Ist Phosphat eine knappe Ressource?

P-Dünger sind essentiell für die Ernährungssicherung

Phosphor findet sich in allen uns bekannten Lebewesen, in jedem biologischen Organismus. Auf den Feldern lässt er als Dünger deshalb Getreide, Mais oder andere wichtige Pflanzen für Mensch und Tier gedeihen. Phosphor stabilisiert Zellwände, bildet Knochen, transportiert Energie und ist ein unerlässliches Baumaterial unserer DNA. Alles, was lebt, muss Phosphor zu sich nehmen.

Phosphat ist ein wesentlicher Bestandteil der landwirtschaftlichen Dünge-Praxis.

Foto: agrar-press

Schon lange bevor die Wissenschaft im 19. Jahrhundert herausfand, dass (neben anderen Elementen) Phosphor für das Pflanzenwachstum und damit für die Sicherung der Ernährung essenziell (d.h. nicht ersetzbar) ist, wurde Wirtschaftsdünger gesammelt und auf den Feldern ausgebracht. Dieser Nährstoffkreislauf drohte unterbrochen zu werden, als vor allem in den Städten die Exkremente in Kanalisationen gesammelt und in die Flüsse geschwemmt wurden.

Eine beispiellose Erfolgsgeschichte

Nach dem Ende des 2. Weltkriegs kam die Industrialisierung der Landwirtschaft. Bauern auf der ganzen Welt hatten damit begonnen, ihre Felder mit mineralischem Dünger, der vor allem die Elemente Stickstoff, Kalium und Phosphor enthält, zu versorgen. Seither übertrafen die Ernteerträge alles, was die Menschheit bis dahin gesehen hatte. Man sah Phosphor nicht als endlichen Rohstoff – sondern als Teil einer beispiellosen Erfolgsgeschichte.

Felddüngungsversuche mit Superphosphat an Zuckerrüben ergaben im Jahr 1859 einen Rekordertrag von 189,4 Zentner pro Morgen. Der ungedüngte Zuckerrübenanbau eines Ackerstücks erreichte dagegen lediglich 90,1 Zentner pro Morgen.

Aber wie ist die Situation heute? Seit dem Jahr 1900 hat sich die Weltbevölkerung mehr als vervierfacht. Ohne mineralische Düngung wäre es unmöglich, knapp acht Milliarden Menschen zu ernähren. Die Hälfte dessen, was wir heute an Nahrungsmitteln produzieren, geht auf die Düngung zurück, schätzen Experten. Ohne permanente Phosphat-Düngung würden die Erträge auf den Feldern unserer Erde rapide zurückgehen – und dass innerhalb kürzester Zeit.

Phosphat ist in Mineralien und Gesteinen gebunden

Phosphor kommt in der Natur nicht elementar vor, sondern ist in Form von Phosphat in Mineralien und Gesteinen gebunden. Für die Herstellung von Phosphor und Phosphorverbindungen sind die bedeutendste Mineralgruppe die Apatite. 95 Prozent des Phosphors ist in Apatiten gebunden.

Phosphor ist eine begrenzte Ressource mit einem Massenanteil von etwa 0,1 Prozent in der Erdkruste. Die vorhandenen Phosphorreserven reichen rein rechnerisch noch einige Jahrhunderte zur Deckung des Bedarfs, jedoch nimmt die Verfügbarkeit der leicht abbaubaren Phosphat-Erze mit geringen Schwermetallgehalten kontinuierlich ab. Außerdem beschränken sich die natürlichen Phosphor Vorkommen auf wenige Länder, wobei einige Exportländer wie China, Russland oder USA die Ausfuhr zunehmend reglementieren und einschränken.

Starke Importabhängigkeit

Andere Phosphor-Lagerstätten befinden sich in politischen Krisengebieten, wodurch kurzfristige Lieferengpässe nicht auszuschließen sind. Da sich die Phosphor-Vorkommen in Europa lediglich auf ein kleines Gebiet in Finnland beschränken, ist Europa vollständig von den Importen aus anderen Staaten abhängig.

Global betrachtet liegt der Hauptbedarf mit ca. 85 Prozent in der Düngemittelindustrie. Der restliche Anteil der hergestellten Phosphate wird in dem Bereich der Tierernährung, Lebensmittelindustrie sowie der technischen Industrie verwendet.

Phosphat im Boden

Im Boden ist Phosphor ähnlich wie Kalzium in der Lage, Bodenkolloide direkt auszufällen und zu stabilen Bodenkrümeln zu verkitten und verbessert dadurch die Bodenstruktur. Eine ausreichende Phosphatversorgung fördert dadurch das Wurzelwachstum und damit das Wasserspeichervermögen eines Bodens, wodurch auch die Bodenerosion verringert wird.

Die hohe Bindungsfähigkeit des Phosphats an Bodenoberflächen verhindert fast vollständig eine Verlagerung in tiefere Bodenschichten. Anders als etwa bei Stickstoff wird gedüngtes Phosphat im Boden absorbiert: Es verbleibt, wo es auf- oder eingebracht wurde.

