Phosphor Verfügbarkeit, Nachlieferung und Verlustrisiko in diluvialen Böden Brandenburgs

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1 Phosphor Verfügbarkeit, Nachlieferung und Verlustrisiko in diluvialen Böden Brandenburgs Kathlin Schweitzer Humboldt Universität zu Berlin, Albrecht Daniel Thear Institut für Agrar und Gartenbauwissenschaften 3. Paulinauer Dünge und Bodentag, 1. Juni 2017

2 Phosphor Verfügbarkeit, Nachlieferung und Verlustrisiko in diluvialen Böden Brandenburgs 1. Einleitung 2. Modell der P Dynamik und P Kennwerte 3. Ableitung der Kennwerte in Dauerfeldversuchen

3 Einführung Positionspapier des VDLUFA (2015): Phosphordüngung nach Bodenuntersuchung Anpassung der Richtwerte für die Gehaltsklassen geboten und notwendig 1. Re Evaluierung des Kenntnisstandes zur P Düngeempfehlung. Umfangreiche Erfahrung mit Abreicherung von Bodenphosphat 2. Vorschlag neuer Richtwerte für die Gehaltsklassen A bis E für Ackerund Grünlandstandorte (mg CAL P/100 g Boden) Gehaltsklasse bisherige Richtwerte neue Richtwerte A <2,0 <1,5 B 2,0 4,5 1,5 3,0 C 4,5 9,0 3,0 6,0* D 9,0 15,0 6,0 12,0 E >15,0 >12,0 * der obere Wert für die Gehaltsklasse C von 6 mg CAL P gilt für alle Standorte mit Niederschlagsmengen > ~550 mm/jahr. In Trockengebieten (< ~550 mm) erhöht sich der obere Wert auf 7,5 mg CAL P 3

4 Problematik Positionspapier des VDLUFA (2015): Phosphordüngung nach Bodenuntersuchung Anpassung der Richtwerte für die Gehaltsklassen geboten und notwendig 3. Präzisierung der P Düngeempfehlung durch Kennwerte der P Dynamik von Böden durch Berücksichtigung der angebauten Kulturen und weiterer Standortfaktoren 4

5 Phosphor Verfügbarkeit, Nachlieferung und Verlustrisiko in diluvialen Böden Brandenburgs 1. Einleitung 2. Modell der P Dynamik und P Kennwerte 3. Ableitung der Kennwerte in Dauerfeldversuchen

6 Modell P Pools und P Dynamik im Boden Chemische P Verfügbarkeit: P Bindungsformen DL-löslich lösliches CaH 2 PO 4 austauschbar sorbiertes P labile Ca P Phase Al/Fe assoziiertes P (sorbiert) H n PO 3 m mikrobielles P freies Humus P, Phytin Ca, Al/Fe assoziertes P org schwerlösliches Ca P, Al/Fe assoziertes P (fixiert) P org H + Ca 2+ P in Ton Humuskomplexen fixiertes Phytin? stabiles Apatit P, Al/Fe P, z.t. okkludiert (AlOH n ) +3 n (FeOH n ) +3 n Anorganisches P Organisches P 6

7 Modell P Pools und P Dynamik im Boden Pflanzenverfügbares P = Mobilisierbares P DL-löslich lösliches CaH 2 PO 4 austauschbar sorbiertes P labile Ca P Phase Al/Fe assoziiertes P (sorbiert) H n PO 3 m mikrobielles P freies Humus P, Phytin Ca, Al/Fe assoziertes P org schwerlösliche Ca P, Al/Fe assoziertes P (fixiert) P org H + Ca 2+ P in Ton Humuskomplexen fixiertes Phytin? stabiles Apatit P, Al/Fe P, z.t. okkludiert (AlOH n ) +3 n (FeOH n ) +3 n Anorganisches P Organisches P 7

8 Modell P Pools und P Dynamik im Boden Umwandlung von gedüngtem Phosphat im Boden Mineraldüngung SP Sekundärrohstoffdünger RP Organische Düngung flüssig fest pfl.reste Tier GR, BK lösliches CaH 2 PO 4 austauschbar sorbiertes P labile Ca P Phase Al/Fe assoziiertes P (sorbiert) schwerlösliche Ca P, Al/Fe assoziertes P (fixiert) stabiles Apatit P, Al/Fe P, z.t. okkludiert H n PO 3 m P org H + Ca 2+ (AlOH n ) +3 n (FeOH n ) +3 n mikrobielles P freies Humus P, Phytin Ca, Al/Fe assoziertes P org P in Ton Humuskomplexen fixiertes Phytin? Anorganisches P Organisches P 8

