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Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Dr. Christopher Brock Klagenfurt, 10.10.2012.

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1 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Dr. Christopher Brock Klagenfurt,

2 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Gliederung 1. Humusbilanz – Wer bin ich, und wenn ja wie viele? 2. Koeffizientenausweisung - Die Ableitung bestimmt den Anwendungsbereich. 3. Biogas und Humusbilanz im Ackerbau 4. Fazit: Gebrauchsanleitung Humusbilanz

3 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau 1.Humusbilanz – Wer bin ich, und wenn ja wie viele?

4 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Anforderungen an die Humusbilanz: 2. Möglichkeit: Aussagen zur Veränderung der Humusvorräte! 1. Möglichkeit: Aussagen zum organischen Düngebedarf von Fruchtfolgen zum Erhalt der Bodenproduktivität bei geringer Umweltbelastung!

5 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau OBS-Menge Zeit Was soll / was kann die Humusbilanz sagen? Landnutzungsänderung Grünland Ackerbauliche Nutzung: A: Fruchtfolge mit mehrj. Futterleguminosenanbau und Stalldunganwendung (1,5 GV ha -1 ) B: Biogas+Futterfruchtfolge mit, wenig Stallmist, haupts. Gärreste und Gülle C: Viehloser Marktfruchtbau, Feinleguminosen nur in Zwischenfruchtstellung A B C N-Effizienz Ertrag mittel gering hoch mittel

6 Chr. Brock: Humusbilanzen – Konzepte, Anwendung und Perspektiven Ackerbauliche Nutzung: A: Fruchtfolge mit mehrj. Futterleguminosenanbau und Stalldunganwendung (1,5 GV ha -1 ), ohne mineralische Düngung B: Fruchtfolge mit mehrj. Futterleguminosenanbau und Stalldunganwendung (0,8 GV ha -1 ), optimale mineralische Düngung C: Fruchtfolge ohne Leguminosen, ausschließlich mineralische Düngung A B C N-Effizienz Ertrag mittel gering hoch hoch mittel 1. Möglichkeit: Aussage zum organischen Düngebedarf von Fruchtfolgen zum Erhalt der Bodenproduktivität bei geringer Umweltbelastung. 2. Möglichkeit: Aussagen zur Veränderung der Humusvorräte. Anforderungen an die Humusbilanzierung:

7 Chr. Brock: Humusbilanzen – Konzepte, Anwendung und Perspektiven OBS-Menge Zeit Anforderungen an die Humusbilanzierung: A B C Landnutzungswechsel 1. Möglichkeit: Aussagen zum organischer Düngebedarf von Fruchtfolgen zum Erhalt der Bodenproduktivität bei geringer Umweltbelastung. 2. Möglichkeit: Aussagen zur Veränderung der Humusvorräte.

8 Chr. Brock: Humusbilanzen – Konzepte, Anwendung und Perspektiven OBS-Menge Zeit Anforderungen an die Humusbilanzierung: A B C 1. Möglichkeit: Aussagen zum organischer Düngebedarf von Fruchtfolgen zum Erhalt der Bodenproduktivität bei geringer Umweltbelastung. 2. Möglichkeit: Aussagen zur Veränderung der Humusvorräte.

9 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau „Aus den Bilanzsalden ist abzuleiten, inwieweit Änderungen der Bewirtschaftung notwendig sind, um eine standortangepasste Humusversorgung der Böden zu erhalten. Damit wird die Nachhaltigkeit der Produktion gesichert und das Verlustpotential für Stickstoff begrenzt.“ Der VDLUFA-Standpunkt zur Humusbilanz (2004) sagt dazu:

10 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Wer bin ich? …. Der Begriff „Humusbilanz“ wird heute für unterschiedliche Methodische Konzepte angewendet. Die Konzepte unterscheiden sich in Zielstellung, methodischem Ansatz und Aussage und so im Anwendungsbereich. Mögliche Systematisierung: Eine vergleichende Evaluation der aktuell verfügbaren/angewendeten Methoden ist wünschenswert und wird im Arbeitskreis „Validierung“ der VDLUFA-AG zur Humusbilanz unternommen. Ökologisches Konzept: ∆OBS = f [Bewirtschaftung, Standortbedingungen (Boden, Klima), OBS-Ausgangsmenge] Agronomisches Konzept: Humusbedarf = f (Fruchtfolge, Ertrag, N- Input, Standortbedingungen) Humusersatz = f (Fruchtfolge, org. Düngung)

11 Chr. Brock: Humusbilanzen – Konzepte, Anwendung und Perspektiven …Und wenn ja, wie viele? (ohne Anspruch auf Vollständigkeit) : VDLUFA (VDLUFA 2004): Aktuelle Standardmethode in D. Humuseinheitenmethode (HE nach Leithold et al. 1997): Für die Anwendung im ökologischen Landbau angepasst, dort häufig verwendet. Standortangepasste Humusbilanz STAND (Kolbe 2007, 2010): Adaption der VDLUFA-Methode mit Standort-Differenzierung. In Sachsen standardmässig angewendet. Dynamische Humuseinheitenmethode (Hülsbergen 2003): Humusbilanzierung auf Grundlage eines Modells zur N-Dynamik im System Boden-Pflanze. U.a. angewendet im Rahmen des DLG-Zertifikates „Nachhaltige Landwirtschaft“. Humusbilanzmethode nach Neyroud (1997): Standardmethode zur Humusbilanzierung in der Schweiz. Humusbilanzmodell HU-MOD (Brock et al. 2008, 2012): Modell zur reproduzierbaren Berechnung von Humusbilanzkoeffizienten. Candy-Carbon-Balance CCB (Franko et al. 2011): Modell zum Umsatz organischer Bodensubstanz für den Einsatz unter Praxisbedingungen.

12 Chr. Brock: Humusbilanzen – Konzepte, Anwendung und Perspektiven Zielstellung/Anwendungsbereich von Humusbilanzen: Aussage zum Düngebedarf zum Erhalt der Bodenproduktivität Aussage zur Veränderung der Humusvorräte VDLUFAOrg. Düngerbedarf für optimale Erträge und N-Effizienz Bei ausgeglichenem Saldo stellen sich angepasste Humusvorräte ein. STAND.Quantifizierung von OBS- Änderungen HE nach Leithold et al. Org. Düngerbedarf für Erhalt der Humusvorräte als zentraler Faktor der Bodenproduktivität Unzureichende Humusversorgung bewirkt Abnahme der Humusvorräte Dynamische HE Quantifizierung von OBS- Änderungen HU-MODImplizitRelative Änderung der OBS- Vorräte gegenüber Vornutzung Neyroud / SALCA Org. Düngerbedarf für den Erhalt der Humusvorräte Implizit CCBImplizitQuantifizierung von OBS- Änderungen

13 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau 2. Koeffizientenausweisung – die Ableitung bestimmt den Anwendungsbereich.

14 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Grundprinzip der Humusbilanz: Humusersatz/Input (Org. Dünger, Pflanzenbiomasse) - Humusbedarf/ bewirtschaftungsbedingter Humusverlust = Humusreproduktion (bewirtschaftungsbedingte Veränderung der Humusvorräte)

15 experimentelle Ermittlung anhand von Dauerversuchen und / oder Ableitung aus der N-Dynamik und / oder Ableitung aus Umsatzindikatoren M ö glichkeiten der Koeffizientengenerierung:

16 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Methodische Ansätze: VDLUFAStatische Koeffizienten zu org. Düngerbedarf (Humusbedarf) bzw. org. Düngungsleistung (Humusersatz) von Fruchtarten und Düngern. Koeffizienten in Dauerfeldversuchen mit Faktoren Fruchtfolge und Düngung abgeleitet (untere Werte) bzw. heuristisch mit Bezug auf steigende Ertragsniveaus angepasst (obere Werte). HE nach Leithold et al.Ansatz wie VDLUFA. Koeffizientenmodifikation gegenüber VDLUFA auf Grundlage von Annahmen zur N-Dynamik im System Boden-Pflanze. STANDAnsatz wie VDLUFA. Empirische Koeffizientenanpassung auf Grundlage von Humus-Mengenänderungen in Dauerfeldversuchen. Dynamische HEAusweisung von Humusbilanzkoeffizienten mit einem Modell zur N- Dynamik im System Boden-Pflanze, sowie mit empirisch ermittelten Werten zur Humusersatzleistung von Pflanzenbiomasse und Düngern. NeyroudBerechnung der Humusbilanz mit statischen Koeffizienten auf Grundlage von Ackerflächenverhältnis, org. Düngung und angenommenem standorttypischen Boden-C-Gehalt. HU-MODAusweisung von Humusbilanzkoeffizienten mit einem Modell zur C- und N-Dynamik im System Boden-Pflanze. CCBAusweisung von Mengenänderungen der OBS mit einem C- Umsatzmodell.

17 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Output: VDLUFASaldo der organischen Düngung unter Berücksichtigung von Fruchtfolge- und Düngerleistungen HE nach Leithold et al. Dynamische HESaldo der organischen Düngung unter Berücksichtigung von Fruchtfolge- und Düngerleistungen, Saldo der Humusversorgung HU-MOD STANDSaldo der Humusversorgung (=Saldo humusabbauender und humusaufbauender Maßnahmen) Neyroud CCBOBS-C-Änderung, OBS-C-Bilanz, N-Bilanz, wirksame Mineralisierungszeit

18 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Berücksichtigte Faktoren: BewirtschaftungStandort VDLUFAFruchtfolge, org. Düngung--- HE nach Leithold et al.Fruchtfolge, org. Düngung, Landbausystem (ÖKO/KON) --- STANDFruchtfolge, org. DüngungStandortklassen Dynamische HEFruchtfolge, Erträge, org. Düngung, min. Düngung Standortspezifische N- Verwertung NeyroudAckerflächenverhältnis, org. Düngung Standorttypischer C-Gehalt, Bodentextur, pH HU-MODFruchtfolge, Erträge, org. Düngung, min. Düngung Standortspezifische N- Verwertung, standortspez. OBS-CN-Verhältnis CCBFruchtfolge, Erträge, org. Düngung Bodenart/Textur, Klima, OBS- Ausgangsmenge (weitere Daten optional)

19 Koeffizientengenerierung der VDLUFA-Basismethode: (Asmus & Herrmann 1977) Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen Veränderung der Humusvorräte im Auswertungszeitraum (% C org ) Ertragsniveau Winterweizen (dt TS ha -1 ) +/-0 +0,25 -0,

20 Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen: +/-0 +0,25 -0, Veränderung der Humusvorräte im Auswertungszeitraum (% C org ) Ertragsniveau Winterweizen (dt TS ha -1 ) Annähernd konstante Humusgehalte...

21 +/-0 +0,25 -0, Veränderung der Humusvorräte im Auswertungszeitraum (% C org ) Ertragsniveau Winterweizen (dt TS ha -1 ) Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen: Annähernd konstante Humusgehalte......bei hohem Ertragsniveau.

22 +/-0 +0,25 -0, Veränderung der Humusvorräte im Auswertungszeitraum (% C org ) Ertragsniveau Winterweizen (dt TS ha -1 ) Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen: Fruchtfolge: 60 % Getreide 20 % Hackfrucht 20 % Feldfutter (Luzernegras) Düngung: 120 dt Rottemist ha -1 a kg Mineral-N ha -1 a -1 Notwendige Zufuhr an Org. Substanz (TS, bezogen auf Stallmist) zum Erhalt der Humusvorräte: 30 dt ha -1 a -1

23 Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen: Quelle: Asmus/Herrmann (1977)

24 Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen: Quelle: Asmus/Herrmann (1977)

25 Interpolierte Koeffizienten für unterschiedliche Bodenartengruppen: Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen: Quelle: Asmus/Herrmann (1977)

26 Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen: Problem: Generierung von Koeffizienten ist nur für die in den Dauerfeldversuchen abgebildete Systeme und entsprechenden Bedingungen möglich. Generierung von Koeffizienten nicht möglich für andere Systeme/Bedingungen, z.B. -ökologische Bewirtschaftung, -besondere Anbausysteme (Mischkultur, Agroforstsysteme,...) -neue Fruchtarten (Baumarten, Sorghum, Miscanthus,...)

