Zusammenfassung
– Die Versauerung des Bodens ist ein natürlicher Prozess in regenreichen Gebieten, in denen die Auslaugung den Boden im Laufe der Zeit langsam versauert.
– Intensive Landwirtschaft kann die Versauerung des Bodens durch viele Prozesse beschleunigen – verstärkte Auslaugung, Zugabe von Düngemitteln, Entfernung von Erzeugnissen und Aufbau organischer Bodensubstanz.
– Von allen wichtigen Düngernährstoffen ist Stickstoff der Hauptnährstoff, der den pH-Wert des Bodens beeinflusst, und je nach Art des verwendeten Stickstoffdüngers können die Böden saurer oder alkalischer werden.
– Produkte auf Nitratbasis versauern von den Stickstoffdüngern am wenigsten, während Produkte auf Ammoniumbasis den Boden am stärksten versauern können.
– Die Versauerung des Bodens durch Phosphordünger ist im Vergleich zur Versauerung durch Stickstoff gering, was auf die geringeren Mengen dieses Nährstoffs und die geringere Versauerung pro kg Phosphor zurückzuführen ist. Phosphorsäure ist der am meisten versauernde Phosphordünger.
– Kaliumdünger haben wenig oder keine Auswirkungen auf den pH-Wert des Bodens.
Hintergrund
Die Versauerung des Bodens ist ein weitverbreitetes natürliches Phänomen in Regionen mit mittleren bis hohen Niederschlagsmengen, und landwirtschaftliche Produktionssysteme können die Versauerung des Bodens beschleunigen, indem sie die natürlichen Zyklen von Stickstoff (N), Phosphor (P) und Schwefel (S) im Boden stören, landwirtschaftliche Produkte vom Boden entfernen und Düngemittel und Bodenverbesserungsmittel hinzufügen, die den Boden entweder versauern oder alkalisch machen können (Kennedy 1986). Veränderungen des pH-Werts im Boden können sich je nach Ausgangs-pH-Wert des Bodens sowie Richtung und Geschwindigkeit der pH-Veränderung als vorteilhaft oder nachteilig erweisen. So kann beispielsweise eine Verringerung des pH-Werts in alkalischen Böden aufgrund der besseren Verfügbarkeit von P und Mikronährstoffen, z. B. Zink (Zn), für die Pflanzenproduktion von Vorteil sein (Mitchell et al. 1952). Andererseits kann eine Senkung des pH-Wertes eines stark sauren Bodens nachteilig sein, da die Anfälligkeit der Pflanzen für Toxizität durch die erhöhte Löslichkeit von Aluminium (Al) oder Mangan (Mn) bei sinkendem pH-Wert des Bodens zunimmt (Wright 1989).
Die wichtigsten Prozesse und Gründe für Veränderungen des Boden-pH-Wertes in landwirtschaftlichen Systemen werden im Folgenden beschrieben.
Düngemitteleinsatz
Der Einsatz von mineralischen oder organischen Düngemitteln in der Landwirtschaft erhöht den Nährstoffeintrag in die Böden, und die Form, in der die Nährstoffe ausgebracht werden, sowie ihr Verbleib im System Boden-Pflanze bestimmen die Gesamtauswirkungen auf den Boden-pH-Wert. Makronährstoffe (N, P, Kalium (K) und S) haben die größten Auswirkungen auf den pH-Wert, da sie dem Boden in viel größeren Mengen zugeführt werden als Mikronährstoffe.
Stickstoff
Die Form des Stickstoffs und der Verbleib des Stickstoffs im System Boden-Pflanze ist wahrscheinlich der Hauptfaktor für Veränderungen des pH-Werts im Boden in landwirtschaftlichen Systemen.
Stickstoff kann den Böden in vielen Formen zugeführt werden, aber die vorherrschenden Formen von Dünger-N sind Harnstoff (CO(NH₂)₂), Monoammoniumphosphat (NH₄H₂PO₄), Diammoniumphosphat ((NH₄)₂HPO₄), Ammoniumnitrat (NH₄NO₃), Calciumammoniumnitrat (CaCO₃+NH₄(NO₃)), Ammoniumsulfat ((NH₄)₂SO₄), Harnstoff-Ammoniumnitrat (eine Mischung aus Harnstoff und Ammoniumnitrat) und Ammoniumpolyphosphat (n).
Die wichtigsten N-Moleküle im Hinblick auf die Veränderung des pH-Werts im Boden sind das ungeladene Harnstoffmolekül (0), das Kation Ammonium (NH₄+) und das Anion Nitrat (NO₃-). Die Umwandlung von N von einer Form in die andere ist mit der Erzeugung oder dem Verbrauch von Säure verbunden, und die Aufnahme von Harnstoff, Ammonium oder Nitrat durch die Pflanzen wirkt sich auch auf den Säuregehalt des Bodens aus (Abbildung 1).
