalyse ermittelt wird , und je nach der jeweiligen Kulturpflanze variieren. Hülsenfrüchte beispielsweise binden Stickstoff aus der Atmosphäre und benötigen im Allgemeinen keinen Stickstoffdünger, weshalb sie vielversprechend für die Sicherstellung einer nachhaltigen Landwirtschaft sind . ^{[ 107 ]}

Der Zeitpunkt der Düngung (hier werden nur Mineraldünger betrachtet) hängt vom Nährstoffbedarf der Kulturpflanze, den Witterungsbedingungen und den Marktgegebenheiten ab. Art und Menge des Düngers variieren je nach Anbaumethode (z. B. intensive Landwirtschaft vs. konservierende Landwirtschaft , Grünland vs. Ackerland ) und dem Vorhandensein von Nährstoffmängeln . Die Düngung zum Zeitpunkt des höchsten Nährstoffbedarfs ist entscheidend für optimale Erträge und Qualität. Im Allgemeinen ist die Nährstoffaufnahme zu Beginn bis zur Mitte der Vegetationsperiode am höchsten, weshalb eine Düngung kurz vor der Aussaat meist sehr effektiv ist. Bei im Herbst ausgesäten Getreidearten (z. B. Winterweizen ) ist eine Stickstoffdüngung im Herbst, gefolgt von einer Nachdüngung im Frühjahr , wahrscheinlich die beste Kombination, um den Ertrag zu optimieren. ^{[ 108 ]} Die Ausbringung eines löslichen Mineraldüngers (z. B. Ammoniumnitrat ) wird bei Starkregen vermieden, da der größte Teil davon für die Kulturpflanze verloren ginge ^{[ 109 ]} und das Grundwasser schnell verschmutzen würde . ^{[ 110 ]} In der konservierenden Landwirtschaft (einschließlich Direktsaat und Permakultur ) sowie anderen nicht-ökologischen Alternativen zur intensiven Landwirtschaft (z. B. kleinbäuerliche Landwirtschaft) wird der Einsatz von Mineraldüngern auf die strengen Bedürfnisse der Kulturpflanzen beschränkt und ist mitunter völlig unnötig. ^{[ 111 ]}

Nach der Ernte einer Hauptkultur (z. B. Weizen , Mais , Kartoffeln ) kann eine Zwischenfrucht mit schnell wachsenden Pflanzenarten und hohem Stickstoffbedarf (z. B. Weißer Senf ) ausgesät werden. ^{[ 112 ]} Dadurch kann überschüssiger Stickstoff, insbesondere das sehr mobile Nitrat- Anion, aufgenommen und in Pflanzenproteine ​​umgewandelt werden [ ^{113 ] ,} bevor er das Grundwasser und die damit verbundenen geochemischen Prozesse verunreinigt, die ohne Pflanzendecke rasch ablaufen würden. ^{[ 114 ]} Die Zwischenfrucht wird anschließend eingearbeitet, wodurch sie sich in Humus umwandelt , in dem Stickstoff durch verschiedene stabile chemische Bindungen fixiert wird . ^{[ 115 ]}

Fertilizers are applied to crops both as solids and as liquid. About 90% of fertilizers are applied as solids. The most widely used solid inorganic fertilizers are urea, diammonium phosphate and potassium chloride.^[116] Solid fertilizer is typically granulated or powdered. Often solids are available as prills, a solid globule. Liquid fertilizers comprise aqueous solutions of ammonia, aqueous solutions of ammonium nitrate or urea. These concentrated products may be diluted with water to form a concentrated liquid fertilizer (e.g., UAN). Advantages of liquid fertilizer are its more rapid effect and easier coverage.^[43] The addition of fertilizer to irrigation water is called fertigation.^[82] Granulated fertilizers are more economical to ship and store, not to mention easier to apply.^[117][118]

A controlled-release fertiliser (CRF) is a granulatedfertiliser that releases nutrients gradually into the soil (i.e., with a controlled release period).^[119] Controlled-release fertilizer is also known as controlled-availability fertilizer, delayed-release fertilizer, metered-release fertilizer, or slow-acting fertilizer. Usually slow- and controlled-release fertilizers refer to nitrogen-based fertilizers, e.g. ureaform, needing degradation by a wide spectrum of soil organisms before nitrogen could be liberated as nitrate.^[120] Slow-release fertilizers (SRF) and controlled-release fertilizers (CRF) offer various benefits over conventional ones, ensuring sustainability in fertilizing practice.^[121][122]

