am 09. September 2013 in Rostock DVGW F+E-Vorhaben W 1-01-11 Vortrag DBG-Tagung am 09. September 2013 in Rostock „Abschätzung der N-Nachlieferung anhand von Auswertungen mehrjähriger Feldversuche sowie Bodenfeuchte und –temperaturmessungen“ Lukas Raffelsiefen Christian Steinicke Dr. Richard Beisecker I f Ö L IfÖL

I f Ö L Gliederung Projektvorstellung Veranlassung Messflächen & vorläufige Messergebnisse N-Nettomineralisation auf Düngeversuchen I f Ö L IfÖL

Kurztitel: N-Nachlieferung Boden Projektvorstellung 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 I f Ö L IfÖL

I f Ö L 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 Wasserwerksgesellschaft (RWW), Mühlheim RheinEnergie AG, Köln Wasserverband Hessisches Ried (Hessenwasser); Groß-Gerau/Dornheim I f Ö L Weiterhin andere Partner im Projekt die Daten liefern Daten aus 5 Bundesländer IfÖL

I f Ö L Gliederung Projektvorstellung Veranlassung Messflächen & vorläufige Messergebnisse N-Nettomineralisation auf Düngeversuchen I f Ö L IfÖL

I f Ö L Zielsetzung Düngebedarfsermittlung IfÖL Bisher: enorme Spannweite bei der Mineralisationsabschätzung IfÖL

Zielsetzung Vertiefender Einblick in die zeitliche Dynamik der N- Nachlieferung Ableitung Transferfunktionen bzw. Schätzungsrahmen zur standort- und ggfs. kulturartspezifischen Ermittlung der N-Nachlieferung aus dem Bodenvorrat Erarbeitung einer Methodik zur Berücksichtigung der N- Nachlieferung bei der Düngebedarfsermittlung (Beratungsempfehlungen) Abschätzung des Stickstoffminderungspotentials durch gewässerschonende Landbewirtschaftung I f Ö L Punkt2 Anwendungsbezug zur Praxis Stickstoffminderungspotential: Beispiel humose Sandböden Tecklenburger Land: Macht Beratung Sinn oder ist eine Nutzungsänderung nötig IfÖL

Vorgehensweise Abschätzung der standort- und kulturartspezifischen N- Nachlieferung des Bodens: Berechnung der N-Netto-Mineralisation aus dem Bodenvorrat durch statistische Datenauswertungen verschiedener Düngungsversuche aus 5 Bundesländern und Wasserschutzgebietskooperationen Ermittlung der N-Nachlieferung durch kontinuierliche Messung der Bodenfeuchte und Bodentemperatur und begleitender Boden- und Pflanzenanalysen auf landwirtschaftlichen Praxisschlägen der beteiligten Wasserversorgungsunternehmen I f Ö L IfÖL

I f Ö L Gliederung Projektvorstellung Veranlassung Messflächen & vorläufige Messergebnisse N-Nettomineralisation auf Düngeversuchen I f Ö L IfÖL Dr. Beisecker

I f Ö L LLH - Vöhl LLH – Nieder Weisel LLH – Leeheim

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

Vorläufige Ergebnisse - Messflächen Beispielstation - Vergleich Temperatur Bodentemperatur I f Ö L IfÖL

Vorläufige Ergebnisse - Messflächen Beispielstation - Vergleich Niederschlag Bodenfeuchte I f Ö L IfÖL

II. Berechnung N-Nachlieferung Unabhängige Ableitung der standortbezogenen N-Mineralisation unserer Messflächen Berechnung der N-Mineralisation mittels etablierter Mineralisationsfunktion anhand von Feldmessungen vegetationsbegleitende Messung von Bodentemperatur und Bodenfeuchte sowie des Nmin-Gehaltes im Boden als Eingangsparameter für Mineralisationsfunktion Berechnung der N-Freisetzung mittels Mineralisationsfunktion (z.B. Molina 1980; Kersebaum 1994) Vergleich der ermittelten N-Mineralisation mit der nach vorherigen Ansätzen berechneten N0- und Netto-Mineralisation (statistische Auswertungen vorhandener Daten) I f Ö L Nt kummulative N-Mineralisationsmenge pro Zeiteinheit Nf (fast) leicht verfügbarer Stickstoff Ns (slow) langsam/schwer verfügbarer Stickstoff K Reaktionskoeffizient in Abhängigkeit vom Boden IfÖL

Vorläufig berechnete Mineralisation I f Ö L kg N ha-1 150 kg N * ha-1 Fläche Gelsenwasser, pseudovergleyte Löß-Parabraunerde, Haltern am See Humusgehalt ~3% rosa: organische Düngung blau: mineralische Düngung langjährige organische Düngung, hoher Gehalt an Norg (1,03 %), hofnah!! kumulative Mineralisation 0-30 cm schnell und langsam min. Pools getrennt keine Berücksichtigung Pflanzenaufnahme, Versickerung, Denitrifikation, Immobilisation Winterweizen: 80 dt/ha; geringer N-Gehalt Korn (1,81%, Literatur 1,74-2,9% in der TM) 31kg N * ha-1 155 27 24 93 Mineralische Düngung Organische Düngung IfÖL

vorläufig berechnete Mineralisation I f Ö L 150 kg N * ha-1 31kg N * ha-1 IfÖL

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I f Ö L 150 kg N * ha-1 31kg N * ha-1 IfÖL

