Globale Herausforderung: Phosphor-Krise und die Rolle der Landwirtschaft
Die nachhaltige Nutzung der Ressource Phosphor ist entscheidend, um eine zukünftige Krise abzuwenden. Phosphor ist ein unverzichtbarer Nährstoff für Pflanzen, Tiere und Menschen. Obwohl der Kreislauf durch die Rückführung von Phosphor über Ausscheidungen oder abgestorbenes organisches Material in die Böden geschlossen werden könnte, ist die landwirtschaftliche Produktion derzeit auf Mineraldünger angewiesen. Diese Dünger werden aus natürlichen Lagerstätten gewonnen, deren Vorkommen begrenzt und ungleich verteilt sind.
Gleichzeitig führen hohe Viehdichten in einigen Regionen zu Umweltproblemen durch die Überdüngung mit Gülle. Ein deutsch-chinesisches Graduiertenkolleg der Universität Hohenheim und der China Agricultural University (CAU) in Peking erforscht Lösungsansätze für dieses globale Problem am Beispiel von Maisanbausystemen. Ziel ist eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft im Sinne der Bioökonomie. Die gemeinsame Doktorandenausbildung wird seit Oktober 2018 von der DFG gefördert.
Schätzungen zufolge könnten die natürlichen Phosphor-Lagerstätten bei unveränderter Wirtschaftsweise in 250 bis 300 Jahren erschöpft sein. Landwirte spüren die Auswirkungen bereits heute durch steigende Düngerpreise. Diese Teuerung könnte sich weiter zuspitzen, da zunehmend minderwertige Lagerstätten mit Schwermetallen wie Cadmium und Uran abgebaut werden müssen, was eine kostenintensive Aufbereitung erfordert. Die ungleiche Verteilung der Ressource, mit fast drei Vierteln der bekannten Vorkommen in Marokko, birgt zudem geopolitische Risiken für den Weltmarkt.
Phosphor-Krise: Deutsch-chinesische Kooperation nimmt globales Problem in den Blick
Wenn wir heute nicht damit anfangen, nach alternativen Lösungen zu suchen und uns auf den Weg zu einer Kreislaufwirtschaft im Sinn der Bioökonomie machen, steuern wir auf eine ernste Krise zu.
Dies betont Prof. Dr. Torsten Müller vom Fachgebiet Düngung und Bodenstoffhaushalt an der Universität Hohenheim und Sprecher des deutsch-chinesischen Graduiertenkollegs auf deutscher Seite. Im Rahmen des Ausbildungsprogramms „Adaptation of maize-based food-feed-energy systems to limited phosphate resources (AMAIZE-P)“ forschen 35 Promovierende der Universität Hohenheim und der China Agricultural University an Lösungsansätzen.
In gemischten deutsch-chinesischen Tandem-Teams untersuchen die Nachwuchswissenschaftler am Beispiel von Maisanbausystemen, wie die Ressource Phosphor effektiv genutzt werden kann. China, als bevölkerungsreichstes Land, wird die Phosphorknappheit voraussichtlich besonders stark zu spüren bekommen. Die eigenen Abbaugebiete könnten bei gleichbleibendem Verbrauch in etwa 35 Jahren erschöpft sein. Eine vollständige Deckung des chinesischen Phosphorbedarfs auf dem Weltmarkt hätte einen weiteren Preisanstieg zur Folge.
Prof. Dr. Müller erläutert das Paradoxon der aktuellen Situation: „Es gibt sowohl in Deutschland als auch in China Regionen, in denen Phosphat verschwenderisch eingesetzt wird.“ In Deutschland führen hohe Viehbestände und Biogaserzeugung zu Umweltproblemen, da über Gülle und Gärrückstände zu viel Phosphat auf den Feldern landet. In China wird Phosphat aus organischen Quellen bei der Düngerbedarfsermittlung kaum berücksichtigt, während gleichzeitig Mineraldünger überhöht eingesetzt wird. Dies führt dazu, dass Böden den Nährstoff nicht vollständig aufnehmen können und er in Gewässer gelangt, was Eutrophierung und Algenblüten verursachen kann. Zudem geht Phosphat über Abwasser- und Abfallströme aus den landwirtschaftlichen Kreisläufen verloren.
