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Originalarbeit

Erhebung von Kupfergesamtgehalten in ökologisch und konventionell bewirtschafteten Böden. Teil 2: Gesamtgehalte in Böden deutscher Hopfenanbaugebiete

Monitoring of total copper contents in organically and conventionally managed soils. Part 2: Total contents in German hop soils

Thomas Strumpf1, Bernhard Engelhard2, Florian Weihrauch2, Frank Riepert1 und Anna Steindl1
Institut
Julius Kühn-Institut – Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen, Institut für ökologische Chemie, Pflanzenanalytik und Vorratsschutz, Berlin1
Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, Hopfenforschungszentrum, Wolnzach-Hüll2

Journal für Kulturpflanzen, 63 (5). S. 144–155, 2011, ISSN 0027-7479, DOI: 10.5073/JfK.2011.05.02, Verlag Eugen Ulmer KG, Stuttgart

Kontaktanschrift
Dr. Thomas Strumpf, Julius Kühn-Institut – Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen, Institut für ökologische Chemie, Pflanzenanalytik und Vorratsschutz, Königin-Luise-Str. 19, 14195 Berlin, E-Mail: thomas.strumpf@jki.bund.de
Zur Veröffentlichung angenommen
3. Februar 2011

Zusammenfassung

Neun Hopfenlagen an konventionell und vier an ökologisch bewirtschafteten Standorten wurden unter den Aspekten einer möglichst repräsentativen Erfassung der Kupfer-Belastungsverteilung beprobt. Das Ergebnis der Erhebung soll als Grundlage für die Auswahl gebietstypischer Anbausituationen dienen, die in Verbindung mit einer spezifischen Expositionsermittlung die Erfassung der Auswirkung von Kupfer auf empfindliche Indikatorarten der jeweiligen Regenwurmzönose ermöglicht.

Auf der Basis von Kupfergesamtgehalten werden Belastungs­situation und -verteilung auf Prüfflächen und Referenzflächen sowie Belastungsunterschiede zwischen Hopfenreihen und Fahrgassen in deutschen Hopfen­anbaugebieten dargestellt.

Aus der Bewirtschaftungshistorie der Beprobungs­flächen resultieren Schwermetallbelastungen (As, Cr, Pb, Zn, V). Die analysierten Schwermetallbodengehalte unterscheiden sich von Fläche zu Fläche, was auf unterschiedliche anbautechnische Maßnahmen bei den einzelnen Flächen in der Vergangenheit zurückzuführen ist.

Bei der Belastungserhebung konnte durch Verknüpfung von Daten zur Bewirtschaftungsgeschichte mit vorhandenen Flächenbelastungen in Verbindung mit aufgefundenen Literaturstellen erstmalig nachgewiesen werden, dass diese Belastungsspitzen aus den Jahren 1924 bis etwa 1965 resultieren, als noch 60 kg Kupfer pro Jahr und Hektar zur Schaderregerbekämpfung im Hopfenbau angewendet wurden.

Anhand der erhobenen Daten zur Belastungssituation, Standortbeschreibung und Bewirtschaftungsdauer werden drei Hopfenlagen vorgeschlagen, auf denen eine biologische Statuserhebung zu den Auswirkungen auf die Regenwurmzönose durchgeführt werden sollte.

Stichwörter: Kupfergesamtgehalte, Bekämpfung von Pilzkrankheiten, Falscher Mehltau bei Hopfen, Pseudo peronospora humuli, ökologisch oder konventionell  bewirtschaftete Hopfenböden, Belastungsverteilung, Risikopotential, Risikoabschätzung, Vorauswahl geeigneter Erhebungsflächen

Abstract

Soil samples were taken from 9 conventionally and 4 organi­cally managed hop growing sites, considering all aspects that are relevant for a representative assessment of copper loads. The result of this survey is intended to enable the selection of characteristical cultivation types for each site, which, in combination with a refined exposure analysis, are a prerequisite for the assessment of the effects of copper on earthworm coenoses.

Based on total contents, the copper load and its distribution on test and reference fields of German hop cultivation sites is presented. Additionally, the heavy metal content was determined in general, and differences in copper contents between and within hop rows were identified.

The management history of the hop sites led to additional heavy metal soil contamination (As, Cr, Pb, Zn, V). Due to different cultural measures exercised in the past, the analyzed total heavy metal contents differ between growing regions.

Comparing literature with managing history and current management, it is obvious that peaks of contamination result from applications between 1924 and 1965, when for the control of plant diseases up to 60 kg copper per ha and year were used.

The collected data concerning load situation, site descrip­tion and duration of management suggest that three hop sites are appropriate for a biological assessment of soil ­qua­lity and its recent impact on earthworm coenoses.