Blattdünger werden direkt auf die Blätter aufgebracht. Dadurch kann die Gesamtmenge des ausgebrachten Düngers reduziert und eine hohe Düngeeffizienz erzielt werden. ^{[ 123 ]} Diese Methode wird fast immer zur Ausbringung wasserlöslicher Stickstoffdünger verwendet und kommt insbesondere bei hochwertigen Kulturen wie Obst zum Einsatz. Harnstoff ist der gebräuchlichste Blattdünger. ^{[ 43 ]} Zur Verbesserung der Aufnahme und Migration des Nährstoffs und damit zur Vermeidung von Verlusten in Boden und Grundwasser wird jedoch die Chelatisierung des blattapplizierten Nährstoffs empfohlen. ^{[ 123 ]}

Zur Steigerung der Effizienz stickstoffbasierter Düngemittel werden verschiedene Chemikalien eingesetzt. Dadurch können Landwirte die Umweltbelastung durch Stickstoffauswaschungen reduzieren . Nitrifikationshemmer (auch Stickstoffstabilisatoren genannt) hemmen die Umwandlung von Ammoniak in Nitrat , ein Anion, das leichter auswaschbar ist. Gängige Vertreter sind 1-Carbamoyl-3-methylpyrazol (CMP), Dicyandiamid , Nitrapyrin (2-Chlor-6-trichlormethylpyridin) und 3,4-Dimethylpyrazolphosphat (DMPP). ^{[ 124 ]} Ureasehemmer verlangsamen die durch Ureasen katalysierte hydrolytische Umwandlung von Harnstoff in Ammoniak, da Ammoniak zur Verdunstung ^{[ 125 ]} und Nitrifikation neigt . ^{[ 126 ]} Ein häufig verwendeter Ureashemmer ist N- ( n -Butyl)thiophosphorsäuretriamid ( NBPT ).

Der sorgfältige Einsatz von Düngetechniken ist wichtig, da ein Nährstoffüberschuss der Kulturpflanze schaden kann. ^{[ 127 ]} Bei Überdüngung kann es zu Verbrennungen durch Dünger kommen, die die Pflanze schädigen oder sogar zum Absterben bringen können. Die Neigung von Düngemitteln, Verbrennungen zu verursachen, variiert in etwa mit ihrem Salzindex . ^{[ 128 ] [ 129 ]}

Synthetische Düngemittel, die in der Landwirtschaft eingesetzt werden, haben weitreichende Folgen für die Umwelt .

Laut dem Sonderbericht des Weltklimarats (IPCC) über Klimawandel und Landnutzung tragen die Produktion dieser Düngemittel und die damit verbundenen Landnutzungspraktiken zur globalen Erwärmung bei . ^{[ 6 ]} Der Einsatz von Düngemitteln hat zudem eine Reihe direkter Umweltfolgen nach sich gezogen: landwirtschaftliche Abflüsse , die zu Folgeerscheinungen wie sauerstoffarmen Zonen in den Ozeanen ^{[ 130 ]} und Gewässerverschmutzung ^{[ 131 ]} führen , die Zerstörung des Bodenmikrobioms ^{[ 132 ]} sowie die Anreicherung toxischer Verbindungen in Ökosystemen. ^{[ 133 ]} Zu den indirekten Umweltauswirkungen gehören: Stickstoff-Pflanzen-Schädlings-Kaskaden, ^{[ 134 ]} erhöhte Treibhausgasemissionen und Umweltauswirkungen des Frackings für das im Haber-Bosch-Verfahren verwendete Erdgas , ^{[ 135 ] [ 136 ]} der Agrarboom, der teilweise für das rasante Bevölkerungswachstum verantwortlich ist ^{[ 137 ]} , sowie die damit verbundenen großflächigen industriellen Landwirtschaftspraktiken, die Druck auf die Biodiversität ausüben , Lebensraumzerstörung und -fragmentierung verursachen [ ^{138 ]} und zu landwirtschaftlichen ^{Bodenverlusten} führen . ^{[ 139 ]}