In unseren Böden liegt das Phosphat in verschiedenen Zustandsformen vor. Nur ein sehr geringer Teil befindet sich Pflanzen aufnehmbar in der Bodenlösung. Dies sind auf den Hektar umgerechnet 1 bis 10 kg P2O5. Ein größerer Teil ist zwar nicht gelöst, kann aber schnell in Lösung gehen. Man sagt, das Phosphat befindet sich in einem labilen Zustand. Der größte Teil des Bodenphosphats, das sind zwischen 3000 und 6000 kg P2O5/ha, ist dagegen schwer mobilisierbar und kann mit zunehmender Alterung im Extremfall so stabil werden, dass es zur Phosphatnachlieferung ausscheidet.

Phosphatbedarf in kurzer Zeitspanne im Frühjahr

Da die Pflanze das Phosphat aus der Bodenlösung aufnimmt, ist die Geschwindigkeit entscheidend, mit welcher der Boden das Phosphat an die Bodenlösung abgibt. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von der P-Nachlieferung. Es ist leicht verständlich, dass hohe Erträge eine hohe Nachlieferung erfordern, zumal die Pflanzen den größten Teil ihres Phosphatbedarfs in einer sehr kurzen Zeitspanne im Frühjahr benötigen.

Dazu ein Beispiel: Ein Getreidefeld nimmt innerhalb von 20 Tagen zwischen Bestockung und Ährenschieben 45 kg P2O5/ha auf. Dies entspricht einer P-Aufnahme von etwa 2 kg P2O5/Tag und unterstreicht die Bedeutung einer hohen P-Nachlieferung im intensiven Ackerbau.

Phosphat in der Pflanze

Der Mais links im Bild wurde mit allen Nährstoffen versorgt, den Pflanzen rechts wurde lediglich Phosphat vorenthalten.

Foto: Breuer

Mineralische P-Dünger und ihre Zukunft

Nach Angaben der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe wurden im Jahr 2010 weltweit 184 Mio. t Phosphatgestein im Bergbau gefördert. Davon gehen weltweit über 90 Prozent als Dünger oder Futtermittel in die Landwirtschaft. Preissprünge wegen Lieferengpässen haben in letzter Zeit das Interesse der Öffentlichkeit auf eine Frage gelenkt, die in wissenschaftlichen Gremien schon seit Jahren diskutiert wird: Werden auch zukünftige Generationen noch über genügend Phosphorreserven verfügen, um damit ausreichend Nahrungsmittel für die Weltbevölkerung zu produzieren?

Der Abbau konzentriert sich auf vier Produzentenländer wie China als größter Produzent mit 37 Prozent gefolgt von Marokko, USA und der Russischen Föderation. Derzeit liegen die gut erkundeten, wirtschaftlich gewinnbaren Vorräte bei 71. Mrd. t, was bei einem Verbrauch von 185 Mio. t/Jahr eine Reichweite von 386 Jahren ausmacht. In Zukunft ist davon auszugehen, dass die USA, China und die Russische Föderation ihre Vorräte im eigenen Land verbrauchen werden. Alleine Marokko wird mit seinen großen Vorräten die EU und vor allem die wachsenden Länder Asiens, wie Indien beliefern.

Der Phosphatgehalt, des in naher Zukunft geförderten Phosphatgesteins, wird geringer werden, da die ertragreichen Minen ausgebeutet sind. Ferner werden die Schwermetallgehalte im Gestein steigen, hier besonders Cadmium.

Phosphordüngung in der deutschen Landwirtschaft

Die Ausscheidungen der Städter landeten früher in der Kanalisation und anschließend in Flüssen, Seen oder im Meer. In den heutigen Klärwerken endet der größte Teil des Phosphors, und zwar im Klärschlamm. Dieser ist jedoch mit Schwermetallen, künstlichen Hormonen, Kunststoffen und Arzneimittelrückständen belastet. In Deutschland gelangt deshalb nur weniger als die Hälfte des Klärschlamms auf die Felder – Tendenz fallend. Der Rest wird verbrannt, weshalb der wertvolle Rohstoff Phosphor mit der Asche letztlich auf Deponien landet.

Die neuen Regelungen zur Phosphorrückgewinnung und zur Einschränkung der bodenbezogenen Verwertung für große Kläranlagen sind mit Übergangsfristen versehen (Klärschlammverordnung 2017). So darf eine Kläranlage mit > 100.000 Einwohnerwerten (EW) nach in Kraft treten der Verordnung noch zwölf Jahre (2029), eine mit > 50.000 EW nur noch 15 Jahre (2032) den Klärschlamm landwirtschaftlich und landbaulich verwerten.

Nach diesen Übergangsfristen bleibt ausschließlich die Verbrennung samt Phosphorrückgewinnung. Die Klärschlammerzeuger haben die Pflicht, ihrer zuständigen Behörde bis spätestens Ende 2023, einen Bericht über die geplanten und eingeleiteten Maßnahmen zur Phosphorrückgewinnung vorzulegen.

Durch die gesetzlichen Vorgaben werden in naher Zukunft Möglichkeiten geschaffen, Klärschlamme thermisch zu verwerten, aus den anfallenden Aschen könnte fast die Hälfte des mineralischen P-Dünger Bedarfs in Deutschland gedeckt werden. Es wird spannend, wie sich der Markt für Phosphatdüngemittel entwickelt.