Humusgehalte, Stickstoffvorräte und N-Nachlieferung aus dem Bodenvorrat Dr. Richard Beisecker Ingenieurbüro für Ökologie und Landwirtschaft (IfÖL), Kassel 6. Erfahrungsaustausch der Gewässerschutzberater der Region Köln im Wasserwerk Hochkirchen der RheinEnergie AG am IfÖL – Dr. Beisecker1 I f Ö L

Vorstellung IfÖL IfÖL – Dr. Beisecker2 Arbeitsschwerpunkte: – Bodenschutz – Standortkartierungen/Standortbewertungen – Gewässerschutz – Umweltplanung – Agrar- und Umweltberatung Beratung und Betreuung verschiedener Wasserversorger und Kooperationen in Hessen, Thüringen, Nordrhein-Westfalen und Sachsen-Anhalt Landwirtschaftliche Zusatzberatung in sechs Maßnahmenräumen zur Umsetzung der WRRL in Hessen SprecherDVGW-PK „Landbewirtschaftung und Gewässerschutz“ DWA-AG GB-6.4 „Diffuse Stoffausträge aus Wald und naturnahen Nutzungen“ MitgliedDVGW-TK 1.2 „Grundwasser- und Ressourcenmanagement“ DWA GB 6 „Bodennutzung und Stoffeinträge in Gewässer “ I f Ö L

Gliederung  Einleitung (DVGW-Projekt N-Nachlieferung)  Ergebnisse von Dauerfeldversuchen (Humusgehalte)  Stickstoffvorräte und N-Pools im Boden  N-Nachlieferung unter Feldbedingungen IfÖL – Dr. Beisecker3 I f Ö L

Einleitung "Schon längst sagten daher alte erfahrene Landwirthe, die ganze Kunst der Landwirthschaft besteht darin, Mist genug zu machen.“ (Albrecht Daniel Thaer, ) „Immer und zu allen Zeiten ist es der Boden mit seiner Fruchtbarkeit gewesen, der über das Wohl und Wehe eines Volkes entscheidet.“ (Justus von Liebig, ) IfÖL – Dr. Beisecker4 I f Ö L

DVGW-Projekt N-Nachlieferung  Forschungs- und Entwicklungsvorhaben des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches (DVGW) „Abschätzung der standortspezifischen Stickstoffnachlieferung zur Optimierung der gewässerschonenden N-Düngeberatung“ Kurztitel: N-Nachlieferung Boden  Laufzeit: September 2011 bis Mai 2014 IfÖL

Projektbeteiligte  Antragsteller und Forschungsnehmer  Ingenieurbüro für Ökologie und Landwirtschaft (IfÖL), Malsfeld/Kassel  Projektbeteiligte und Mitförderer  Landesbetrieb Landwirtschaft Hessen (LLH), Kassel  Gelsenwasser AG, Gelsenkirchen  Rheinisch-Westfälische Wasserwerke (RWW), Mühlheim  RheinEnergie AG, Köln  Wasserverband Hessisches Ried (Hessenwasser); Groß-Gerau/Dornheim IfÖL Dr. Beisecker I f Ö L

Zielsetzung Düngebedarfsermittlung IfÖL Dr. Beisecker I f Ö L

Vorgehensweise Es werden zwei Ansätze zur Abschätzung der standort- und kulturartspezifischen N-Nachlieferung des Bodens verfolgt: I.Berechnung der N-Mineralisation aus dem Bodenvorrat durch statistische Datenauswertungen verschiedener Düngungsversuche und den Ergebnissen aus Wasserschutzkooperationen II.Ermittlung der N-Nachlieferung durch kontinuierliche Messung der Bodenfeuchte und Bodentemperatur und begleitender Boden- und Pflanzenanalysen auf landwirtschaftlichen Praxisschlägen der beteiligten Wasserversorgungsunternehmen  Ableitung von Pedo-Transferfunktionen zur standort- und ggfs. kulturartspezifischen Ermittlung der N-Nachlieferung aus dem Bodenvorrat IfÖL Dr. Beisecker I f Ö L