Abbildung 1. Bodensäuregehalt und Stickstoffdünger (modifiziert nach (Davidson 1987)). MAP = Monoammoniumphosphat, DAP = Diammoniumphosphat, SoA = Ammoniaksulfat, CAN = Calciumammoniumnitrat, Natriumnitrat
Aus Abbildung 1 ist ersichtlich, dass Düngemittel auf Ammoniumbasis den Boden versauern, da sie für jedes zu Nitrat nitrierte Ammoniummolekül zwei H⁺-Ionen erzeugen. Das Ausmaß der Versauerung hängt davon ab, ob das aus Ammonium erzeugte Nitrat ausgewaschen oder von den Pflanzen aufgenommen wird. Wenn Nitrat von Pflanzen aufgenommen wird, halbiert sich die Nettoversauerung pro Ammoniummolekül im Vergleich zu dem Szenario, in dem Nitrat ausgewaschen wird. Dies ist auf den Verbrauch eines H⁺-Ions (oder die Ausscheidung von OH-) für jedes aufgenommene Nitratmolekül zurückzuführen – dies wird häufig beobachtet, wenn der pH-Wert in der Rhizosphäre steigt (Smiley und Cook 1973). Wasserfreies Ammoniak und Harnstoff haben im Vergleich zu Produkten auf Ammoniumbasis ein geringeres Versauerungspotenzial, da bei der Umwandlung in Ammonium ein H⁺-Ion verbraucht wird. Düngemittel auf Nitratbasis haben kein Versauerungspotenzial und können den pH-Wert des Bodens sogar erhöhen, da bei der Aufnahme von Nitrat ein H⁺-Ion von der Pflanze absorbiert (oder OH- ausgeschieden) wird.
Phosphor
Die Form des dem Boden zugeführten P-Düngers kann den Säuregehalt des Bodens beeinflussen, hauptsächlich durch die Freisetzung oder Gewinnung von H⁺-Ionen durch das Phosphatmolekül in Abhängigkeit vom pH-Wert des Bodens (Abbildung 2). Wird dem Boden Phosphorsäure (PA) zugesetzt, säuert das Molekül den Boden immer an, da H⁺-Ionen freigesetzt werden – ein H⁺-Ion, wenn der pH-Wert des Bodens weniger als ~6,2 beträgt, und zwei H⁺-Ionen, wenn der pH-Wert des Bodens über 8,2 liegt. Monoammoniumphosphat (MAP), Einfachsuperphosphat (SSP) und Dreifachsuperphosphat (TSP) fügen dem Boden P in Form des H₂PO₄-Ions zu, das Böden mit einem pH-Wert über 7,2 ansäuern kann, in sauren Böden jedoch keine Auswirkungen auf den Boden-pH hat. Die Form von P in Diammoniumphosphat (DAP) ist HPO₄²-, das saure Böden (pH<7,2) alkalischer machen kann, aber keine Auswirkungen auf Böden mit einem pH>7,2 hat. Die Hydrolyse von Ammoniumpolyphosphat (APP), bei der sich das als P₂O₇⁴-Molekül vorliegende P in HPO₄²- umwandelt, ist pH-neutral, so dass eine Versauerung durch die Zugabe von P als ähnlich wie bei DAP angesehen werden kann. SSP oder TSP wird manchmal nachgesagt, dass sie den Boden versauern, da die Reaktionsprodukte sehr sauer sind;
Ca(H₂PO₄)₂+ ₂H₂O -> CaHPO₄ + H⁺ + H₂PO₄-
aber in Böden mit einem pH-Wert von weniger als 7.7 neutralisiert die folgende Reaktion die entstandene Säure, so dass es zu keiner Netto-Versauerung kommt;
CaHPO₄ + H₂O -> Ca₂+ + H₂PO₄- + OH-
In Böden mit hohem pH-Wert (pH >7.2) führt die Dissoziation des H+-Ions vom H₂PO₄–Molekül zu einem gewissen Säuregrad.
Die Aufnahme von P durch die Pflanzen hat aufgrund der geringen Mengen an Dünger-P, die in einem Jahr aufgenommen werden, nur geringe Auswirkungen auf den Säuregehalt des Bodens – daher dominiert die Düngerchemie die pH-Veränderungen, und es wurden keine signifikanten Unterschiede im pH-Wert der Rhizosphäre bei der Aufnahme verschiedener Orthophosphat-Ionen beobachtet.
Abbildung 2. Säuregehalt des Bodens und P-Dünger. MAP = Monoammoniumphosphat, DAP = Diammoniumphosphat,
SSP = Einfachsuperphosphat, TSP = Dreifachsuperphosphat, APP = Ammoniumpolyphosphat.
Schwefel
Die Form des dem Boden zugeführten S-Düngers kann den Säuregehalt des Bodens beeinflussen, hauptsächlich durch die Freisetzung von H⁺-Ionen durch den Zusatz von elementarem S (S⁰) oder Thiosulfat (S₂O3²-, in Ammoniumthiosulfat – ATS) (Abbildung 3). Die Mengen an S, die dem Boden zugeführt und von den Pflanzen aufgenommen werden, sind jedoch im Allgemeinen gering im Vergleich zu N.
Abbildung 3. Säuregehalt des Bodens und S-Dünger. S⁰ = elementarer S, ATS = Ammoniumthiosulfat, SoA = Sulfat von Ammoniak.
Für jedes Molekül S⁰, das dem Boden zugeführt wird, entstehen zwei H⁺-Ionen, und diese können durch die Aufnahme von H⁺ durch die Pflanzen ausgeglichen werden (entspricht der Ausscheidung von OH–Ionen) oder durch die Bildung von OH- (eigentlich organische Anionen) innerhalb der Pflanze, um alkalisches Pflanzenmaterial zu bilden („Aschealkalität“). Wo Produkte entfernt werden (was in landwirtschaftlichen Systemen oft der Fall ist), kommt es zu einer Netto-Versauerung des Bodens, wenn S⁰ oder ATS verwendet werden.
Kalium
Die Form, in der K dem Boden zugeführt wird – entweder Kaliummurat (KCl) oder Kaliumsulfat (K₂SO₄) – hat keinen Einfluss auf die Versauerung des Bodens.
Versauerung durch Microessentials-Produkte