Um Umwelt- und Ernährungssicherheitsbedenken zu mindern , hat die internationale Gemeinschaft Ernährungssysteme in das Ziel 2 für nachhaltige Entwicklung aufgenommen , das die Schaffung eines klimafreundlichen und nachhaltigen Lebensmittelproduktionssystems zum Ziel hat . ^{[ 140 ]} Die meisten politischen und regulatorischen Ansätze zur Bewältigung dieser Probleme konzentrieren sich auf die Umstellung landwirtschaftlicher Praktiken hin zu nachhaltigen oder regenerativen Anbaumethoden: Diese verwenden weniger synthetische Düngemittel (z. B. nachhaltige Landwirtschaft ), ein besseres Bodenmanagement (z. B. Direktsaat ) und mehr organische Düngemittel (z. B. ökologischer Landbau , konservierende Landwirtschaft , biodynamische Landwirtschaft ).

Bei der Verarbeitung von Phosphatgestein wird aus jeder Tonne Phosphorsäure ein fünf Tonnen Abfall erzeugt. Dieser Abfall besteht aus unreinem, unbrauchbarem, radioaktivem Feststoff, dem sogenannten Phosphogips . Schätzungen zufolge fallen weltweit jährlich zwischen 100.000.000 und 280.000.000 Tonnen Phosphogipsabfall an. ^{[ 141 ]}

Phosphor- und Stickstoffdünger können Böden, Oberflächengewässer und Grundwasser beeinträchtigen ^{[ 100 ]} , da sich Mineralien bei Starkregen ^{[ 142 ] [ 143 ]} und Schneeschmelze in Gewässer ausbreiten und mit der Zeit ins Grundwasser gelangen können . ^{[ 144 ]} Landwirtschaftliche Abflüsse tragen maßgeblich zur Eutrophierung von Süßwasserkörpern bei . So waren beispielsweise in den USA im Jahr 2007 etwa die Hälfte aller von der US-Umweltschutzbehörde (EPA) untersuchten Seen eutrophiert , wobei dieser Anteil bis 2012 alarmierend auf 80 Prozent anstieg. ^{[ 145 ]} Hauptursache der Eutrophierung ist Phosphat , das neben Stickstoff normalerweise ein limitierender Nährstoff ist . Hohe Phosphatkonzentrationen fördern das Wachstum von Cyanobakterien und Algen , deren Absterben Sauerstoff verbraucht. ^{[ 146 ]} Cyanobakterienblüten ( Algenblüten ) können auch schädliche Toxine produzieren, die sich in der Nahrungskette anreichern und für den Menschen schädlich sein können. ^{[ 147 ] [ 148 ]} Düngemittelabfluss kann durch wetteroptimierte Düngestrategien reduziert werden. ^{[ 142 ]}

Die in Düngemittelabflüssen enthaltenen stickstoffreichen Verbindungen sind die Hauptursache für gravierenden Sauerstoffmangel in vielen Teilen der Ozeane , insbesondere in Küstengebieten, Seen und Flüssen . ^{[ 149 ]} Der daraus resultierende Mangel an gelöstem Sauerstoff beeinträchtigt die Fähigkeit dieser Gebiete, Meeresfauna zu erhalten, erheblich . [ ^{150 ] Die} Zahl der sauerstoffarmen Zonen in der Nähe bewohnter Küsten nimmt zu. ^{[ 151 ]}

Seit 2006 wird die Anwendung von Stickstoffdünger in Nordwesteuropa ^{[ 152 ]} und den Vereinigten Staaten [ 153 ] [ 154 ] zunehmend kontrolliert. ^{Selbst wenn die Eutrophierung rückgängig gemacht} werden kann , kann es Jahrzehnte dauern ^{[ 155 ]} und erfordert ein erhebliches Bodenmanagement ^{[ 156 ]} , bis die im Grundwasser angereicherten Nitrate durch natürliche Denitrifikation abgebaut werden können . ^{[ 157 ]}