9 Phosphor Verfügbarkeit, Nachlieferung und Verlustrisiko in diluvialen Böden Brandenburgs 1. Einleitung 2. Modell der P Dynamik und P Kennwerte 3. Ableitung von P Kennwerten in Dauerfeldversuchen

10 P Kennwerte Ableitung aus Dauerfeldversuchen Schweitzer, Zimmer, Baumecker (2016), VDLUFA-Kongressbd., SchrR 72 Dauerfeldversuchen der HU Berlin und des LELF Brandenburg Thyrow, Thy_D41 Berlin Dahlem, Bda_D3 Groß Kreutz, GrK_M4 Groß Kreutz, GrK_P60 Dauerfeldversuche: Laufzeit Jahre P Salden über alle Varianten (NK NPK+OD): bis kg ha 1 = 15 bis 59 kg ha 1 jährlich 10

11 Dauerfeldversuche Standorte Eigenschaften des Pflughorizontes (Ap, Tiefe 30 cm) Ton 3 6 % Bodenart Su2 Su4 Bodengruppe BG 1 BG 2 TRD 1,5 1,7 g cm 3 Karbonat 0% C org 0,4 1,0 % ph 5,0 6,3 PSC* mmol kg 1 *PSC= P Sorptionskapazität = 0,5 * (Al,Fe) oxalatlöslich 11

12 Dauerfeldversuche Standorte Thy_D41 BDa_D3 GrK_M4 GrK_P cm cm cm cm Bodentyp: LF BB BB LF LF lbb Substrat: s//l s/l s/l s BodSchätz: Sl4D ls4d ls3d Sl4D 12

13 Phosphor Verfügbarkeit, Nachlieferung und Verlustrisiko in diluvialen Böden Brandenburgs 1. Einleitung 2. Modell der P Dynamik und P Kennwerte 3. Ableitung der Kennwerte in Dauerfeldversuchen 3.1 P Speicherung und P Austrag durch Bodenerosion 3.2 P Verfügbarkeit und P Nachlieferung 3.3 P DL Gehalt der Gehaltsklasse C 3.4 P Konzentration der BL und P Aufnahme der Pflanze 3.5 P Sättigung und löslicher P Austrag

14 P Speicherung, P Retention, Düngeeffizienz P Sorptionskapazität (mmol kg 1 ) unabhängig von Düngung über alle Versuche, alle Prüfglieder 5 19 mmol kg 1 Extrem niedrig. 21 Dauerversuche in Deutschland und Tschechien <20 > 130 mmol kg 1 Schweitzer, Kulhanek & Balik (2013) 14

15 P Speicherung (Ap) und P Austrag (Erosion) Gesamt P Klasse C P-Austrag! P Gesamt, Spannweite [mg kg 1 ] = P Gesamt, in GKL C [mg kg 1 ] P Vorrat, in GKL C [kg ha 1 ]

16 P Verfügbarkeit Anteil P-DL an P-Gesamt Klasse C Anteil P DL an P Gesamt in GKL C % 16

17 P Nachlieferung: P Fraktionen Langfristige P Nachlieferung auch aus schwerlöslichen Verbindungen P Gehalt in verschiedenen Bindungsformen nach langjährigem P Mangel vs. P Düngung im Nährstoffmangelversuch Thyrow (Thy_D41) Schweitzer & Baumecker (2012), VDLUFA Kongressband, SchrR 68 17

18 Langfristige P Nachlieferung Gesamt Biomasseproduktion ohne P im Vergleich zu mit P (Gleitmittel über jeweils 4 Rotationsjahre) Relativertrag NK : NPK = 84 % Relativertrag NK : NPK = 97 / 100 % 18

19 Richtwerte der P Gehaltklassen P DL Gehalt und Ertrag nach langjährig unterschiedlicher P Düngung seit 1923 im Bodennutzungsversuch Berlin Dahlem (Untersuchungen ) Pflugtiefe P Zufuhr kg ha 1 a 1 P DL mg / 100g Winterweizen, 86 % TS Silomais, TM Korn Stroh GPFL dt ha 1 Rel. dt ha 1 Rel. dt ha 1 rel. 28 cm 0 4,0 +0,1 46, , ,7 +1,0 45, , cm 0 4,6 +1,2 49, , ,4 +0,4 48, ,

20 Richtwerte der P Gehaltklassen P DL Gehalt und Ertrag nach langjährig unterschiedlicher P Düngung seit 1988 im Nährstoffmangelversuch Winterroggenmonokultur (Untersuchungen ) Prüfglied P Zufuhr P DL Winterroggen (86% TS) kg ha 1 % Entzug mg / 100 g Korn Stroh dt ha 1 Rel. dt ha 1 Rel. N1K (+Kalk) 0 0 5,0 + 0,7 36, ,5 92 N1PK (Kalk) ,2 + 1,3 40, ,5 100 N2PK (+Kalk) ,5 + 1,7 52, ,