Berechnung N-Nachlieferung  Ableitung der standortbezogenen N-Mineralisation der Messflächen  Berechnung der N-Mineralisation mittels etablierter Mineralisationsfunktion anhand von Feldmessungen  vegetationsbegleitende Messung von Bodentemperatur und Bodenfeuchte sowie des N min -Gehaltes im Boden als Eingangsparameter für Mineralisationsfunktion  Berechnung der N-Freisetzung mittels Mineralisationsfunktion (z.B. M OLINA 1980; K ERSEBAUM 1994; L ORENZ, 2004 U. A.)  Vergleich der ermittelten N-Mineralisation mit der nach vorherigen Ansätzen berechneten N 0 - und Netto-Mineralisation (statistische Auswertungen vorhandener Daten) IfÖL

Gliederung  Einleitung  Ergebnisse von Dauerfeldversuchen (Humusgehalte)  Stickstoffvorräte und N-Pools im Boden  N-Nachlieferung aus dem Bodenvorrat IfÖL – Dr. Beisecker12 I f Ö L

Humusgehalt  Definitionen o Zur organischen Substanz im Boden (OBS) gehören alle in und auf dem Mineralboden befindlichen abgestorbenen Streustoffe und deren organische Umwandlungsprodukte. Die lebenden Organismen (Wurzeln, Bodenflora, Bodenfauna) gehören nicht zur OBS und werden als Edaphon bezeichnet. (Scheffer & Schachtschabel, 2010) o Unter organischer Bodensubstanz wird die im Boden integrierte lebende und abgestorbene organische Substanz verstanden, wobei erstere die autochthonen Kleinlebewesen (Edaphon) und letztere den Humus darstellt. (Müller, 1980) Bestimmung der OBS anhand der Messung des Corg-Gehaltes  Corg [%] x 1,724 = Humusgehalt [%] (tatsächlich liegt der Umrechnungsfaktor zwischen 1,4 – 3,3) IfÖL – Dr. Beisecker13 Nachfolgend werden nur die C org -Gehalte [%] angegeben und auf die Umrechnung in Humusgehalte verzichtet I f Ö L

Messungen Corg-Gehalt  Räumliche und zeitliche Variabilität der Corg- Gehalte im Boden  Jahreszeitlicher Rhythmus  Räumliche Heterogenität  Krumenmächtigkeit, Bearbeitungstiefe  Bedeutung der C org -Gehalte im Unterboden ??  Humusmonitoring WW Ellen, Stadtwerke Düren 2013 Mittlere aktuelle Bearbeitungstiefe: 25,4 cm Krumenmächtigkeit im Schürf: 20 bis 45 cm; Mittel 33,6 cm  76 % der Flächen haben eine "verlassene Krume"  Hinweis auf tieferes Pflügen in der Vergangenheit IfÖL – Dr. Beisecker14 I f Ö L

Heterogenität Corg-Gehalte  räumliche Variation im Feld (aus Werner & Bachinger, 2009) IfÖL – Dr. Beisecker15 Variationskoeffizienten VK [%] der mittleren Corg-Gehalte ackerbaulich genutzter Felder (pre agro) n. Lamp et al., 2002 I f Ö L

IfÖL Dr. Beisecker Humusgehalt im Boden abhängig von:  Klima  Boden (vor allem Tongehalt)  Topographie und Relief (Kuppe, Hang, Senke)  Bodennutzungssystem (Acker, Grünland, Wald) Einflussfaktoren:  kühle Temperaturen und feuchte Bodenverhältnisse verlangsamen den Abbau der OBS  höhere Gehalte  regelmäßige Bodenbearbeitung fördert den Abbau der OBS  Menge zugeführten organischen Substanz  Qualität der zugeführten organischen Substanz (Umsetzbarkeit, C/N-Verhältnis u.a.) Standorttypische Humusgehalte I f Ö L

Standorttypische Humusgehalte  Beziehungen zwischen Humus, Standortfaktoren und Bodeneigenschaften (Capriel, 2010) IfÖL – Dr. Beisecker17 I f Ö L