Nur ein Bruchteil der stickstoffhaltigen Düngemittel wird in Pflanzenmasse umgewandelt. Der Rest reichert sich im Boden an oder geht durch Oberflächenabfluss verloren. ^{[ 158 ]} Hohe Ausbringungsmengen stickstoffhaltiger Düngemittel in Verbindung mit der hohen Wasserlöslichkeit von Nitrat führen zu vermehrtem Abfluss in Oberflächengewässer sowie zu Auswaschung ins Grundwasser und verursachen dadurch Grundwasserverschmutzung . ^{[ 159 ] [ 160 ] [ 161 ]} Die übermäßige Verwendung stickstoffhaltiger Düngemittel (ob synthetisch oder natürlich) ist besonders schädlich, da ein Großteil des nicht von den Pflanzen aufgenommenen Stickstoffs in leicht auswaschbares Nitrat umgewandelt wird. ^{[ 162 ]}

Nitratkonzentrationen über 10 mg/l (10 ppm) im Grundwasser können das sogenannte „ Blue-Baby-Syndrom “ (erworbene Methämoglobinämie ) verursachen. ^{[ 163 ]} Nährstoffe, insbesondere Nitrate, in Düngemitteln können natürliche Lebensräume und die menschliche Gesundheit schädigen, wenn sie in Gewässer gespült oder durch den Boden ins Grundwasser ausgewaschen werden . ^{[ 164 ]} Durch Abfluss können Algenblüten entstehen , die den gesamten Sauerstoff verbrauchen und riesige „Todeszonen“ hinterlassen, in denen Fische und andere Wasserlebewesen nicht überleben können. ^{[ 165 ]}

Bodenversauerung bezeichnet den Prozess, bei dem der pH- Wert des Bodens mit der Zeit zunimmt und er saurer wird. Der pH-Wert ist ein Maß für den Säure- oder Basengehalt des Bodens und wird auf einer Skala von 0 bis 14 bestimmt, wobei 7 neutral ist. Ein pH-Wert unter 7 kennzeichnet einen sauren Boden, während ein pH-Wert über 7 auf einen alkalischen oder basischen Boden hinweist. Bodenversauerung ist ein erhebliches Problem in der Landwirtschaft und im Gartenbau, da sie zu Kationenauswaschung, instabiler Bodenaggregatstruktur, Metalltoxizität und verringerter Nährstoffverfügbarkeit führt und somit die biologischen Eigenschaften des Bodens und das Pflanzenwachstum beeinträchtigt. ^{[ 166 ]}

Stickstoffhaltige Düngemittel setzen Ammonium- oder Nitrat- Ionen frei, die durch biochemische Reaktionen den Boden versauern können. ^{[ 167 ]} Werden stickstoffhaltige Düngemittel, ob mineralisch oder organisch, dem Boden zugeführt, erhöht sich die Konzentration von Wasserstoffionen (H+) in der Bodenlösung, was den pH-Wert des Bodens senkt. ^{[ 168 ] [ 169 ]} Dies kann zu einer verringerten Nährstoffverfügbarkeit führen , die durch Kalkung kompensiert werden kann . ^{[ 170 ]}

Die Bodenversauerung tritt auch durch sauren Regen auf , ein vom Menschen verursachtes Problem, trotz strenger Maßnahmen zur Eindämmung industrieller Gasemissionen seit den 1970er Jahren. ^{[ 171 ]} Zu den bekannten Ursachen für sauren Regen zählen Stickstoffdünger (mineralisch oder organisch) und die daraus resultierenden Emissionen von Lachgas und Stickoxiden, insbesondere in Regionen mit intensiver Landwirtschaft. ^{[ 172 ]} Die Mechanismen sind komplex und umfassen die Ammoniakverflüchtigung aus Gülle (ob gelagert oder ausgebracht) oder Harnstoff sowie die direkte Wiederablagerung, gefolgt von Nitrifikation im Boden oder vorheriger Oxidation zu Stickoxiden in der Atmosphäre vor der Wiederablagerung als Salpetersäure . ^{[ 173 ]}