Key words: Total content of copper, control of fungi, hop  downy mildew, Pseudoperonospora humuli, organically and conventionally managed hop soils, load situation  in hop culture, risk potential, exposure assessment, pre-selection of adequate monitoring areas

1 Hintergrund und Zielsetzung der Untersuchungen

Kupferhaltige Präparate werden seit etwa 120 Jahren in Deutschland gegen Pilzkrankheiten wie den Falschen Mehltau an Weinrebe und Hopfen oder die Kraut- und Knollenfäule an der Kartoffel eingesetzt. Sie gehören damit zu den ältesten Pflanzenschutzmitteln. Seit längerem stehen kupferhaltige Pflanzenschutzmittel im Zentrum von Diskussionen um eine nachhaltige Land­bewirtschaftung. In mehreren Fachgesprächen, zuletzt beim BMELV-Workshop „Kupfer im Pflanzenschutz“ am 17. März 2010, wurden Risiken und Nutzen von Anwen­dungen kupferhaltiger Mittel dargestellt. Vor dem Hintergrund der kritischen Bewertung der Wirkungen von Kupfer auf Bodenorganismen einschließlich Wirbeltiere im Zulassungsverfahren und gegensätzlichen Beobachtungen bei Feldbegehungen wurde der Bedarf nach einer aktuellen Erarbeitung einer differenzierten Übersicht über die Höhe der Kupfergesamtgehalte anhand von Felderhebungen in Dauerkulturen wie dem Hopfen und zu ihren ökologischen Auswirkungen sowie einer fachlich fundierten Erfassung biologischer Parameter in wich­tigen Anwendungsbereichen hervorgehoben.

Die Untersuchungsschritte sind Grundlage zur Auswahl geeigneter Monitoringflächen gemäß RICHTLINIE DER KOMMISSION 2009/37/EG vom 23. April 2009 (Auflage von Programmen zur Überwachung gefährdeter Gebiete durch Zulassungsinhaber).

Bei einer Risikobetrachtung sind neben der Erfassung der Intensität der Kupferapplikationen auch weitere Einflussgrößen wie z.B. Standortbedingungen, Bewirtschaftungsweise (Begrünung, Mulchen) und Bewirtschaftungshistorie zu berücksichtigen. Die Vorbeprobung von Hopfenflächen an ökologisch oder konventionell bewirtschafteten Standorten unter den Aspekten einer repräsentativen Erfassung der Belastungsverteilung ist Teil eines Monitoringprogramms, das mit der Expositionsermittlung die Erfassung empfindlicher Indikatorarten der jeweiligen Regenwurmzönosen (DIN ISO 2006, 2007) verbindet.

Da bereits aus früheren Untersuchungen im Hopfenbau (Bauchhenss und Rossbauer, 1988) bekannt ist, dass neben den Pflanzenschutzmaßnahmen auch die Bodenbearbeitung und Bodenbegrünung großen Einfluss auf Regenwürmer nehmen können, gilt es mit Hilfe einer geeig­neten Auswahl von Vergleichsflächen zu klären, welchen Einfluss der Kupfergehalt im Boden unter realistischen Bedingungen im ökologischen Landbau auf die Regenwurmzönose hat und ob die vorliegenden Ableitungen kritischer Bodenkonzentrationen von Kupfer (Belotti, 1997; Belotti, 1998; Jänsch et al., 2007) allgemeingültigen Charakter haben oder abhängig von der Bewirtschaftungsweise zu betrachten sind.

2 Methoden

Das Vorhaben gliedert sich in drei Phasen

• Planungs- und Abstimmungsphase:

Auswertung der vorhandenen Literaturstudien zur Belastungssituation durch Kupfer im Wein-, Obst- und Hopfenbau (JKI, 2009; Jänsch und Römbke, 2009).

Erarbeitung eines Identdatenblatts (Fragebogens) zur Bestandsaufnahme (z.B. Nutzungsvergangenheit der Flächen, Bewirtschaftung, Cu-Einträge als PSM, Düngemaßnahmen). Damit war es möglich, die Bewirtschaftungshistorie jeder Fläche mit den analysierten Kupfer-Belastungen zu verknüpfen.

• Vorauswahl der Beprobungsflächen/Erhebung der Belastungsverteilung/chemisches Monitoring:

Repräsentative Erfassung der Belastungsverteilung der Höhe der Kupfergesamtgehalte in Hopfenböden anhand von Felderhebungen. Beprobungen von Hopfenlagen in Hopfenbaugebieten in Baden-Württemberg (Anbaugebiet Tettnang), Bayern (Anbaugebiete Hallertau, Hersbruck, Spalt) und Sachsen-Anhalt/Sachsen (Anbaugebiet Elbe-Saale).

• Versuchsauswertung, Berichterstattung und Unterbreitung von Vorschlägen zur Auswahl der Beprobungsflächen für ein biologisches Monitoring.


Die für eine spätere Freilanderhebung der Regenwurm­zönose vorzuschlagenden Beprobungsflächen sollen das Spektrum unterschiedlicher Kupferbelastungssituationen in der Kultur Hopfen abbilden und der Erarbeitung aktueller Daten zu den Auswirkungen der Kupfergehalte in Böden im Hopfenbau auf das Bodenleben im Sinne des „Strategiepapiers zum Einsatz von Kupfer als Pflanzenschutzmittel in der Landwirtschaft unter besonderer Berücksichtigung des ökologischen Landbaus“ dienen. Darauf basierend werden Standorte unterschiedlicher Kupfergehalte vorgeschlagen, die unmittelbar neben den ökologischen und/oder konventionell bewirtschafteten Prüfflächen je Standort auch passende posi­tive und negative Referenzflächen besitzen.

2.1 Zusammenarbeit mit Betrieben

Die Planungs- und Abstimmungsphase einschließlich einer abgestimmten Identifizierung relevanter Schichtungs­kriterien für den Erhebungsplan und die Vorauswahl der Bepro­bungsflächen erfolgte unter Einbindung des Hopfen­pflanzerverbandes Hallertau e.V. und dem Hopfenforschungszentrum der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL).

