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

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

Humusbilanz – Wer bin ich, und wenn ja wie viele?

2. Möglichkeit: Aussagen zur Veränderung der Humusvorräte! Anforderungen an die Humusbilanz: 1. Möglichkeit: Aussagen zum organischen Düngebedarf von Fruchtfolgen zum Erhalt der Bodenproduktivität bei geringer Umweltbelastung! 2. Möglichkeit: Aussagen zur Veränderung der Humusvorräte!

Landnutzungsänderung Was soll / was kann die Humusbilanz sagen? 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 OBS-Menge Grünland N-Effizienz Ertrag mittel gering hoch hoch mittel mittel A B C Zeit Landnutzungsänderung

Anforderungen an die Humusbilanzierung: 1. Möglichkeit: Aussage zum organischen Düngebedarf von Fruchtfolgen zum Erhalt der Bodenproduktivität bei geringer Umweltbelastung. 2. Möglichkeit: Aussagen zur Veränderung der Humusvorräte. 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 N-Effizienz Ertrag mittel gering hoch hoch hoch mittel A B C

Anforderungen an die Humusbilanzierung: 1. Möglichkeit: Aussagen zum organischer Düngebedarf von Fruchtfolgen zum Erhalt der Bodenproduktivität bei geringer Umweltbelastung. 2. Möglichkeit: Aussagen zur Veränderung der Humusvorräte. OBS-Menge A B C Zeit Landnutzungswechsel

Anforderungen an die Humusbilanzierung: 1. Möglichkeit: Aussagen zum organischer Düngebedarf von Fruchtfolgen zum Erhalt der Bodenproduktivität bei geringer Umweltbelastung. 2. Möglichkeit: Aussagen zur Veränderung der Humusvorräte. OBS-Menge A B C Zeit

Der VDLUFA-Standpunkt zur Humusbilanz (2004) sagt dazu: „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.“

Agronomisches Konzept: 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. Agronomisches Konzept: Humusbedarf = f (Fruchtfolge, Ertrag, N-Input, Standortbedingungen) Humusersatz = f (Fruchtfolge, org. Düngung) Ökologisches Konzept: ∆OBS = f [Bewirtschaftung, Standortbedingungen (Boden, Klima), OBS-Ausgangsmenge]

…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.

Zielstellung/Anwendungsbereich von Humusbilanzen: Aussage zum Düngebedarf zum Erhalt der Bodenproduktivität Aussage zur Veränderung der Humusvorräte VDLUFA Org. 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 HU-MOD Implizit Relative Änderung der OBS-Vorräte gegenüber Vornutzung Neyroud / SALCA Org. Düngerbedarf für den Erhalt der Humusvorräte CCB

2. Koeffizientenausweisung – die Ableitung bestimmt den Anwendungsbereich.

(bewirtschaftungsbedingte Veränderung der Humusvorräte) Grundprinzip der Humusbilanz: Humusersatz/Input (Org. Dünger, Pflanzenbiomasse) Humusbedarf/ bewirtschaftungsbedingter Humusverlust = Humusreproduktion (bewirtschaftungsbedingte Veränderung der Humusvorräte)

Möglichkeiten der Koeffizientengenerierung: experimentelle Ermittlung anhand von Dauerversuchen und / oder Ableitung aus der N-Dynamik Ableitung aus Umsatzindikatoren

Ausweisung von Mengenänderungen der OBS mit einem C-Umsatzmodell. Methodische Ansätze: VDLUFA Statische 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. STAND Ansatz wie VDLUFA. Empirische Koeffizientenanpassung auf Grundlage von Humus-Mengenänderungen in Dauerfeldversuchen. Dynamische HE Ausweisung von Humusbilanzkoeffizienten mit einem Modell zur N-Dynamik im System Boden-Pflanze, sowie mit empirisch ermittelten Werten zur Humusersatzleistung von Pflanzenbiomasse und Düngern. Neyroud Berechnung der Humusbilanz mit statischen Koeffizienten auf Grundlage von Ackerflächenverhältnis, org. Düngung und angenommenem standorttypischen Boden-C-Gehalt. HU-MOD Ausweisung von Humusbilanzkoeffizienten mit einem Modell zur C- und N-Dynamik im System Boden-Pflanze. CCB Ausweisung von Mengenänderungen der OBS mit einem C-Umsatzmodell.