Standorttypische Humusgehalte  Schätzrahmen für Optimalgehalte an OBS landwirtschaftlich genutzter Böden (n. Wessolek et al., 2008) IfÖL – Dr. Beisecker18 Der C org -Gehalt nimmt für alle Bodenarten mit steigender KWB zu. Im Gebiet Ostdeutschlands treten mit der geringsten KWB auch die niedrigsten C org - Gehalte auf. Sehr unsicher ist allerdings der Zusammenhang von C org -Gehalten und der KWB bei Schluffböden. I f Ö L

Standorttypische Humusgehalte  Standorttypische Humusgehalte von Ackerböden in Bayern (n. Capriel, 2010) IfÖL – Dr. Beisecker19 I f Ö L

C-Pools im Boden  Klassisches Modell:  Nährhumus = leicht umsetzbarer Anteil der OBS, überwiegend durch Bewirtschaftungsbedingungen beeinflusst (Fruchtart, Düngung, Bodenbearbeitung)  Dauerhumus = inerter Anteil der OBS, weitgehend unbeteiligt an Mineralisierungsvorgängen, vorrangig von Standortbedingungen abhängig  C org = C inert + C umsetzbar IfÖL – Dr. Beisecker20 I f Ö L

C-Pools im Boden IfÖL – Dr. Beisecker21 Aktuelle Modellvorstellung 1.Labile Fraktion (≈ Nährhumus?)  Streu und freie, leichte partikuläre Fraktion  kurze Verweildauer, Umsetzung innerhalb von Monaten oder wenigen Jahren (< 35 a)  große Bedeutung für die Nährstoffversorgung der Pflanzen  durch Bewirtschaftung deutlich beeinflussbar 2.Intermediäre Fraktion (≈ umsetzbarer Dauerhumus)  okkludierte leichte partikuläre Fraktion  langsame Umsetzung, Verweildauer beträgt 10 bis 50 Jahre  lässt sich mittel- und langfristig durch die Bewirtschaftung beeinflussen 3.Passive Fraktion (≈ nicht umsetzbarer Dauerhumus)  schwere, freine Frakion, humifizierte OS  Verweildauer beträgt 100 bis 1000 Jahre  keine Beeinflussung durch die Bewirtschaftung I f Ö L

IfÖL Dr. Beisecker  1. Labile Fraktion (Nährhumus)  Streu und freie, leichte partikuläre Fraktion  1-5 % Anteil an der gesamten OBS  kurze Verweildauer, Umsetzung innerhalb von Monaten oder wenigen Jahren (< 35 a)  große Bedeutung für die Nährstoffversorgung der Pflanzen  durch Bewirtschaftung deutlich beeinflussbar  2. Intermediäre Fraktion (umsetzbarer Dauerhumus)  okkludierte leichte partikuläre Fraktion  ca. 50% Anteil an der organischen Bodensubstanz  besteht aus stärker zersetzten Pflanzenresten  langsame Umsetzung, Verweildauer beträgt 10 bis 50 Jahre  Bedeutung für die Bodenfruchtbarkeit (Struktur, Wasserhaushalt)  geringe Relevanz für die Nährstoffversorgung  lässt sich mittel- und langfristig durch die Bewirtschaftung beeinflussen Humusfraktionen (C-Pools) I f Ö L

 3. Passive Fraktion (nicht umsetzbarer Dauerhumus)  schwere, freine Frakion, humifizierte OS  ca. 45 – 50% Anteil an der gesamten OBS  das Material ist stark zersetzt, ein weiter Abbau erfolgt nur sehr langsam  Verweildauer beträgt 100 bis 1000 Jahre  keine Beeinflussung durch die Bewirtschaftung  Bedeutung für Struktur und Wasserhaushalt Humusfraktionen aus Sauerbeck, 1992 I f Ö L