Die Fragebögen zur Bestandsaufnahme wurden gemeinsam mit den beteiligten Betrieben ausgefüllt.

2.2 Vorauswahl der Beprobungsflächen/Erhebung der Belastungsverteilung

Insgesamt wurden vier ökologisch bewirtschaftete und neun konventionell bewirtschaftete Hopfenlagen bestehend jeweils aus Prüffläche, Referenzfläche und Kontroll­fläche zur Erfassung der Hintergrundbelastung von Kupfer je Standort beprobt. Der Einfluss von Kupferspritzungen bei Pseudoperonospora-Behandlungen auf die Cu-Bodengehalte am Hopfenstock und mittig in der Fahrgasse wurde durch ausgewählte Einzelbeprobungen von Prüfflächen berücksichtigt.

Dauerbeobachtungsflächen. Von der LfL wurden dem JKI unterschiedliche Dauerbeobachtungsflächen für die Probe­nahme vermittelt (Tab. 1).

Tab. 1. Beprobte Hopfen-Dauerbeobachtungsflächen in Bayern

Anbaugebiet

Code

Prüffläche

Referenzfläche

Spalt

BY_09

x

x

Hallertau

BY_04

x

 
 

BY_05

 

x

 

BY_07

x

 
 

BY_08

 

x

 

BY_10

 

x

Begriffsbestimmungen zu den einzelnen Prüfgliedern. Prüffläche“: Die Prüffläche ist eine seit längerem in Nutzung stehende Fläche (Abb. 1).

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Abb. 1. Prüfflächen mit unterschiedlicher Nutzungsdauer in einer bayerischen Hopfenlage im Bereich Hallertau. Analysierte Cu-Gesamt­gehalte für den Bodenhorizont 0–20 cm als Mittelwert der Fläche

Referenzfläche“ Eine aus der Bewirtschaftung genommene Fläche, auch als Hopfenbrache bezeichnet, ist die Referenzfläche oder auch positive Kontrolle (Abb. 2)

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Abb. 2. Referenzflächen (Hopfenbrachen) mit unterschiedlicher Stillegungsdauer in verschiedenen bayerischen Hopfenlagen. Analysierte Cu-Gesamtgehalte für den Bodenhorizont 0–20 cm als Mittelwert der Fläche.

Kontrollfläche“ Eine nach bestem Wissen niemals hopfenbaulich genutzte Fläche ist die Kontrollfläche (neg. Kontrolle).

Mit dem Begriff Hintergrundfläche sollte im Zusammenhang mit der Definition der Prüfglieder vorsichtig umgegangen werden, da vor den Cu-Gehaltsbestim­mungen nicht bekannt ist, ob die Kontrollfläche überhaupt Gehalte aufweist, die im Bereich der Erwartungswerte möglicher geogener Hintergrundgehalte liegen. Kontrollflächen, deren Gehalte deutlich über dem Erwartungswert für die Hintergrundbelastung liegen, bleiben im Sinne der ersten Zuordnung zwar Kontrollflächen, scheiden aber als zukünftige Beprobungsflächen aus (Abb. 3).

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Abb. 3. Kontrollflächen (Hintergrundflächen) in verschiedenen bayerischen Hopfenlagen. Analysierte Cu-Gesamtgehalte für den
Bodenhorizont 0–20 cm als Mittelwert der Fläche.

2.3 Dokumentation der Beprobungsflächen

• Photographische Dokumentation, hochgenaue Einmessung von Beprobungspunkten im Gelände (GPS-Bemaßung) und Probenahme.

• Verknüpfung der analysierten Kupfer-Belastungen mit der Bewirtschaftungshistorie der Fläche über ein Daten­blatt zur Bestandsaufnahme. Die Datenblätter mit den Angaben zur Bewirtschaftung, Flächennutzungs­dauer, Flurgestaltung, und zu Kultur- und Pflanzenschutzmaßnahmen stellen neben den gewonnenen Analysedaten eine wichtige Entscheidungshilfe für Vorschläge zur Auswahl geeigneter Monitoringflächen auf der Grundlage einer entwickelten ganzheitlichen Bewertungsmatrix dar.

• GIS-basierte räumliche Auswertung und Darstellung der Versuchsergebnisse inkl. Visualisierung beprobter Hopfenlagen.

2.4 Methodik zur Erhebung der Belastungsverteilung

Die Probennahme auf den Prüf- und Referenzflächen erfolgte in Anlehnung an die Regeln der Probennahme für landwirtschaftlich genutzte Böden (DIN ISO, 2003, 2004) durch diagonale Beprobung jeder Einzelfläche (fünf Punkte pro Fläche mit nachfolgender Einzel­bestimmung der Gesamt- und bioverfügbaren Kupfer­gehalte sowie bodenkundlicher Basisparameter; Korn­größe als Mischprobe der Einzelproben pro Fläche). Der Entwurf des „Leitfaden zur Koordinierung der Moni­toringaktivitäten der Untersuchungen zum Belas­tungszustand von landwirtschaftlich genutzten Flächen infolge von Anwendungen mit kupferhaltigen Pflanzenschutzmitteln (Stand: 26.04.2010)“ des BVL wurde berück­sichtigt.

Die angewandte Methodik und der aus der Machbarkeitsabschätzung gewonnene Erkenntnisfortschritt wurden bereits publiziert (Riepert et al., 2010).