27 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Reproduzierbare Koeffizientenschätzunh: Ableitung anhand von Modellen zur C- und N-Dynamik im System Boden-Pflanze.  Tjurin (1957): Verknüpfung von Humus- und Stickstoffbilanz von Ackerböden.  Rauhe & Schönmeier (1966): Humuseinheiten-Methode.  Asmus (1985): Humusbedarf und Stickstoffentzug.  Leithold (1991): Horizontale Stickstoffbilanz.  Hülsbergen (2003): erweiterte (dynamische) Humuseinheiten-Methode.  Brock/Hoyer/Leithold/Hülsbergen (2008, 2012): Humusbilanzmodell (HU-MOD).

28 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Beispiel: Humusbilanzmodell HU-MOD (Brock et al., eingereicht) : Konzept: C und N sind als Bausteine der Humussubstanz von gleichrangiger Bedeutung. Erfassung der Humusdynamik ist daher anhand beider Elemente möglich. Pflanzenertrag und Humusdynamik stehen über N- Aufnahme der Pflanzen in messbarer Beziehung.

29 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Die Humusmineralisierung im Zuge eines Anbausystems wird durch Separierung des Beitrages der unterschiedlichen N-Pools zur N-Versorgung des Pflanzenbestandes ermittelt. Der Bezug zwischen N in Pflanzenbiomasse und N- Angebot aus den einzelnen Pools wird über spezifische Systemverwertungsraten für N hergestellt. Ermittlung der Humusmineralisierung:

30 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Die Humusersatzleistung wird anhand aller Inputs an organischer Substanz berechnet. Dabei werden als Inputs neben organischen Düngern aller Art (inkl. Stroh, Gründg.) zunächst Ernterückstände, Wurzelmassen und Wurzelexsudate berücksichtigt, außerdem ggf. organische Dünger aller Art (inkl. Stroh und Gründg.) Der Bezug zwischen C-Input und Humusaufbau wird über substratspezifische Humifizierungsraten unter Berücksichtigung der N-Verfügbarkeit als möglicherweise limitierenden Faktors für die C-Speicherung im Humus hergestellt. Ermittlung der Humusersatzleistung:

31 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Modellbasierte Berechnung mit HU-MOD (Brock et al. 2008, 2012): Kalkulation Humusbedarf auf Grundlage der Inanspruchnahme von Humus-N, Kalkulation Humusersatz auf Grundlage C-und N-Input.

32 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Ökologisches Bilanzkonzept: Modellierung des Umsatzes organischer Bodensubstanz.

33 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau 3. Biogas und Humusbilanz im Ackerbau

34 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau OBS-Menge Zeit Was soll / was kann die Humusbilanz sagen? Landnutzungsänderung Grünland Ackerbauliche Nutzung: A: Fruchtfolge mit mehrj. Futterleguminosenanbau und Stalldunganwendung (1,5 GV ha -1 ) B: Biogas+Futterfruchtfolge mit, wenig Stallmist, haupts. Gärreste und Gülle C: Viehloser Marktfruchtbau, Feinleguminosen nur in Zwischenfruchtstellung A B C N-Effizienz Ertrag mittel gering hoch mittel

35 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Humusbilanz und Biogas –was ist hier speziell zu berücksichtigen?  Die Fruchtfolgegestaltung.  Das bleibt die Basis!  Stoffkreisläufe.  Abfuhr und Zufuhr organischer Substanz werden beinflusst.  Die spezifische Humusersatzlistung von Gärresten.  Höher als Mist/Gülle/Kompost/Gründüngung?  Die Schaffung eines mobilen Düngerpools.  Ertragssteigerungn und verbesserte N-Effizienz möglich.