Beispiel Maisanbau: Interdisziplinäre Lösungsansätze für vielfältige Szenarien
Trotz ähnlicher Herausforderungen unterscheiden sich die Agrarsektoren in Deutschland und China erheblich. In Deutschland dominieren größere Betriebe, während die chinesische Landwirtschaft überwiegend kleinbäuerlich geprägt ist. Auch die klimatischen Bedingungen variieren stark. „Gerade diese Unterschiede sind für die Forschungskooperation so wertvoll“, so Dr. Marco Roelcke, Koordinator des Graduiertenkollegs auf deutscher Seite. „Mit parallelen Feldversuchen und ökonomischen Analysen in Deutschland und in China können wir einen Großteil der Szenarien abdecken, die sich weltweit stellen.“
Die Bedingungen in Deutschland und China ergänzen sich komplementär, insbesondere im Hinblick auf Maisanbaukulturen. Dies ermöglicht die Abdeckung nahezu aller weltweit relevanten Produktionssysteme. Mais ist als Kulturpflanze und wichtiges Grundnahrungsmittel aufgrund seiner vielfältigen Verwertungsmöglichkeiten gut für den Forschungsansatz geeignet. Er dient als Nahrung für Menschen, als Futtermittel (Körner oder Silage), zur Ölgewinnung und als Biomasselieferant für die Energiegewinnung oder die Herstellung von Basis-Chemikalien im Sinne der Bioökonomie.
Überschuss und Mangel ausgleichen
In zwölf interdisziplinären Arbeitsgruppen verfolgen die Promovierenden verschiedene Lösungsansätze. „Ein wichtiger Fokus liegt auf nachhaltigen Düngestrategien und der Frage, wie überschüssiges Phosphat aus Regionen mit hoher Viehbesatzdichte ressourcenschonend in Ackerbauregionen mit Phosphatmangel transferiert werden kann“, erklärt Prof. Dr. Müller. Er merkt an, dass eine politische Fehlentscheidung einen Strukturwandel mit räumlicher Ausdifferenzierung dieser Wirtschaftsformen gefördert habe. Da eine Rückkehr zu traditionellen Mischbetrieben auf absehbare Zeit nicht möglich sei, müssten technologische Lösungen für die bestehende Situation gefunden werden.
Pflanzen können Phosphor nur effizient verwerten, wenn auch andere Nährstoffe wie Stickstoff ausreichend vorhanden sind. Ein Problem bei der Düngung mit Gülle und Gärrückständen ist das suboptimale Verhältnis von Stickstoff und Phosphor. Der Phosphatüberschuss kann von den Pflanzen nicht vollständig aufgenommen werden und geht verloren. Arbeitsgruppen des Graduiertenkollegs forschen daher an praktikablen Möglichkeiten, Gülle und Gärreste weiter aufzuarbeiten, um Stickstoff- und Phosphor-Ströme zu trennen und optimal zu nutzen. Dabei sollen auch Energie und Basischemikalien erzeugt werden.
Neue Maissorten, optimierte Fruchtfolgen, Nährstoffrückgewinnung
Die deutsch-chinesischen Arbeitsgruppen setzen auch an anderen Punkten an, beispielsweise bei der Züchtung neuer Maissorten, die Phosphor über ihre Wurzeln besser aufnehmen können. Auch die Optimierung von Fruchtfolgen, etwa durch den Wechsel von Mais und Hülsenfrüchten, kann die Phosphorverfügbarkeit im Boden verbessern. Weitere Teilprojekte befassen sich mit der Phosphatverwertung im Verdauungstrakt von Menschen und Nutztieren.