Die Cadmiumkonzentration in phosphorhaltigen Düngemitteln schwankt erheblich und kann problematisch sein. ^{[ 174 ]} So kann beispielsweise Monoammoniumphosphat- Dünger einen Cadmiumgehalt von nur 0,14 mg/kg bis zu 50,9 mg/kg aufweisen. ^{[ 175 ]} Das zur Herstellung verwendete Phosphatgestein kann bis zu 188 mg/kg Cadmium enthalten. ^{[ 176 ]} Beispiele hierfür sind Vorkommen auf Nauru ^{[ 177 ]} und den Weihnachtsinseln . ^{[ 178 ]} Die kontinuierliche Verwendung von cadmiumreichen Düngemitteln kann Böden ^{[ 179 ]} und Pflanzen kontaminieren . ^{[ 180 ]} Die Europäische Kommission hat Grenzwerte für den Cadmiumgehalt von Phosphatdüngemitteln erwogen . ^{[ 181 ] [ 182 ] [ 183 ]} Hersteller phosphorhaltiger Düngemittel wählen das Phosphatgestein mittlerweile anhand des Cadmiumgehalts aus. ^{[ 146 ]}

Phosphatgesteine ​​enthalten hohe Fluoridkonzentrationen in Form von Fluorapatit . ^{[ 184 ]} Folglich hat die weitverbreitete Verwendung von Phosphatdüngern die Fluoridkonzentrationen im Boden erhöht. ^{[ 180 ]} Es hat sich gezeigt, dass eine Kontamination von Lebensmitteln durch Düngemittel wenig besorgniserregend ist, da Pflanzen nur wenig Fluorid aus dem Boden aufnehmen; besorgniserregender ist die mögliche Fluoridvergiftung von Nutztieren, die kontaminierten Boden fressen. ^{[ 185 ] [ 186 ]} Auch die Auswirkungen von Fluorid auf Bodenmikroorganismen geben Anlass zur Sorge . ^{[ 185 ] [ 186 ] [ 187 ]}

Der radioaktive Gehalt von Düngemitteln variiert erheblich und hängt sowohl von der Konzentration im Ausgangsmineral als auch vom Herstellungsverfahren ab. ^{[ 180 ] [ 188 ]} Die Konzentrationen von Uran-238 können in Phosphatgestein zwischen 7 und 100 pCi/g ( Picocurie pro Gramm) ^{[ 189 ]} und in Phosphatdüngemitteln zwischen 1 und 67 pCi/g liegen. ^{[ 190 ] [ 191 ] [ 192 ]} Bei hohen jährlichen Phosphordüngergaben können die Uran-238- Konzentrationen in Böden und Sickerwässern um ein Vielfaches höher sein als üblich. ^{[ 191 ] [ 193 ]} Die Auswirkungen dieser Erhöhungen auf das Risiko einer radioaktiven Kontamination von Lebensmitteln für die menschliche Gesundheit sind jedoch sehr gering (weniger als 0,05 m³ Sv² /Jahr). ^{[ 191 ] [ 194 ] [ 195 ]}

Abfälle der Stahlindustrie, wie beispielsweise Stahlschlacke, werden aufgrund ihres hohen Gehalts an Calcium und Magnesium sowie verschiedener für das Pflanzenwachstum notwendiger Spurenelemente häufig als Bodenverbesserungsmittel oder zur Düngemittelherstellung wiederverwertet. ^{[ 196 ]} Sie können jedoch auch toxische Metalle enthalten . ^{[ 197 ]} Dazu gehören Arsen , ^{[ 198 ]} Cadmium , ^{[ 198 ]} Chrom [ ^{199 ]} und Nickel . ^{[ 200 ]} Stahlschlacke trägt hingegen eher dazu bei, Blei im Boden zu immobilisieren ^und somit dessen Toxizität für die Kulturpflanzen zu verringern. ^{[ 201 ]} Die häufigsten toxischen Elemente in dieser Art von Düngemittel sind Quecksilber , Blei und Arsen. ^{[ 202 ] [ 203 ] [ 204 ]} Angesichts der hohen Kosten für die Entfernung potenziell schädlicher Eigenschaften aus Stahlschlacken ^{[ 205 ]} ist deren Immobilisierung eine bessere Lösung . Die Beimischung von Biokohle zu Stahlschlacke macht selbst das Gemisch zu einem guten Bodenverbesserungsmittel zur Passivierung von Schwermetallen in landwirtschaftlichen Böden. ^{[ 206 ]} Hochreine Düngemittel sind weit verbreitet und am bekanntesten wohl als die gut wasserlöslichen, blaue Farbstoffe enthaltenden Haushaltsdünger , wie beispielsweise Miracle-Gro . Diese gut wasserlöslichen Düngemittel werden in Baumschulen eingesetzt und sind in größeren Gebinden zu deutlich geringeren Kosten als im Einzelhandel erhältlich . Einige preiswerte, granulierte Gartendünger für den Einzelhandel werden aus hochreinen Inhaltsstoffen hergestellt. ^{[ 207 ]}