2.5 Entnahme von Bodenproben für die Horizonte 0–5 cm, 0–20 cm und 5–20 cm

Bei den Beprobungen wurden von Prüf- und Refe­renz­flächen an jeweils 5 in gleichen Abständen diagonal über die Fläche verteilten Probenahmestellen (Wieder­holungen) Probenpaare von Bohrkernen aus 0–5 cm und 0–20 cm bzw. 0–5 und 5–20 cm Bodentiefe gewonnen.

Die Beprobungen erfolgten zwischen den Hopfenpflanzen auf dem angehäufelten Boden. Die Boden­proben von Fahrgassen wurden in unmittelbarer Nähe zwischen den Pflanzreihen gezogen. Für den Boden­horizont 0–5 cm erfolgte die Probenahme mit einem „Maulwurfbohrstock“ (s. Abb. 4 unten rechts – größere Bohr­löcher). Die Beprobung der Horizonte 0–20 cm und 5–20 cm erfolgte mit einem „Pürckheimer“ (s. Abb. 4 unten mittig – kleinere Bohrlöcher). Es erfolgten für jede Bodentiefe pro Probungspunkt drei Ein­stiche, die zu einer Mischprobe vereinigt wurden, um genug Boden­material für die erforderlichen Analysen im Labor (Messproben) zur Verfügung zu haben.

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Abb. 4. Probenahme in Bodentiefen 0–5 und 0–20 cm auf konventionell bewirtschafteten Prüfflächen während der Frühjahrsbestellung (April 2010) in einem Hopfengarten im Hopfenbaugebiet Elbe-Saale.

Bei den Prüfflächen wurden zusätzlich die Fahrgassen beprobt. Bei den Kontrollflächen wurden die Einzel­proben zu einer Mischprobe vereinigt. Insgesamt ergaben sich so 436 Messproben.

2.6 Erzeugung von Analysedaten gewonnener Boden­proben im Labor

Insgesamt wurden Bodenproben von 22 Prüf-, 12 Referenz- und 16 Kontrollflächen aus den Bodenhorizonten 0–5 cm, 0–20 cm oder 5–20 cm zur Analyse der Gesamtgehalte in Königswasser und bodenkundlicher Basis­parameter (pH-Wert, org. Substanz, C/N-Verhältnis) im Labor entnommen. Für jede Beprobungsfläche wird die Bodentextur (Korngröße) ermittelt. Die Beprobungen erfolg­ten im April/Mai 2010. Die Analyse der Gesamt­gehalte in Königswasser (VDLUFA, 1991a) erfolgte mittels ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry) mit einem IRIS Intrepid®.

Die Korngröße wurde nach DIN, 1997 bestimmt. Die Bestimmung der Bodenart der Beprobungsstandorte erfolgte nach DIN 2008 im Dreieckskoordinatensystem.

Die Bestimmung von Kohlenstoff- (DIN ISO, 1996) und Stickstoffgehalt (DIN ISO, 1998) erfolgte mit einem CNS-Elementaranalysator Vario EL. Die Bestimmung des pH-Wertes (VDLUFA, 1991b) wurde ebenfalls im Labor durchgeführt.

3 Ergebnisse und Diskussion

3.1 Erhebungsumfang

Insgesamt wurden vier ökologisch bewirtschaftete und neun konventionell bewirtschaftete Hopfenlagen in die Belastungserhebung einbezogen und somit eine umfas­sende Abbildung der Belastungsverteilung erhalten (Tab. 2, Abb. 5).

Tab. 2. Anzahl beprobter ökologisch oder konventionell bewirtschafteter Hopfenbaubetriebe in deutschen Hopfenanbaugebieten

Anbaugebiet

Hopfenbaubetriebe

 

ökologisch

konventionell

Tettnang

1

1

Hallertau

2

4

Hersbruck

1

1

Spalt

 

1

Elbe-Saale

 

2

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Abb. 5. Beprobte Betriebe in deutschen Hopfenanbaugebieten (jeweils mindestens eine Prüffläche + Referenzfläche + Kontrollfläche zur Erfassung der Hintergrundbelastung von Kupfer pro Standort).

Es wurden ausschließlich Praxisbetriebe beprobt, um den realen Gegebenheiten in der hopfenbaulichen Praxis zu entsprechen. In den Anbaugebieten Spalt und Elbe-Saale existierte 2010 kein ökologisch wirtschaftender Betrieb.

3.2 Versuchsauswertung auf der Basis von Gesamtgehalten

Die Auswertung der vorliegenden Daten führt zu einer aktuellen Zustandserhebung für die deutschen Hopfenbaugebiete auf der Basis des Verbleibs von Kupfer (Gesamtgehalte). Auf der Grundlage der bestimmten Gesamtgehalte können folgende Punkte geklärt werden:

a) Belastungssituation in den einzelnen deutschen Hopfenanbaugebieten

b) Vergleich Belastungssituation ökologisch/konventionell bewirtschaftete Hopfenflächen

c) Belastungsverteilung auf Prüfflächen und Referenz­flächen

d) Einfluss von Kupferanwendungen auf die Bodengesamtgehalte zwischen Hopfenstöcken und Hopfen­reihen

3.3 Belastungssituation in deutschen Hopfenbaugebieten

Aus Abb. 6 ist ersichtlich, dass die Kupfer-Belastung in den einzelnen Anbaugebieten unterschiedlich hoch ist. Die höchsten Kupfergehalte weisen hopfenbaulich genutzte Böden in Bayern auf. Ursache dafür sind Unterschiede in der Bewirtschaftungsdauer zwischen den einzelnen Anbau­gebieten. So sind z.B. in dem Gebiet Elbe-Saale die Hopfenflächen erst seit 30 bis 60 Jahren bepflanzt. In den Anbaugebieten der neuen Bundesländer wurden aus ökonomischen und politischen Gründen über 40 Jahre keine Kupferpräparate im Hopfenbau eingesetzt. Kupferhaltige Pflanzenschutzmittel mussten aus dem nicht­sozia­listischen Währungsgebiet importiert werden. Chronischer Devisenmangel führte daher zu Reglementie­rungen, wonach der Einsatz von Kupferpräparaten zur Bekämpfung von Phytophthora infestans im Kartoffelbau prioritär behandelt wurde.

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Abb. 6. Mittelwerte der Kupfergesamtgehalte auf Prüf­flächen (n) im Vergleich zur bestimmten Hintergrundbelastung dazugehöriger Kontrollflächen deutscher Hopfenanbaugebiete für den Bodenhorizont 0–5 cm und 0–20 cm.

Grundsätzlich gilt, dass beim Hopfenbau entlang der Pflanzenreihen jedes Frühjahr Dämme (sog. „Bifänge“) durch Ackern angehäufelt werden, wodurch der Boden verschoben wird. Die gezogenen Bodenproben stammen aus diesen Dämmen. Aus diesem Grund kann hier nicht, wie z.B. beim Weinbau, wo meist aufgrund Steillagen­bewirtschaftung weniger Bodenbearbeitung stattfindet, angenommen werden, dass Kupfergehalte in den oberen 0–5 cm höher sind als in darunter liegenden Bodenschichten. Aus den Analysedaten ergibt ein Vergleich der Mittelwerte der Kupfer-Gesamtgehalte in Proben von Prüfflächen, dass in den meisten Hopfenanbaugebieten leicht erhöhte Kupfer-Gesamtgehalte in dem Bodenhorizont 0–5 cm gegenüber dem Bodenhorizont 0–20 cm vorliegen. Aufgrund des geringen Probenaufkommens und der Streuung sind die geringen Unterschiede unter statistischen Gesichtspunkten jedoch nicht signifikant. Eine mögliche Erklärung für die dargestellten tendenziellen Unterschiede wäre, dass die Pflanzdämme mit Oberboden der Fahrgassen angelegt werden. Somit könnte Kupfer aus dem Oberboden von Fahrgassen in den Oberboden von Pflanzreihen verschoben worden sein.

Der in Abb. 6 dargestellte Vergleich der Kupfergesamtgehalte von Prüfflächen mit der Hintergrundbelastung dazugehöriger Kontrollflächen – d.h. den natürlich vorhandenen Bodengehalten – gibt einen Hinweis auf die Kupferanreicherung über die Bewirtschaftungsdauer; während der Vergleich mit den Referenzflächen von Bedeutung für die spätere biologische Zustandserfassung ist.

Im Gebiet Spalt sind die beiden beprobten Prüfflächen erst seit 20 bzw. 35 Jahren in hopfenbaulicher Nutzung. Die in einem in der Nähe liegenden Hausgarten ermittelten vermeintlichen Hintergrundgehalte in Höhe von 46 mg Cu/kg Boden (TM) stammen vermutlich aus Bodenaushub von diesen Hopfenflächen.

Im Gebiet Tettnang sind die Kupfergesamtgehalte in der oberen Bodenschicht (0–5 cm) geringer als in tieferen Schichten (0–20 cm). Höhere Gehalte im Bodenhorizont 0–20 cm könnten darauf zurück zu führen sein, dass einige Hopfenpflanzer die Hopfenrebenhäcksel zurück auf die Hopfenfläche bringen. Diese Hopfenhäcksel sind durch Kupferspritzungen belastet. Beim Abbau des Blattguts dringt das Kupfer in den Boden ein.

Hier wurden insgesamt nur zwei Betriebe beprobt. Aufgrund der geringen Probenanzahl ist dieses Ergebnis nicht zwingend repräsentativ für das gesamte Hopfen­anbaugebiet.

3.4 Belastungsverteilung auf Prüf- und Referenzflächen

Die Häufigkeitsverteilung gemessener Cu-Gesamtgehalte (mg Cu/kg TM Boden) in den Proben der Prüf- und Referenzflächen wurde für den Bodenhorizont 0–20 cm bei einer Klassenbreite von 50 mg/kg bestimmt (Abb. 7).

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Abb. 7. Relative prozentuale Häufigkeitsverteilung gemessener Cu-Gesamtgehalte (mg Cu/kg TM Boden) in den Proben der Prüfflächen (n = 110) und Referenzflächen (n = 60) für den Bodenhorizont 0–20 cm bei einer Klassenbreite von 50 mg Cu/kg. n = Anzahl Bodenproben.

Die in Nutzung stehenden Hopfenflächen sind ein echter Gradmesser für die Belastungsverteilung. In die Cu-Bodengesamtgehalte gehen der Zeitraum des Cu-Eintrags durch Pseudoperonospora-Behandlungen, die aktuelle Bewirtschaftungsweise und Kulturführung sowie Boden­verschiebungen (Flurbereinigungen und Flurneuordnungen) ein.

Die aus der Bewirtschaftung genommenen Hopfen­brachen (Referenzflächen) liefern einen Überblick über die Gesamtbelastungssituation und bilden ein Zeitfenster aus der Vergangenheit ab.

Die Säulenhöhe in Abb. 7 steht für die relative Häufigkeit, mit der Cu-Gehalte einer bestimmten Klassenzu­gehörigkeit in Bodenproben gemessen wurden. 75,5% aller analysierten Proben des Bodenhorizonts 0–20 cm von Prüfflächen liegen im Bereich 0–150 mg Cu/kg TM Boden.

73,3% aller analysierten Proben des Bodenhorizonts 0–20 cm von Referenzflächen liegen im Bereich 0–150 mg Cu/kg TM Boden.

Ein Vergleich der relativen Häufigkeitsverteilung analysierter Gesamtgehalte zwischen Prüf- und Referenz­flächen zeigt, dass im Belastungsbereich 0–300 mg Cu/kg TM Boden vergleichbare Gehalte nachgewiesen wurden. Höhere Gesamtgehalte (Belastungsbereich 450–700 mg Cu/kg TM Boden) wurden ausschließlich bei Referenzflächen nachgewiesen, deren historische Bewirt­schaftungsgeschichte entsprechend den vorliegenden Datenblättern vor mehr als 100 Jahren begann und die seit Jahrzehnten einer hopfenbaulichen Nutzung ent­zogen sind.

Dies bedeutet, dass hohe Kupfergaben aus der Vergangenheit (Engelhard, 2008) resultieren (bis 1965) und hauptverantwortlich für die Höhe der jetzt bestehenden Belastungssituation sind.

Die von Engelhard und Mitarbeitern während des Kupferfachgespräches 2008 vorgestellten Untersuchungen zur Reduzierung des Einsatzes kupferhaltiger Pflanzenschutzmittel im Zeitraum 1965 bis 2007 (Tab. 3) werden mit unserem Befund bestätigt.

Tab. 3. Einsatz kupferhaltiger Pflanzenschutzmittel im Hopfen in Deutschland (nach Engelhard, 2008)

Jahr

Anzahl Spritzungen mit Kupfer

Produkt kg/ha

Kupfer kg/ha

Produkte für Hopfen in
Deutschland ca. in Tonnen

1965

15 – 17

130

60

1.200 (9.000 ha)

1975

9 – 11 plus 5 × „andere“

85

38,5

1.700 (20.000 ha)

1995

2 – 4

35

15,7

630 (18.000 ha)

2007

1,2 (aus Schlagkarteien)

7,5

3,4

160 (17.800 ha)

3.5 Kupferanreicherung im Zeitverlauf

Dass Kupfer im Boden nicht abgebaut werden kann und sich anreichert, wenn die jährlich aufgebrachte Kupfermenge den jahresdurchschnittlichen Entzug über Erntegut übersteigt, dürfte unbestritten sein. Diese Tatsache wird auch mit den durchgeführten Belastungserhebungen bestätigt (s. Abb. 8). Es bleibt somit noch der Frage nachzugehen, über welchen Zeitraum wie viel Kupfer auf den Prüfflächen appliziert wurde. Bei langjähriger hopfen­baulicher Nutzung (insbesondere ≥ 100 Jahre) liegen dazu keine Angaben vor. Aus aktuellen Arbeiten (Engelhard, 2008) geht hervor, dass bis 1965 bis zu 60 kg Kupfer pro Hektar und Jahr im Hopfenbau zur Bekämpfung von Schaderregern eingesetzt wurde.

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Abb. 8. Anreicherung von Kupfer in Böden von Prüfflächen in deutschen Hopfenbaugebieten in Abhängigkeit der Nutzungsdauer auf der Grundlage der Cu-Gesamtgehalte für den Bodenhorizont 0–20 cm (mg Cu/kg TM Boden) als Mittelwerte jeder Prüffläche.

Abb. 8 zeigt die Anreicherung von Kupfer in Böden von Prüfflächen für den Bodenhorizont 0–20 cm in Abhängigkeit der Nutzungsdauer. Der Anstieg in den bestimmten Kupfergesamtgehalten zeigt, dass in der Vergangenheit beträchtliche Kupfermengen auf die Hopfenflächen appliziert worden sind. Bei Prüfflächen, die erst seit 10 Jahren in hopfenbaulicher Nutzung sind, wurden Gesamt­gehalte analysiert, die unter 60 mg Cu kg TM Boden liegen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Aufwandmengen an Cu-Präparaten in den letzten Dekaden deutlich zurückgegangen sind.

Bei Anwendung von Kupferpräparaten in der 30fachen Aufwandmenge in den 60er Jahren und ihres Verbleibs auf der Zielfläche wäre mit deutlich höheren Cu-Gesamtgehalten zu rechnen (Abb. 8). Die Abhängigkeit der Nutzungsdauer der beprobten Hopfenprüfflächen müsste sich in einem exponentiellen Anstieg der Kupfer-Bodengehalte dokumentieren; es zeigen sich jedoch im mittleren (10–50 Jahre) und oberen Bereich (50 – >100 Jahre) Abweichungen von der Ideallinie.

Da in den meisten Lagen tiefgründige Bodenbearbeitung (Grubbern) zwischen den Hopfenreihen stattfindet, ist dieser Befund zunächst nur unter der Annahme erklär­bar, dass in verschiedenen Hopfenlagen die bei der Ernte als Abfall entstehenden Hopfenrebenhäcksel besonders in der Vergangenheit auf benachbarte Flächen (z.B. Hopfenbrachen) ausgebracht wurden.

3.6 Schwermetallbelastungen (As, Cr, Pb, Zn, V) auf den Beprobungsflächen

Neben Kupfer wurde auf Prüf- und Referenzflächen As, Cr, Pb, Zn, und V eingetragen. Die Gehalte an diesen Schwermetallen in den beprobten Böden resultieren aus der Bewirtschaftungshistorie der Hopfenlagen (Abb. 9).

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Abb. 9. Mittelwerte von analysierten Schwermetallgehalten auf allen beprobten Flächen für den Bodenhorizont 0–20 cm.

Von 1910 bis Mitte der 1960er-Jahre wurden Blei­arsenate [PbHAsO4, Pb5OH(AsO4)3] als Pflanzenschutz­mittel zur Bekämpfung schädlicher Insekten verwendet (Paul, 1981).

Zum Anbau der Raumkultur Hopfen werden in Deutschland seit Ende des 19. Jahrhunderts grundsätzlich 7 m hohe Drahtgerüstanlagen verwendet, die überwiegend von mit Holzschutzmitteln behandelten Holzmasten getragen werden. Sehr oft waren die Hölzer früher zum Schutz gegen zerstörende Fäule­pilze und Insekten mit Kupfer-Chrom-Arsenaten (Cu-Cr-As) oder Kupfer-Zink-Arsenaten (Cu-Zn-As) imprägniert. Auch modernen, chromatfreien Imprägniersalzen liegt noch immer Kupfer als Basisbiozid zugrunde. Zahl­reiche Autoren haben in der Vergangenheit bereits auf den Eintrag der Rückstände dieser Holzschutzmittel in Sonderkultur­böden hingewiesen (Islam et al., 2003; Vogeler et al., 2005; Robinson et al., 2006).

Der Hopfen klettert an verzinkten Eisendrähten hoch. Der Grad der Kontamination der Hopfenböden durch gelöstes Zink aus den Eisendrähten ist abhängig von der Art der Zink-Legierung, dem Bodentyp und dem Zeitraum ihrer Verwendung. Bisherige Untersuchungen z.B. im Weinbau haben gezeigt, dass die Zink-Bodengehalte speziell in der Nähe der dort verwendeten Stickel sehr hoch sein können (2500–3000 mg Zn/kg Boden) und nega­tive Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum nicht ausgeschlossen werden können (LVWO Weinsberg, 2009).

Vanadium wird oft in Legierungen in Verbindung mit Eisen eingesetzt. Vanadium-Verbindungen spielen eine bedeutende Rolle bei unterschiedlichsten biologischen Prozessen (Rehder, 1991). Bei Wachstumsversuchen in Lysimetern zeigten landwirtschaftliche und gärtnerische Kulturpflanzen wie Sellerie (Apium graveolens L.), Tabak (Nicotiana tabacum L.), Zuckerrübe (Beta vulgaris var. altissima L.), Tomate (Solanum lycopersicum L.), Sonnenblume (Helianthus annuus L.) und Weißkohl (Brassica oleracea L.) Chlorosen und/oder Wuchsdepressionen bei Bodengesamtgehalten > 50 mg V/kg Boden (Strumpf und Pestemer, 2003).

Aufgrund unterschiedlicher Bewirtschaftungsvergangenheit differieren die Schwermetallbodengehalte von Fläche zu Fläche. In welcher Form diese komplexen Metall­verbindungen mit den Bodenbestandteilen vergesellschaftet sind, wie hoch ihre Bioverfügbarkeit ist und welchen Einfluss sie auf die Regenwurmzönose ausüben, bedarf weiterführender Untersuchungen.

3.7 Einfluss von Kupferanwendungen auf die Boden­gehalte bei Fahrgassen und Pflanzreihen

Neben der Fragestellung, ob die Verteilung der Kupfer­gehalte auf der Prüffläche homogen oder inhomogen ist und was mögliche Ursachen bei nachgewiesenen Inho­mogenitäten sein können, ist zu prüfen, ob signifikante Unterschiede bei den Cu-Bodengehalten aus Proben, die nahe der Hopfenstöcke entlang den Pflanzreihen gezogen wurden und solchen, die aus dem mittleren Bereich der Fahrgassen zwischen den Hopfenreihen am selben Standort stammen, nachgewiesen werden können. Kupfe­rapplikationen erfolgen zielgerichtet auf die Hopfen­blätter; Kupferanteile können aber nach Laubfall auch zwischen die Hopfenreihen gelangen und durch Bodenbearbeitungsmaßnahmen verteilt werden (Abb. 10).

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Abb. 10. Vergleich von analysierten Kupfergesamtgehalten auf allen beprobten Prüfflächen (n) für die Bodenhorizonte 0–5 und 0–20 cm (Mittelwerte mit Standardabweichung).

Bei einem Vergleich der ermittelten Cu-Gesamtgehalte zwischen den Hopfenstöcken und den Fahrgassen der jeweiligen Anbaugebiete können bei gleichen Beprobungstiefen keine signifikanten Gehaltsunterschiede nachgewiesen werden. Bodenbearbeitungsmaßnahmen können zu einer Nivellierung der Kupfer-Bodengesamtgehalte zwischen den Hopfenpflanzen führen. Die Gesamt­kupfergehalte in der Fahrgasse unterscheiden sich nicht von den Gehalten am Hopfenstock.