Fließgleichgewicht  Bei konstanten Umweltbedingungen (Boden, Klima) und Nutzungsverhältnissen (Vegetation) stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Zufuhr und Abbau der OBS ein  charakteristischer Humusgehalt im Boden (Scheffer & Schachtschabel, 2010) IfÖL – Dr. Beisecker24 aus: Leitfeld, 2009  Humusbilanzierung ??!! I f Ö L

Einfluss der Bewirtschaftung IfÖL – Dr. Beisecker25 I f Ö L

Einfluss der Bewirtschaftung  C org -Gehalte (0-30 cm) in Abhängigkeit der Düngung in 18 Dauerfeldversuchen Europas (n. Körschens et al., 2012) IfÖL – Dr. Beisecker26 I f Ö L

Einfluss von Bodenart und Düngung  Beziehungen zwischen dem Ton- und Corg-Gehalt der Ackerböden und Einfluss einer optimalen organischen Düngung (STM+NPK) auf den Humusgehalt von 21 Dauerfeldversuchen (n. Körschens, 2002) IfÖL – Dr. Beisecker27 Für grundwasserferne Sand- und Lehmböden C inert = 0, ,068 * Ton-% (r 2 = 0,95) I f Ö L

IfÖL – Dr. Beisecker28 Düngung und Jahresniederschlag I f Ö L

Düngung und Jahresniederschlag IfÖL – Dr. Beisecker29 I f Ö L

Umsetzbarkeit der OBS  Mechanismen der C-Stabilisierung im Boden (z. B. Kögel-Knabner, 2009) o Rekalzitranz (Abbaubarkeit aufgrund der chemischen Struktur bestimmter Stoffgruppen) o Makroaggregierung  Mikrohabitate o Räumliche Un-/Zugänglichkeit (Einschluss in Porenräumen und Mikroaggregaten) o Organo-mineralische Interaktionen  Bindung des Corg an Feinsubstanz (fU, T), Bildung von Ton-Humuskomplexen  Anteil an rezentem C in S > U > T  C/N-Verhältnis ist guter Indikator für den Abbau der OBS IfÖL – Dr. Beisecker30 I f Ö L

Fazit Humusgehalte  Jährliche Veränderungen der Corg-Gehalte selbst bei extremer Änderung der Bewirtschaftung (Nulldüngung versus – STM [15t/(ha+a)] +NPK) betragen nur 0,009 % bzw. 0,012 % Corg/a  Die zwischen den Jahren auftretenden Abweichungen der Messwerte liegen deutlich höher bei bis z.T. > 0,1 % Corg n. Körschens (2013) IfÖL – Dr. Beisecker31 I f Ö L

Gliederung  Einleitung  Ergebnisse von Dauerfeldversuchen (Humusgehalte)  Stickstoffvorräte und N-Pools im Boden  N-Nachlieferung unter Feldbedingungen IfÖL – Dr. Beisecker32 I f Ö L

Veränderung Humusgehalte IfÖL – Dr. Beisecker33 I f Ö L

Veränderung Corg- und Nt-Vorräte IfÖL – Dr. Beisecker34 I f Ö L

N-Pools im Boden  Modellvorstellung: Mineralisations-Immobilisations-Turnover-Konzept MIT-Konzept (z. B. Olfs & Werner, 1993) 1.Mineralischer N-Pool – direkt pflanzenverfügbar 2.Biomasse-Pool – schnelle Umsetzung (1-3 % der OBS, C/N 5-8) 3.Humus-Pool – langsame Umsetzung (C/N 10-12) 3.1 intermediäre N-Pool (langsam umsetzbar) 3.2 passiver N-Pool (nicht umsetzbar) IfÖL – Dr. Beisecker35 I f Ö L

N-Pools im Boden  Größenordnung der N-Pools unter Feldbedingungen IfÖL – Dr. Beisecker36 I f Ö L