Die sinkenden Konzentrationen von Mikronährstoffen wie Eisen , Zink , Kupfer und Magnesium in vielen Lebensmitteln in den letzten 50–60 Jahren haben zunehmend Aufmerksamkeit erregt. ^{[ 208 ] [ 209 ]} Intensive Anbaumethoden, einschließlich des Einsatzes synthetischer Düngemittel, werden häufig als Ursache für diesen Rückgang genannt, und ökologischer Landbau wird oft als Lösung vorgeschlagen. ^{[ 209 ]} Obwohl bekannt ist, dass höhere Ernteerträge durch NPK-Dünger die Konzentrationen anderer Nährstoffe in Pflanzen verdünnen, ^{[ 208 ] [ 210 ]} lässt sich ein Großteil des gemessenen Rückgangs auf den Anbau immer ertragreicherer Pflanzensorten zurückführen, die Lebensmittel mit geringeren Mineralstoffkonzentrationen als ihre weniger produktiven Vorfahren produzieren. ^{[ 208 ] [ 211 ] [ 212 ]} Es ist daher unwahrscheinlich, dass ökologischer Landbau oder eine reduzierte Düngemittelverwendung (z. B. konservierende Landwirtschaft ) das Problem lösen werden. Es wird angenommen, dass Lebensmittel mit hoher Nährstoffdichte durch den Anbau älterer, ertragsschwächerer Sorten oder durch die Entwicklung neuer, ertragreicher und nährstoffreicher Sorten erreicht werden können. ^{[ 208 ] [ 213 ]}

Düngemittel beheben Spurenelementmängel eher, als dass sie diese verursachen: In Westaustralien wurden in den 1940er und 1950er Jahren Mängel an Zink , Kupfer , Mangan , Eisen und Molybdän als Wachstumshemmnisse bei großflächigen Feldfrüchten und Weideflächen identifiziert. ^{[ 214 ]} Die Böden in Westaustralien sind sehr alt, stark verwittert und weisen einen Mangel an vielen wichtigen Nährstoffen und Spurenelementen auf. ^{[ 214 ]} Seitdem werden diese Spurenelemente routinemäßig den in der Landwirtschaft dieses Bundesstaates verwendeten Düngemitteln zugesetzt. ^{[ 214 ]} Viele andere Böden weltweit weisen einen Zinkmangel auf, der zu Mangelerscheinungen bei Pflanzen und Menschen führt. ^{[ 215 ]} Zinkdünger werden daher häufig eingesetzt, um dieses Problem zu beheben. ^{[ 216 ]}

Hohe Düngergaben können die Symbiose zwischen Pflanzenwurzeln und Mykorrhizapilzen stören ^{[ 217 ]} , insbesondere bei Überschreitung des Pflanzenbedarfs [ 218 ]. ^{Es ist weiterhin} umstritten, ob und wie Düngemittel die Bodenfauna beeinflussen . Sowohl organische als auch organisch-mineralische Düngemittel erhöhen die Abundanz der Bodenfauna, während mineralische Düngemittel keinen solchen Effekt zeigen. Dabei können individuelle Reaktionen einzelner Bodentiergruppen die Gesamtwirkung überdecken ^{[ 219 ]} . Chemische Düngemittel stimulieren das Wachstum mikrobieller Populationen , verändern aber weder deren Artenreichtum noch deren Diversität. Gleichzeitig wurde eine Abnahme der Enzymaktivität beobachtet ^{[ 220 ] .}

