Kupfergehalte in Acker- und Grünlandböden und das Verhältnis dieser Gehalte zu den durch Pflanzenschutz ausgebrachten Kupfermengen

Copper Contents in Crop and Grassland Soils and their Relation to Copper Loads from Plant Protection

Reimann et al. (2003) ermittelten Medianwerte (Gesamtgehalte) von 8 für Ober- und 7 mg Cu/kg für Unterböden in Nordeuropa. Höchstwerte von 142 bzw. 276 mg Cu/kg wurden in den entsprechenden Bodenschichten bestimmt.

Kritische Kupfergehalte in Böden finden Ausdruck im Vorsorgewert der BBodSchV (Gesamtgehalt in mg Cu/kg), der für Sand bei 20, Lehm/Schluff bei 40 und Ton bei 60 mg Cu/kg Boden (TM) liegt. Die Aufbringung von Klärschlamm auf landwirtschaftlich oder gärtnerisch genutzte Böden ist nach Maßgabe von § 4 Abs. 8 AbfKlärV nur erlaubt, sofern der Gesamt-Cu-Gehalt im Boden unter 60 mg/kg liegt, das Gleiche gilt nach § 9 Abs. 2 BioAbfV für die Aufbringung von Bioabfällen.

Kupfer entstammt primären, meist dunklen (Fe- und Mn-haltigen) Mineralen sowie sekundären Kupfermineralen (sulfidische und oxidische Erze, z.B. Cu₂S und CuFeS₂ in Magmatiten). Entsprechend der geologischen Situation können die Hintergrundgehalte in Ackerböden stark variieren (Tab. 2).

Durch Verwitterung freigewordenes ebenso wie durch Düngung zugeführtes Cu²⁺ wird im Boden stark sorbiert / fixiert bzw. ausgefällt, insbesondere an Fe- und Mn-Oxiden, bzw. durch Komplexbildung (Chelatisierung) mit hochmolekularer unlöslicher organischer Substanz (Humus) (Amberger, 1996; Finck, 2007). In Ackerböden liegt es zu etwa 60% in organischer Bindung vor (Schilling, 2000).

Der austauschbare Anteil des Kupfers ist bei pH-Werten >5 in der Regel kleiner als 1% des Gesamtgehaltes und wird mit 0,2-2 mg Cu/kg angegeben, er liegt als Cu²⁺ oder CuOH⁺ vor (Scheffer/Schachtschabel 1998; Finck, 2007).

Verlässliche Methoden zur Bestimmung des pflanzenverfügbaren Cu-Gehaltes im Boden auf Basis der Beziehung zum Cu-Gehalt der Kulturpflanzen stellen die Extraktionen mittels 0.43 M HNO₃ nach Westerhoff (1954) und in 0.1 M HCl nach Boenig und Heigener (1956) dar. Extraktionsverfahren mit nur geringer Extraktionskapazität wie z. B. CaCl₂ sind vergleichsweise am schlechtesten geeignet, da sie den tatsächlich pflanzenverfügbaren Anteil an Cu im Boden unterschätzen.

Aufgrund seiner geringen Mobilität reichert sich Kupfer im Boden an. Entsprechend sind auf langjährig für Wein- oder Hopfenanbau (Kulturen bei denen üblicherweise hohe Mengen Cu-haltiger Fungizide zum Einsatz kommen) genutzten Böden Kupfergehalte typisch, die deutlich über den geogenen Hintergrundwerten und auch über den Vorsorgewerten der BBodSchV (20-60 mg Cu/kg) liegen: So geben Scholl und Enkelmann (1984, zitiert nach Bergmann, 1993) Gehalte von 129-420 mg/kg Gesamt-Cu für badische Rebböden an, in Südtirol wurden bis zu 1100 mg Cu/kg in der Krume von Rebböden gefunden (Bergmann, 1993). In Oberböden mehrere Jahrzehnte genutzter Hopfengärten wurden Gehalte zwischen 234 bis über 500 mg Cu/kg gemessen (Schwertmann, 1973 und Bachthaler et al., 1974; zitiert nach Bergmann, 1993).

Mit Cu-Mangel ist bei Blattgehalten von <5 mg Cu/kg zu rechnen. Eine ausreichende Versorgung liegt bei den meisten Kulturpflanzen bei Gehalten von 5-20 mg Cu/kg vor, während Gehalte von >15 bei empfindlichen, >30  bei Obstbäumen und >50 mg Cu/kg bei weniger empfindlichen Kulturen wie Mais auf Cu-Toxizität hinweisen. Cu-Verbindungen weisen durch die Störung der Photosynthese ein ernst zu nehmendes Potential der Phytotoxizität auf (OMRI, 2001).

Generell gilt, dass die Pflanzenanalyse ein Verfahren zur exakten Bestimmung des Versorgungsgrades von Kulturpflanzen mit Nährelementen ist, während die Bodenanalyse nur Näherungswerte liefern kann. Auf Standorten mit geogen oder anthropogen erhöhten Cu-Gehalten lässt sich so die Auswirkung auf die Cu-Aufnahme der Pflanzen verlässlich abschätzen.

Die Cu-Gehalte in Ernteprodukten liegen im Mittel bei 4,1 mg/kg (TM) für Mais, 4,2 mg/kg (TM) für Kartoffeln, 5,2 mg/kg (TM) für Weizen, 8,9 mg/kg (TM) für Zuckerrüben und 12 mg/kg (TM) für Grünland (Groenenberg et al., 2006).