Stickstoff-Inkubationsversuche  Inkubation bei 35 °C, 77 Tage (Prof. Th. Appel, FH Bingen)  Standort I,J – Pulheim-Geyen: Parabraunerde aus Löß, z. T. schwach pseudovergleyt; Ut2 (L) in der Kurme 0,99-1,17 % Corg, 0,10-0,12 % Nt; C/N 10,01-10,23  Standort K,L – Niederkassel-Ranzel: Parabraunerde, z. T. schwach lessivierte Braunerde; Uls i. Krume 0,10 % Corg, 0,10 % Nt; C/N 8,12-8, IfÖL – Dr. Beisecker37 I f Ö L

N-Pools im Boden  Berechnete N-Pools aufgrund der Inkubation bei 35 °C, 77 Tage, Wassersättigung > 50 % (Prof. Th. Appel, FH Bingen) IfÖL – Dr. Beisecker38 I f Ö L

N-Pools und Bodeneigenschaften  Beziehung zwischen der Summe der N-Pools (N fast +N slow ) und Bodenparametern IfÖL – Dr. Beisecker39 I f Ö L

N-Mineralisation  Abhängigkeit der N-Mineralisation vor allem vom Tongehalt und dem Nt-Gehalt des Bodens siehe z. B. auch Heumann (2003)  aus Literatur auch Abhängigkeit der N- Mineralisation vom Corg-Gehalt des Bodens siehe z. B. Ros et al. (2011) IfÖL – Dr. Beisecker40 I f Ö L

Gliederung  Einleitung  Ergebnisse von Dauerfeldversuchen (Humusgehalte)  Stickstoffvorräte und N-Pools im Boden  N-Nachlieferung unter Feldbedingungen IfÖL – Dr. Beisecker41 I f Ö L

Messflächeneinrichtung  Schema Einrichtung Feldmessflächen Monatliche N min -Beprobungen (Mischprobe aus 8-10 Einschlägen) Meterschnitte zur Analyse der Biomasse ( mindestens 4 Termine: Vor-Winter, Vegetationsbeginn, Frühjahr, Ernte ) Sendeeinheit + Wetterstation Sendeeinheit je zwei FD-Bodensonden in 3 Tiefen (15, 45, 75 cm) kontinuierliche Messung von Bodenfeuchte/- temperatur insgesamt 6 Sonden pro Messplatz I f Ö L

N-Nachlieferung  Corg- und Nt-Gehalte im Bodenprofil IfÖL – Dr. Beisecker43 I f Ö L

N-Nachlieferung IfÖL – Dr. Beisecker44  Corg- und Nt-Vorräte [t/ha] im Bodenprofil I f Ö L

N-Nachlieferung Feldbedingungen  Entwicklung der Nmin-Gehalte und berechnete N-Nachlieferung aus dem Bodenvorrat n. Nordmeyer & Richter (1985) und HERMES (Kersebaum, 1989) Fläche K, Niederkassel-Ranzel, 839 mm Jahresniederschlag, ca. 10°C Jahresmitteltemperatur IfÖL – Dr. Beisecker45 I f Ö L

N-Nachlieferung Feldmessflächen  N-Nachlieferung berechnet nach Nordmeyer & Richter (1985) wie im Simulationsmodell HERMES (Kersebaum, 1989) IfÖL – Dr. Beisecker46 I f Ö L

N-Nachlieferung Feldmessflächen  Fläche O – Pfungstadt-Hahn (Schwab) IfÖL – Dr. Beisecker47 I f Ö L

Zusammenfassung und Fazit  Neben den Stickstoffvorräten ist vor allem die Qualität und Abbaubarkeit der organischen Substanz entscheidend für die N- Mineralisation  Neben Tonmineralbestand spielt vor allem die Zugänglichkeit für Mikroorganismen eine wesentliche Rolle für die Abbaubarkeit der OBS  Vorratsgröße ist nicht alles, Einflussfaktoren der Umsetzungsprozesse sind mit entscheidend !! IfÖL – Dr. Beisecker48 Großer Vorratkleiner Vorrat ungünstige Umsatzbedingungengünstige Umsatzbedingungen geringe Nachlieferunghohe Nachlieferung I f Ö L

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit ! Dr. Richard Beisecker Tel.: 0561/ IfÖL – Dr. Beisecker49 I f Ö L