Die Kombination aus Bodenversauerung und hohem Stickstoffgehalt war den meisten Bodenorganismen vor dem Aufkommen der industriellen Landwirtschaft wahrscheinlich unbekannt . Generell sind Böden entweder sauer und nährstoffarm oder neutral bis basisch und nährstoffreich (einschließlich Stickstoff), abhängig von der pH-Wert-abhängigen Fähigkeit der Tonminerale , Nährstoffe zu binden. ^{[ 221 ]} Diese unerwartete Kombination aus überschüssiger Nährstoffverfügbarkeit und Säurestress führt zu einer Beeinträchtigung der Nachhaltigkeit von Tier- und Mikroorganismengemeinschaften, indem sie die Verbindungen zwischen ober- und unterirdischen Komponenten von Agrarökosystemen schwächt . ^{[ 222 ]} Auch andere Ökosysteme sind von stickstoffreichen sauren Regenfällen betroffen, die aus intensiven landwirtschaftlichen Praktiken stammen. Torfmoore wandeln sich nun von Kohlenstoffsenken (dank der Ansammlung von schwer abbaubarem Torfmoosstreu und anoxischen Bedingungen) zu Kohlenstoffquellen unter dem Einfluss von Stickstoffeintrag und der daraus resultierenden Steigerung der Zersetzeraktivität . ^{[ 223 ]} Auch andere nährstoffarme Ökosysteme sind stark betroffen, beispielsweise Heidelandschaften , mit einer überraschenden Kombination aus höherer Anreicherung organischer Substanz im Boden und höherer Bodenenzymaktivität . ^{[ 224 ]}

Zu den beiden Arten landwirtschaftlicher Bewirtschaftungsmethoden zählen der ökologische Landbau und die konventionelle Landwirtschaft . Ersterer fördert die Bodenfruchtbarkeit durch die Nutzung lokaler Ressourcen, um die Effizienz zu maximieren. Der ökologische Landbau verzichtet auf synthetische Agrochemikalien. Die konventionelle Landwirtschaft verwendet alle Komponenten, die im ökologischen Landbau nicht zum Einsatz kommen. ^{[ 225 ]}

Die übermäßige Verwendung organischer Düngemittel (z. B. Schweinegülle ) kann die Wasserqualität durch Kontamination des Grundwasserleiters und die daraus resultierende Eutrophierung der Gewässer , die er speist, beeinträchtigen . ^{[ 226 ]} Dies ist ein gesellschaftliches Problem in Gebieten, in denen die Schweinehaltung mit dem Umweltschutz in Konflikt steht . ^{[ 227 ]}

Die meisten synthetischen Düngemittel werden aus fossilen Brennstoffen hergestellt . Dabei werden fossile Energie und Methan zur Wasserstofferzeugung genutzt, der im Haber-Bosch-Verfahren zur Ammoniaksynthese sowie in verschiedenen chemischen Reaktionen zur Herstellung der meisten Düngemittel (z. B. Harnstoff , Ammoniumnitrat , Superphosphat ) verwendet wird. ^{[ 228 ]} Es wurden einige Alternativen zur Wasserstofferzeugung vorgeschlagen, wie beispielsweise Solarenergie ^{[ 229 ]} , Abfallbehandlung ^{[ 230 ]} oder Elektrolyse . ^{[ 231 ]}

Die Menge der Treibhausgase Kohlendioxid , Methan und Lachgas, die bei der Herstellung und Verwendung von Stickstoffdünger entstehen, wird auf etwa 5 % der anthropogenen Treibhausgasemissionen geschätzt . Ein Drittel entsteht bei der Herstellung und zwei Drittel bei der Verwendung der Düngemittel. ^{[ 232 ]} Nitrat wird von Bodenbakterien in Lachgas , ein Treibhausgas , umgewandelt . ^{[ 233 ]} _{Die Lachgasemissionen des Menschen, die größtenteils auf Düngemittel zurückzuführen sind, wurden zwischen 2007 und 2016 auf 700 Millionen Tonnen CO₂} -Äquivalent geschätzt . ^{[ 234 ]}