OBS-C-Änderung, OBS-C-Bilanz, N-Bilanz, wirksame Mineralisierungszeit Output: VDLUFA Saldo der organischen Düngung unter Berücksichtigung von Fruchtfolge- und Düngerleistungen HE nach Leithold et al. Dynamische HE Saldo der organischen Düngung unter Berücksichtigung von Fruchtfolge- und Düngerleistungen, Saldo der Humusversorgung HU-MOD STAND Saldo der Humusversorgung (=Saldo humusabbauender und humusaufbauender Maßnahmen) Neyroud CCB OBS-C-Änderung, OBS-C-Bilanz, N-Bilanz, wirksame Mineralisierungszeit

Berücksichtigte Faktoren: Bewirtschaftung Standort VDLUFA Fruchtfolge, org. Düngung --- HE nach Leithold et al. Fruchtfolge, org. Düngung, Landbausystem (ÖKO/KON) STAND Standortklassen Dynamische HE Fruchtfolge, Erträge, org. Düngung, min. Düngung Standortspezifische N-Verwertung Neyroud Ackerflächenverhältnis, org. Düngung Standorttypischer C-Gehalt, Bodentextur, pH HU-MOD Standortspezifische N-Verwertung, standortspez. OBS-CN-Verhältnis CCB Fruchtfolge, Erträge, org. Düngung Bodenart/Textur, Klima, OBS-Ausgangsmenge (weitere Daten optional)

Koeffizientengenerierung der VDLUFA-Basismethode: (Asmus & Herrmann 1977) Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen Veränderung der Humusvorräte im Auswertungszeitraum (% Corg) +0,25 +/-0 -0,25 Ertragsniveau Winterweizen (dt TS ha-1) 25 50 75 100

Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen: Veränderung der Humusvorräte im Auswertungszeitraum (% Corg) Annähernd konstante Humusgehalte... +0,25 +/-0 -0,25 Ertragsniveau Winterweizen (dt TS ha-1) 25 50 75 100

Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen: Veränderung der Humusvorräte im Auswertungszeitraum (% Corg) Annähernd konstante Humusgehalte... ...bei hohem Ertragsniveau. +0,25 +/-0 -0,25 Ertragsniveau Winterweizen (dt TS ha-1) 25 50 75 100

Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen: Fruchtfolge: 60 % Getreide 20 % Hackfrucht 20 % Feldfutter (Luzernegras) Düngung: 120 dt Rottemist ha-1a-1 100 kg Mineral-N ha-1a-1 Notwendige Zufuhr an Org. Substanz (TS, bezogen auf Stallmist) zum Erhalt der Humusvorräte: 30 dt ha-1 a-1 Veränderung der Humusvorräte im Auswertungszeitraum (% Corg) +0,25 +/-0 -0,25 Ertragsniveau Winterweizen (dt TS ha-1) 25 50 75 100

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

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

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

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,...)

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).

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.

Ermittlung der Humusmineralisierung: 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 Humusersatzleistung: 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.

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.

Ökologisches Bilanzkonzept: Modellierung des Umsatzes organischer Bodensubstanz.

3. Biogas und Humusbilanz im Ackerbau

Landnutzungsänderung Was soll / was kann die Humusbilanz sagen? 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 OBS-Menge Grünland N-Effizienz Ertrag mittel gering hoch hoch mittel mittel A B C Zeit Landnutzungsänderung

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.

Beispiele Szenario Fruchtfolge Düngung Humusbilanz (Häq ha-1a-1) Alle Szenarien: im Mittel 120 kg N ha-1 a-1 mineralisch VDLUFA –untere W. VDLUFA – obere W. HU-MOD Futterbau Winterweizen+ZF-Silomais-Wintergerste+ZF-Hafer 40 m3 Gülle ha-1 zu Mais, Haferstroh abgefahren +306 +156 +89 Markt-fruchtbau Winterweizen+ZF-Winterweizen-Winterraps+ZF-Wintergerste Stroh verbleibt grundsätzlich +836 +716 -180 Biogas Silomais-Silomais-Winterweizen+ZF-Wintergerste Im Mittel 25 dt Gärrest ha-1 a-1, ZF und Stroh verbleibt +551 +371 +109 Biogas ohne Gärrest-Rückführg. ZF und Stroh verbleibt -71 -448

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.

4. Fazit – Gebrauchsanleitung Humusbilanz.

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)!

VDLUFA, HE nach Leithold Gebrauchsanleitung Humusbilanz: Frage 2: Wie ist der Datenbedarf? VDLUFA, HE nach Leithold STAND Dyna-mische HE Neyroud HU-MOD CCB Fruchtfolge X Erträge Art und Menge der organischen Dünger Art und Menge der mineralischen Düngung Einfache Angaben zur Standortgüte Bodendaten N-Gehalte Pflanzen und Dünger

Gebrauchsanleitung Humusbilanz: Frage 3: Welche Gültigkeit besitzen die Aussagen? Aussage zum Düngebedarf zum Erhalt der Bodenproduktivität Aussage zur Veränderung der Humusvorräte VDLUFA Validiert Evaluiert HE nach Leithold et al. Plausibilitätsprüfung in Praxisanwendung STAND Nicht explizit geprüft Dynamische HE Neyroud HU-MOD Möglichkeit des Szenarienvergleichs validiert CCB

Vielen Dank! Dr. Christopher Brock Justus-Liebig-Universität Giessen Professur für Organischen Landbau Karl-Glöckner-Straße 21c 35394 Giessen Deutschland Tel.: 0049-(0)641-99-37735 Email: christopher.brock@agrar.uni-giessen.de