36 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau SzenarioFruchtfolgeDüngungHumusbilanz (Häq ha -1 a -1 ) Alle Szenarien: im Mittel 120 kg N ha -1 a -1 mineralisch VDLUFA –untere W. VDLUFA – obere W. HU- MOD FutterbauWinterweizen+ZF- Silomais- Wintergerste+ZF- Hafer 40 m 3 Gülle ha -1 zu Mais, Haferstroh abgefahren Markt- fruchtbau Winterweizen+ZF- Winterweizen- Winterraps+ZF- Wintergerste Stroh verbleibt grundsätzlich BiogasSilomais-Silomais- Winterweizen+ZF- Wintergerste Im Mittel 25 dt Gärrest ha -1 a -1, ZF und Stroh verbleibt Biogas ohne Gärrest- Rückführg. Silomais-Silomais- Winterweizen+ZF- Wintergerste ZF und Stroh verbleibt Beispiele

37 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Interpretation der Beispiele:  Alle Beispiele mit hohem Ertragsniveau, Strohdüngung (ggf.) entsprechend hoch.  Achtung – Gärrest ist nicht gleich Gärrest – große Variation der Abbaustabilität berichtet!  Die z.T. stark positiven Humusbilanzen dürfen nicht ohne weiteres als Veränderung der Humusvorräte interpretiert werden!  Zur Bewertung von Umweltrisiken ist jeweils zu prüfen, ob die N-Bilanz akzeptabel ist.  VDLUFA-Bilanzen und Modell (HU-MOD) bewerten die Humusreproduktion absolut und im Szenarienvergleich unterschiedlich.  Humusreproduktion im Szenarienvergleich nach HU-MOD: Biogas mit Gärrestdg > Futterbau > Marktfuchtbau > Biogas ohne Gärrestdg.

38 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau 4. Fazit – Gebrauchsanleitung Humusbilanz.

39 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Gebrauchsanleitung Humusbilanz: Frage 1: Was will ich beurteilen?  Den organischen Düngebedarf in Fruchtfolgen zum Erhalt der Humusvorräte bei hohem Ertragsniveau  Agronomische Humusbilanzmethode (z.B. VDLUFA, HE nach Leithold)!  Die unterschiedliche Beeinflussung der Humusvorräte im Szenarienvergleich, z.B. bei Bewirtschaftungsumstellungen.  Beide Bilanzkonzepte anwendbar (z.B. HU-MOD, aber alle Methoden möglich)!  Die absolute Veränderung der Humusvorräte in Abhängigkeit vom Bewirtschaftungssystem.  Ökologische Humusbilanz (z.B. CCB)!

40 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Gebrauchsanleitung Humusbilanz: Frage 2: Wie ist der Datenbedarf? VDLUFA, HE nach Leithold STANDDyna- mische HE NeyroudHU-MODCCB FruchtfolgeXXXXXX ErträgeXX Art und Menge der organischen Dünger XXXXXX Art und Menge der mineralischen Düngung XX Einfache Angaben zur Standortgüte XXXX BodendatenXX N-Gehalte Pflanzen und Dünger XX

41 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Gebrauchsanleitung Humusbilanz: Frage 3: Welche Gültigkeit besitzen die Aussagen? Aussage zum Düngebedarf zum Erhalt der Bodenproduktivität Aussage zur Veränderung der Humusvorräte VDLUFAValidiertEvaluiert HE nach Leithold et al.Plausibilitätsprüfung in Praxisanwendung Evaluiert STANDNicht explizit geprüftValidiert Dynamische HEPlausibilitätsprüfung in Praxisanwendung Evaluiert NeyroudNicht explizit geprüftEvaluiert HU-MODNicht explizit geprüftMöglichkeit des Szenarienvergleichs validiert CCBNicht explizit geprüftValidiert

42 Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Vielen Dank! Dr. Christopher Brock Justus-Liebig-Universität Giessen Professur für Organischen Landbau Karl-Glöckner-Straße 21c Giessen Deutschland Tel.: 0049-(0)


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