Durchschnittliche Cu-Entzüge über Ernteprodukte variieren zwischen 30 (Getreide) und 140 (Zuckerrüben) g Cu/ha·a (Amberger, 1996). Diese Angaben stimmen mit denen von Groenenberg et al. (2006) überein. Der Cu-Gehalt von Wein (Trauben) liegt im Mittel bei 0,5 mg/kg Trauben (FM), so dass bei einem Ertrag von 15 t/ha nicht mehr als 7 g/ha Cu entzogen werden (Christensen, 2008). Lundsgaard et al. (2002) fordern, dass die im Ökolandbau angewandten Cu-Mengen den Entzug nicht übersteigen sollten, um Anreicherungen im Boden zu vermeiden.

Cu-Frachten aus der Düngung wurden von Lazar und Knappe (2006) für 42 deutsche Modellregionen bilanziert. Berechnet wurden die Cu-Einträge für vier unterschiedliche Düngungsstrategien:

Je nach Strategie liegen die mit der Düngung eingetragenen Kupferfrachten im Mittel zwischen rund 25 und 400 g Cu/ha·a (Tab. 5).

Groenenberg et al. (2006) berechneten einen Cu-Eintrag von 150-300 g/ha·a über Wirtschaftsdünger auf Grünland und Ackerstandorten; über mineralische Düngemittel werden ihren Berechnungen zufolge 10-35 g/ha·a Cu eingetragen. Hinzu kommt ein Eintrag von ca. 11 g/ha·a Cu über atmosphärische Deposition (Groenenberg et al., 2006). OMRI (2001) berechnete einen Anstieg der Cu-Gehalte in der obersten Bodenschicht (0-5 cm) von ca. 0,5 mg/kg durch die Zufuhr von 1 kg Cu pro ha. Eine gute Übereinstimmung zwischen Zufuhr an Cu als Fungizid im Weinbau und der Cu-Anreicherung im Boden bestätigen die Untersuchungen von Magalhaes et al. (1985).

Im Vergleich dazu sind die für den Einsatz Cu-haltiger Pflanzenschutzmittel im Ökolandbau erlaubten Frachten von maximal 3000 (deutsches Privatrecht – Verbandsrichtlinien) bzw. 6000 (EU-Recht) g Cu/ha·a um ein Vielfaches höher. Dies gilt auch für die im Strategiepapier angegebenen durchschnittlichen tatsächlichen Aufwandmengen von 2500 g Cu/ha·a. Die auf ökotoxikologischer Basis abgeleitete zulässige Zusatzfracht nach BBodSchV liegt bei 360 g/ha·a Cu, d.h. rund ein Zehntel dessen, was die deutschen Ökoverbände als Pflanzenschutzmittel (PSM) erlauben.

Cu-Anreicherung auf landwirtschaftlichen Böden sowie Cu-Auswaschung und der unvermeidliche Cu-Eintrag in benachbarte Ökosysteme und Wasserkörper ist aus den nachfolgenden Gründen kritisch zu bewerten: Gesteigerte Mengen an Cu, die dem Boden zugeführt wurden, reduzierten die mikrobielle Aktivität signifikant (El-Ramady, 2008). Hiervon betroffen waren in der vorliegenden Untersuchung die Anzahl an heterotrophen Bakterien, Actinomyceten und Pilzen. El-Ramady (2008) fand zudem eine um bis zu 56% reduzierte Dehydrogenase-Aktivität bei Mais und 62% bei Raps nach Zufuhr gesteigerter Cu-Mengen. Die alkalische Phosphatase-Aktivität verringerte sich in den Böden um ca. 17% bei beiden Kulturen (El-Ramady, 2008). Die Ursache für die Toxizität von Cu auf Pilze wird in seiner Fähigkeit zur Denaturierung von Proteinen und Reduzierung der Enzymaktivität vermutet. Besondere Beachtung sollten den Untersuchungen von Berg et al. (2005) geschenkt werden, die eine signifikante Häufung antibiotika-resistenter Bakterienstämme auf Cu-behandelten Flächen nachweisen konnten. Die weitläufige Anwendung von Cu-Sulfat führte in den Untersuchungen von Pimental (1981) zur vollständigen Eliminierung großer Regenwürmer.

Knolle (2008) fand in seinen Untersuchungen mit 102 µg Cu/L signifikant erhöhte Kupfergehalte in Trinkwässern im Vergleich zu Mineralwässern mit im Mittel 3,45 µg Cu/L und interpretierte dieses Ergebnis dahingehend, dass neben Kupferleitungen die Verwendung Cu-haltiger Dünge- und Pflanzenschutzmittel einen bedeutenden Eintrittspfad darstellt. Insbesondere in Weinanbaugebieten in Hanglagen sollten nicht nur die Cu-Verluste über Auswaschung, sondern auch die über Erosion Beachtung finden. So ermittelten Farsang et al. (2005) einen mittleren Anreicherungsfaktor von Cu in ausgewaschenen Sedimenten im Vergleich zum Boden von 1,15 in einem hügeligen Weinanbaugebiet in Ungarn. Nicht nur bei Böden, sondern auch bei Wasser ist eine Anreicherung von Cu kritisch zu betrachten, da erhöhte Mengen an Cu in Trinkwasser bei Säuglingen zu chronischer Kupfervergiftung und dadurch ausgelösten Lebererkrankungen führen können (Kittel, 2006). Auch bei weniger kupferexponierten Personen beobachtete Kittel (2006) eine echte Hypercuprämie.