21 Richtwerte der Gehaltklasse C Nettoumsatz = P Zufuhr + P Abfuhr PCV DL C P V BL Bio-P 21

22 Richtwerte der Gehaltklasse C Bruttoumsatz > Nettoumsatz P Aufnahme > P Abfuhr Aufgenommenes P verbleibt in Wurzel bzw. wird in die Wurzel zurückgeführt (Foyjunessa at al. 2016) P-Recycling langsam fließende P-Reserve PCV DL C P V BL Bio-P Biologische Mobilisierung P im Unterboden 22

23 Richtwerte der Gehaltklasse C Bruttoumsatz > Nettoumsatz: Langfristig über Ernte Wurzelreste zurückgeführtes P kann im Boden zur Umverteilung von schwerlöslichen zu labilen P Formen führen Anstieg des P DL Gehaltes bei P Düngung nach Abfuhr P Düngung in % P Abfuhr Dauerdüngungsversuch Gülzow auf einer Sand Braunerde, Landesforschungsanstalt für Landwirtschaft und Fischerei MV (Bull et al. 2016) 23

24 Richtwerte der Gehaltklasse C FAZIT: Richtwerte der GKL C entsprechen dem P DL Gehalt im Fließgleichgewicht, welches sich bei langjähriger P Düngung nach Abfuhr einstellt (vgl. Bilanzmethode zur Ableitung der GKL, n. Richter & Kerschberger, 1991) Dauerversuch D3, Dahlem: 7,7 mg / 100 g Boden (28 cm Pflugtiefe) 9,4 mg / 100g Boden (17 cm Pflugtiefe) Dauerversuch D42, Thyrow: 8,5 mg / 100g Boden (28 cm Pflugtiefe) Niedrigere P DL Gehalte sind nur mit defizitärerer Düngung auf Kosten der natürlichen P Vorrates im Boden zu erzielen. 24

25 Phosphor Verfügbarkeit, Nachlieferung und Verlustrisiko in diluvialen Böden Brandenburgs 1. Einleitung 2. Modell der P Dynamik und P Kennwerte 3. Ableitung der Kennwerte in Dauerfeldversuchen 3.1 P Speicherung und P Austrag durch Bodenerosion 3.2.P Verfügbarkeit und P Nachlieferung 3.3.P DL Gehalt der Gehaltsklasse C 3.4.P Konzentration der BL, P Aufnahme der Pflanze 3.5 P Sättigung, P Konzentration der BL, löslicher P Austrag

26 P Aufnahme durch die Pflanze P Konzentration der Bodenlösung P Aufnahme nicht limitiert: c BL = 0,2 0,6 mg l 1 Kenngröße Beziehung Spannweite DFV BB Spannweite zu P-DL (R 2 ) GKL C Total DFV (22 Orte) P DL (mg kg -1 ) P CaCl2 (mg kg -1 ) 0,74 4,0 4,9 1,0 12 0,0 12 c BL (mg kg -1 ) 0,77 1,2 1,6 0,1 4,5 0,0 4,5 logpu ( P s / c BL ) 0,75 1,1 0,9 1,7 0,2 4,3 0,2 26

27 P Austrag, gelöst P Sorptionskapazität und P Sättigungsgrad des Bodens oberhalb der wasserbeeinflussten Horizonte Vgl. Schoumans & Chardon (2015): P Sättigung von Böden in den Niederlande, Geoderma : Obergrenze Go Horizont Gley aus Sand 27

28 P Austrag (gelöst) Verminderte P Retention: P Sättigungsgrad > 0,25 P Eutrophierung: c BL > 0,02 mg l 1 Pflughorizont (Ap) Oberflächenabfluss, P Austrag in den Unterboden Kenngröße Beziehung Spannweite Spannweite zu P DL (R 2 ) GKL C Total DFV (22 Orte) P DL (mg kg 1 ) P CaCl2 (mg kg 1 ) 0,74 4,0 4,9 1,0 12 0,0 12 c BL (mg kg 1 ) 0,77 1,2 1,6 0,1 4,5 0,0 4,5 logpu ( P s / c BL ) 0,75 1,1 0,9 1,7 0,2 4,3 0,2 P Sättigungsgrad 0,75 0,6 0,7 0,4 1,4 0,16 1,4 28