Im Jahr 2012 wurden jährlich etwa 110 Millionen Tonnen Stickstoffdünger eingesetzt. ^{[ 235 ] [ 236 ]} Lachgas (N₂O ₎ ist nach Kohlendioxid und Methan das drittwichtigste Treibhausgas . Es hat pro Tonne einen 296-mal höheren Treibhauseffekt als Kohlendioxid . Die Emissionen im Jahr 2025 trugen umgerechnet 700 Megatonnen CO₂ _zur Atmosphäre bei. ^{[ 237 ]} Es trägt außerdem zum Abbau der stratosphärischen Ozonschicht bei . ^{[ 238 ]} Durch die Anpassung von Prozessen und Verfahren könnten diese Emissionen reduziert werden. ^{[ 239 ]}

Die Methanemissionen von landwirtschaftlichen Nutzflächen (insbesondere Reisfeldern ) werden durch die Anwendung ammoniumbasierter Düngemittel erhöht. Diese Emissionen tragen zum globalen Klimawandel bei, da Methan ein starkes Treibhausgas ist. ^{[ 240 ] [ 241 ]}

In Europa werden Probleme mit hohen Nitratkonzentrationen im Oberflächenabfluss durch die Nitratrichtlinie der Europäischen Union angegangen. ^{[ 242 ]} In Großbritannien werden Landwirte zu einer nachhaltigeren Bewirtschaftung ihrer Flächen im Rahmen der „ einzugsgebietsschonenden Landwirtschaft “ angehalten. ^{[ 243 ]} In den USA gelten hohe Nitrat- und Phosphorkonzentrationen im Oberflächenabfluss und in Drainagewässern aufgrund ihrer diffusen Herkunft als diffuse Schadstoffquellen; diese Verschmutzung wird auf Ebene der Bundesstaaten reguliert. ^{[ 244 ]} Oregon und Washington , beide in den USA , verfügen über Düngemittelregistrierungsprogramme mit Online- Datenbanken , die chemische Analysen von Düngemitteln auflisten. ^{[ 245 ] [ 246 ]} Der Emissionshandel und Ökoabgaben beeinflussen die Produktion und den Preis von Düngemitteln. ^{[ 247 ]}

In China wurden Vorschriften zur Kontrolle des Stickstoffdüngemitteleinsatzes in der Landwirtschaft eingeführt. 2008 begann die chinesische Regierung, die Düngemittelsubventionen, darunter auch die Subventionen für den Düngemitteltransport sowie für den Strom- und Erdgasverbrauch in der Industrie, teilweise zurückzunehmen . Infolgedessen stiegen die Düngemittelpreise, und Großbetriebe begannen, weniger Dünger einzusetzen. Wenn Großbetriebe weiterhin auf Düngemittelsubventionen verzichten, bleibt ihnen nichts anderes übrig, als die vorhandenen Düngemittel optimal zu nutzen, was zu höheren Getreideerträgen und damit zu höheren Gewinnen führen würde. ^{[ 248 ]}

Im März 2022 kündigte das US-Landwirtschaftsministerium ein neues Förderprogramm in Höhe von 250 Millionen US-Dollar zur Förderung der amerikanischen Düngemittelproduktion an. Das Programm, das Teil der Commodity Credit Corporation ist, unterstützt eine Düngemittelproduktion, die unabhängig von dominanten Düngemittelherstellern ist, in den USA hergestellt wird und innovative Produktionsverfahren nutzt, um den zukünftigen Wettbewerb anzukurbeln. ^{[ 249 ]}

In der Europäischen Union verdeutlichten der russisch-ukrainische Krieg und der darauffolgende starke Anstieg der Energie- und Mineraldüngerpreise die Notwendigkeit größerer Autonomie und Effizienz bei der Produktion und Verwendung von Düngemitteln. Der geänderte befristete Krisen- und Übergangsrahmen für staatliche Beihilfen ^{[ 250 ]} ermöglichte es den EU-Ländern, Landwirte und Düngemittelhersteller gezielt zu unterstützen. Mittel aus Maßnahmen wie der Deckelung der Markteinnahmen bestimmter Stromerzeuger und dem Solidaritätsbeitrag können unter den geltenden Bedingungen auch für nationale Förderprogramme verwendet werden. ^{[ 251 ]}

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 Dieser Artikel enthält Text aus einem frei verfügbaren Werk. Lizenziert unter CC BY 4.0 ( Lizenzerklärung/Genehmigung ). Text entnommen aus: Welternährungs- und Landwirtschafts-Statistikjahrbuch 2025 , Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen.