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

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.

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.

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

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

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

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)

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).

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

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

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).