29 P Austrag, gelöst: P Retention im Bodenprofil Versuch Tiefe (cm) PSC (mmol kg 1 ) P Sättigungsgrad Mittel Min Max Thy_D ,40 (NK) 0,66 BDa_D ,42 (NK) 0, ,27 0,39 GrK_M ,67 1, ,06 0, ,04 0, ,08 0,14 GrK_P ,59 (Due0) 1, ,05 0, ,03 0, ,04 0,18 29

30 P Austrag, gelöst: P Retention im Bodenprofil Versuch Tiefe (cm) PSC (mmol kg 1 ) P Sättigungsgrad Mittel Min Max Thy_D ,40 (NK) 0,66 BDa_D ,42 (NK) 0, ,27 0,39 GrK_M ,67 1, ,06 0, ,04 0, ,08 0,14 GrK_P ,59 (Due0) 1, ,05 0, ,03 0, ,04 0,18 30

31 P Austrag, gelöst: P Retention im Bodenprofil Steigende P Konzentration der BL im Ober und Unterboden bei P Akkumulation im Oberboden (N = 110) C C c equ (mg l 1 ) C C 0,02 mg l 1 Gesamt P im Oberboden (mg l 1 ) D3 / P60 / M4 31

32 P Austrag, gelöst: P Retention im Bodenprofil Einfluss des Profilaufbaus auf die P Konzentration der Bodenlösung (mg l 1 ) Tiefe (cm) Horizont Anzahl Mittel Min Max 0 30 Ap 70 2,41 0,60 5, Ael, Bv 53 2,29 0,00 11,57 Bt+Ael, Bt 30 0,56 0,00 3, Ael, Bv 27 0,47 0,00 2,97 Bt+Ael, Bt 32 0,12 0,00 1,25 elcv 5 0,006 0,00 0,02 Hohe P Konzentrationen im Ael, Bv aus Sand Geringe P Konzentrationen im elcv und in lehmbetonten Horizonten 32

33 P Austrag, gelöst FAZIT: P Sorptionskapazität ist sehr gering, Gefahr der P Sättigung und des P Austrags in gelöster Form hoch. Diluviale Sandböden weisen im Ap Horizont eine hohe P Sättigung auch ohne P Düngung auf. Hohes Austragsrisiko besonders bei durchgehendem Sand im Unterboden. Anstieg des Tongehaltes im Unterboden und/oder Vorkommen von Kalk (Geschiebemergel) vermindern das P Austragsrisiko. Langfristig überdüngte Böden mit hoher P Sättigung mindestens bis 70 cm Tiefe. 33

34 Vielen Dank und Wiedersehen in Thyrow Praxisinformationstag am 16.Juni

35 Literatur: Bull I, Michel V, Thiel T (2016):Langjährige Reduzierung der P und K Düngung Effekte nach 18 Jahren im statischen P /K Dauerdüngungsversuch in Gülzow. VDLUFA Kongress 2016 in Rostock. VDLUFA Schriftenreihe 73: Foyjunnessa, McNeill A, Doolette A, Mason S, McLaughlin MJ (2016): Quantifying total phosphorus accumulation below ground by canola and lupin plants using 33P labelling. Plant Soil 401: Schoumans OF, Chardon WJ (2015): Phosphate saturation degree and accumulation of phosphate in various soil types in The Netherlands. Geoderma : Richter D, Kerschberger M (1991): Methoden zur Ermittlung von Grenzwerten der Phosphor, Kalium und Magnesium Gehalte in Ackerböden. Z. Pflanzenernähr. Bodenk. 154: Schweitzer K, Zimmer J, Baumecker M (2016): Bewertung der Bodenfunktionen P Speicherung und P Nachlieferung für Sandböden trockener diluvialer Ackerstandorte auf der Grundlage von Dauerfeldversuchen. VDLUFA Kongress 2016 in Rostock. VDLUFA Schriftenreihe 73: Schweitzer, K.; Kulhánek, M., Balík, J. (2013): Bewertung des pflanzenverfügbaren Phosphates im Boden Präzisierung durch die Berücksichtigung des Gehaltes an oxalatlöslichem Eisen und Aluminium. VDLUFA Schriftenreihe 69: Untersuchen, Bewerten, Beraten, Forschen: 125 Jahre VDLUFA im Dienste von Landwirtschaft, Umwelt und Verbraucherschutz. S Schweitzer, K., Baumecker, M. (2012): Hohe Phosphornachlieferung trotz dauerhafter P Unterversorgung: Folgen unterlassener P Düngung für den P Zustand und den Ertrag eines trockenen Sandbodens. VDLUFA Schriftenreihe 68: Nachhaltigkeitsindikatoren für die Landwirtschaft: Bestimmung und Eignung. S