Inkubationsergebnisse Deutlicher Hinweis auf die Inkubation Th. Appel FH Bingen Hinweis auf K-Faktoren, N-pools Darstellung der kumulierten N-Freisetzung Korrelation zu Standortdaten, Norg, Corg I f Ö L IfÖL

Inkubationsversuche an der FH Bingen I f Ö L Inkubationsversuche, die von Studenten der FH-Bingen im Rahmen eine Laborpraktikums unter Anleitung von Prof. Appel durchgeführt wurden Kumulierte N-Freisetzung in diesem Beispiel nach 77 Tagen fast erreicht. Jedoch auch Messflächen mit steileren Kurven, wo die Inkubationsdauer zur Bestimmung der kummulierten N-Freisetzung nicht ausreichend war. IfÖL

Inkubationsversuche an der FH Bingen I f Ö L Pearson Korrelation: N-Freisetzung vs. Ntotal Punktwolke und zwei Flächen in Südhessen, die die Korrelation verbessern Weitere Vergleiche durchgeführt: Corg r=0,24; Tongehalt r= 0,74 Tongehalt ebenfalls durch 3 Flächen verbessert IfÖL

Inkubationsversuche an der FH Bingen I f Ö L Pearson Korrelation: IfÖL

I f Ö L Gliederung Projektvorstellung Veranlassung Messflächen & vorläufige Messergebnisse N-Nettomineralisation auf Düngeversuchen I f Ö L IfÖL

I. Berechnung N-Nettomineralisation Definition Stickstoff-Nettomineralisationsrate N-NMR = (N-Entzug + Rest-Nmin-Gehalt) – (Frühjahrs-Nmin-Gehalt + Düngung) Die N-NMR beschreibt den Anteil an Stickstoff, der über den Boden nachgeliefert wird  Ein positiver Saldo zeigt an, wie hoch der vom Boden nachgelieferte N-Anteil ist;  Ein negativer Saldo zeigt dagegen, dass die N-Düngung deutlich höher als der N-Entzug der Pflanzen ist (pos. N- Bilanzsaldo) Die N-Nachlieferung aus dem Bodenvorrat ist überlagert durch eine über der Abfuhr liegende N-Düngung I f Ö L Formel in dieser Form in der Literatur zu finden. Teilweise aber auch mit Abweichungen: Berücksichtigung des N im Bestand im Frühjahr Oder Berechnung mit N-Abfuhr, statt N-Entzug, hier wird das N der Nebenernteprodukte mit dem Nachernte Nmin nicht immer erfasst IfÖL

N-NMR auf gedüngten Flächen I f Ö L Berechnung der N-Nettomineralisationsrate für gedüngte Flächen ist problematisch Darstellung auf der Grundlage von Daten des LTZ Augustenberg IfÖL

Vorläufige Auswertung N0-Versuche I f Ö L Daten normalverteilt, Varianzen Homogen Test: Anova mit Tukey Anschlusstest Darstellung auf der Grundlage von Daten des LfULG Sachsen und des LTZ Augustenberg IfÖL

Vorläufige Auswertung N0-Versuche Kultur n N-NMR (Median) [kg N/ha] 1) Wachstumsdauer Frühjahr bis Ernte [d] 2) Sommergerste 12 43 b 90 - 110 Triticale 13 66 ab 140 - 160 Wintergerste 16 67 b 120 - 140 Zuckerrübe 7 71 ab 180 - 200 Kartoffeln 76 ab 90 - 160 Winterweizen 107 88 a 160 - 180 Silomais 17 106 a 130 - 160 Gesamt 179 82 - I f Ö L Quellen: Lehrbuch des Pflanzenbaus u.a. Zuckerverband.de Kartoffeln: früh bis spät Weitere Vergleiche zwischen NMR und Ackerzahl, die jedoch keine Zusammenhänge zeigen. Nochmalige Auswertung sobald alle Daten zusammen Werte mit gleichen Buchstaben unterscheiden sich nicht signifikant (P<5%) Verschiedene Quellen IfÖL

I f Ö L Weiteres Vorgehen Vervollständigung und Auswertung weiterer Datensätze sowie Prüfung eventueller Abhängigkeiten Simulation des Wasser- und N-Haushalts aller Messflächen mit dem Modell Hermes (Kersebaum) Anpassung der Mineralisationsgleichung an Ergebnisse der Inkubationsversuche I f Ö L IfÖL

Fazit Berechnung der N-Nettomineralisationsrate ist vor allem für ungedüngte Flächen sinnvoll Die Messung der Bodenfeuchte und Bodentemperatur ermöglicht die Abschätzung der N-Mineralisation auf den Messflächen Die N-Mineralisation aus dem langsamen N- Pool ist erheblich I f Ö L IfÖL

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! Gewässerschonende Landwirtschaft Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! I f Ö L Wir danken dem DVGW und den beteiligten Wasserversorgern für die finanzielle Förderung des Projekts IfÖL

Messtechnik I f Ö L IfÖL

Messtechnik I f Ö L Wassergehalt (Topp et al. 1980) 𝑉𝑊𝐶 =4,3× 10 −6 𝜀 𝑎 3 −5,5× 10 −4 𝜀 𝑎 2 +2,92 × 10 −2 𝜀 𝑎 −5,3× 10 −2 FD-Sonde: Kapazitive Messung der Dielektrizitätskonstante zwischen 2 Elektroden IfÖL

Messflächeneinrichtung I f Ö L IfÖL

Messflächeneinrichtung I f Ö L IfÖL

Sondeneinbau im Detail I f Ö L IfÖL