„Auch menschliche Ausscheidungen sind eine Phosphatquelle, die wieder in den Kreislauf eingespeist werden kann“, so Prof. Dr. Müller. Er weist darauf hin, dass Klärschlamm in Deutschland aufgrund der aktuellen Gesetzeslage kaum noch unmittelbar auf Felder ausgebracht werden darf. Das Graduiertenkolleg sucht daher nach Möglichkeiten, Phosphat aus Klärschlamm in großen Kläranlagen zurückzugewinnen.
Interdisziplinärer Austausch im Blockseminar
Ein Blockseminar, das zweimal jährlich wechselweise in Deutschland und China stattfindet, fördert den interdisziplinären Austausch aller Teams. Dieses „Think Tank“ wird durch externe Experten bereichert. Die Doktorandenausbildung wird durch interkulturelle Trainings, Karriere-Workshops und weitere Formate ergänzt, wie Dr. Roelcke berichtet.
Das vierte Blockseminar fand vom 9. bis 16. März 2020 an der Universität Hohenheim und am Unteren Lindenhof in Eningen unter Achalm statt und befasste sich mit „P-Ernährung und -Rückgewinnung“. Aufgrund der Corona-Krise konnten nur die chinesischen Promovierenden persönlich teilnehmen, die sich bereits in Deutschland aufhielten. Ihre in China verbliebenen Kollegen lieferten vertonte PowerPoint-Präsentationen oder Video-Dateien. Sämtliche Vorträge und Diskussionen des Blockseminars wurden aufgezeichnet. Dr. Roelcke ist überzeugt, dass die neu erprobten Formen der digitalen Zusammenarbeit auch zukünftig von Nutzen sein werden.
Das Graduiertenkolleg ist eng mit dem Programm CHIKOH – Chinakompetenz Hohenheim – vernetzt, das seit Oktober 2017 die China-Expertise von Wissenschaftlern und Studierenden stärkt. Die Universität Hohenheim fördert mit Exkursionen und Workshops den Transfer zwischen Wirtschaft und Wissenschaft. Der „Hohenheimer China Dialog“ dient als Austauschplattform für Vertreter aus Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft der Region.
Hintergrund: China Agricultural University (CAU), Peking
Die China Agricultural University (CAU) in Peking ist eine führende Universität im Bereich Agrarwissenschaften in Asien. Ihre Wissenschaftler forschen und lehren in den Bereichen Agrarwirtschaft, Biowissenschaften, Ressourcen, Umwelt, Elektronische Datenverarbeitung, Informatik, Agraringenieurwesen, Management und Sozialwissenschaften. Die Universität Hohenheim und die CAU pflegen seit 1979 eine der ältesten deutsch-chinesischen Universitätspartnerschaften. Im November 2019 wurde das 40-jährige Bestehen dieser Partnerschaft in Peking gefeiert.
Hintergrund: Wissenschaftsjahr 2020 Bioökonomie
Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ausgerichtete Wissenschaftsjahr 2020 stand im Zeichen der Bioökonomie. Es thematisierte eine nachhaltige, biobasierte Wirtschaftsweise, die darauf abzielt, natürliche Stoffe und Ressourcen nachhaltig und innovativ zu produzieren und zu nutzen. Ziel ist es, fossile und mineralische Rohstoffe zu ersetzen, Produkte umweltverträglicher herzustellen und biologische Ressourcen zu schonen. Dies ist angesichts des Klimawandels, einer wachsenden Weltbevölkerung und eines drastischen Artenrückgangs von Bedeutung. Das Wissenschaftsjahr Bioökonomie rückte dieses Thema in den Fokus.
Die Bioökonomie ist ein Leitthema der Universität Hohenheim in Forschung und Lehre und verbindet die agrarwissenschaftliche, naturwissenschaftliche sowie wirtschafts- und sozialwissenschaftliche Fakultät. Im Wissenschaftsjahr Bioökonomie informierte die Universität Hohenheim in zahlreichen Veranstaltungen Fachwelt und Öffentlichkeit. Im März lautete der monatliche Themenschwerpunkt: Ressourcen schonen – Kreislaufwirtschaft und wirtschaftliche Entwicklung.