In Abhängigkeit der Bewirtschaftungsgeschichte der einzelnen Prüfflächen können die Gesamtgehalte bei den Probenahmestellen stark differieren, so dass eine sinnvolle Bewertung von Belastungsspitzen nur auf Basis von Mittelwerten und bezogen auf die jeweilige Fläche erfolgen kann. Bei Betrachtung der Standardabweichungen der Belastungswerte wird deutlich, dass statistische Signifikanzen in den Gehaltsunterschieden zwischen den beiden Bodenhorizonten bei dem geringen Probeaufkommen ebenfalls nicht nachweisbar sind.

Als Erklärung für die geringen Unterschiede in den Cu-Gehalten beider Bodenhorizonte lässt sich heran­ziehen, dass auf den Prüfflächen jährlich Bodenbearbeitung erfolgt, daher auch keine Humusschicht entsteht und der Horizont bis 20 cm Tiefe einer ständigen Verjüngung (Homogenisierung) unterliegt.

Aus den gewonnenen Datensätzen wird geschluss­folgert, dass auf Sonderkulturflächen mit wendender Boden­bearbeitung und stetiger Bodenverschiebung – wie z.B. im Hopfenbau – die zu beprobenden Bodentiefe von 0–20 cm, welche den „Regenwurmhorizont“ abbildet, als Untersuchungsstandard zum Belastungszustand von landwirtschaftlich genutzten Flächen infolge von Anwen­dungen mit kupferhaltigen Pflanzenschutzmitteln ausreichend repräsentativ ist.

4 Ausblick

Anhand der in der Vorbeprobung erhobenen Daten zur Belastungssituation, Standortbeschreibung und Bewirtschaftungsgeschichte werden drei Lagen vorgeschlagen, wo ein biologisches und chemisches Monitoring durch­geführt werden könnte. Je Standort sollen ökologisch und/oder konventionell bewirtschaftete Prüfflächen, eine seit längerem aus der Nutzung genommene Hopfenfläche mit Kupferaltlast (positive Kontrolle) und eine Fläche ohne anthropogene Kupferbelastung (negative Kontrolle) einbezogen werden. Im Rahmen dieses Monitorings soll das Artenvorkommen von Lumbriciden an den verschiedenen Standorten erfasst werden.

Auf der Grundlage einer ganzheitlichen Bewertungsmatrix werden auf Grundlage identifizierter Kriterien wie Flurgestaltung, Nutzung seit Jahren, Kupfergesamtgehalte (mg  Cu/kg Boden) inkl. Cu-Einträge durch PSM pro Jahr, Bewirtschaftung/Begrünung, Boden­art, org. Substanz (%) und unter Berücksichtigung der geographische Lage (Klima) Vorschläge zur Auswahl von geeigneter Monitoringflächen unterbreitet.

Dabei sollten Hopfenlagen präferiert werden, bei denen auf dazugehörigen Referenz- und Kontrollflächen keine Bodenbearbeitung stattfindet, z.B. Wiesen, um einen störenden Einfluss von Bearbeitungsmaßnahmen auf Abundanzen der Regenwurmzönose ausschließen zu können. Auch bei vorhandenen Kontrollflächen mit Laubmischwaldbestand dürfte das Artenspektrum der Regenwurmzönose gegenüber Prüfflächen differieren. Nicht geeignet sind auch Kontrollflächen mit Nadelmischwald, da sich hier zusätzlich die Boden-pH-Werte von denen bei Prüfflächen unterscheiden (alle ungünstigen Faktoren sind in Tab. 4 unterstrichen markiert).

Tab. 4. Vorschläge zur Auswahl geeigneter Hopfenlagen für ein sich anschließendes Monitoring der Regenwurmzönose anhand des entwickelten Kriterienkatalogs. Mittelwerte in mg Cu/kg TM Boden

Anbaugebiet

Flächencode

Prüfflächen-
bewirtschaftung

 

Referenz-
flächen

  

Kontroll-
flächen

mg Cu/kg TM Boden (Mittelwert je Fläche)

ökol.

konv.

  

Elbe-Saale

ES_01

  

97

72

  

73

Acker

  

23

Wald

ES_02

  

74

32

  

33

Acker

  

19

Wiese

              

Hersbruck

BY_03

46

 

63

   

26

Wiese

  

16

Wiese

              

Spalt

BY_09

  

32

34

  

16

Grünland

  

46

Hausgarten

              

Hallertau 

BY_01 + 11

331

216

219

   

121

Acker

  

77

Wiese

BY_02 + 12

110

37

82

   

31

Acker

  

25

Wiese

BY_04 + 05

  

168

209

31

 

45

Acker

  

14

Wiese

BY_07 + 08

  

113

   

99/129

Wiese

  

35

Ackerrand

BY_10

  

88

33

  

248

Acker

  

10

Acker

Tettnang

BW_01 + 02

52

  

109

  

571

Wiese
(unklare extrem hohe Verfügbarkeit)

 

13

Wald

Danksagung

Die Autoren danken Frau Ursula Stendel, Frau Catrin Vetter und Frau Martina Kulcke für ihre technische Assistenz bei den durchgeführten Laboruntersuchungen mit den gesammelten Hopfenbodenproben.

Literatur

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