Bedeutung der Düngung für die Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit. Was haben die Pflanzen von einem fruchtbaren Boden?

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1 Sächsische Interessengemeinschaft Ökologischer Landbau e.v. 51. SIGÖL-Fortbildungskurs, Bedeutung der Düngung für die Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit. Was haben die Pflanzen von einem fruchtbaren Boden? Dr. Joachim Raupp agric-science.org Übersicht 1. Einleitung 2. Wie wirken verschiedene (organische) Dünger auf den Humushaushalt? - Stallmist - Gründüngung, Strohdüngung - Leguminosenschrot - Gärreste der Biogas-Produktion - Biokohle 3. Pflanzenwachstum und Ertragsbildung in belebten Böden 4. Klimaschutz durch Humuspflege?! 1

2 1. Einleitung Schematische Zusammensetzung eines Ackerbodens Luft Trockenmasse mineralische Substanz (95-98 %) Wasser organische Substanz (2-5 %) lebende org. Substanz (15 %) = Biomasse tote organische Substanz (85 %) = Humus 10 % Wurzeln 5 % Organismen ca % aktiv ca % in Ruhe 1. Einleitung Schematische Zusammensetzung eines Ackerbodens 1 kg (Frischmasse) Ackerboden enthält: 17,50 g organische Substanz (3,5% der Boden-TS) 2,63 g Biomasse 0,88 g lebende Organismen 2,63 t ha -1, das sind 5,3 GV je ha 2

3 1. Einleitung: Der Humusgehalt ist das Ergebnis von Standort und Bewirtschaftung Der aktuelle Humusgehalt ist immer die Summe aus Abbau- und Aufbauvorgängen. Daraus folgt, dass ein langfristig stabiler Humusgehalt nur möglich ist, wenn - genügende Mengen an - geeigneter organischer Substanz dem Boden zugeführt wird. 1. Einleitung: Der Humusgehalt ist das Ergebnis von Standort und Bewirtschaftung Was noch zur Erhöhung des Humusgehaltes beitragen kann: eine reichhaltige Fruchtfolge mit ein- oder mehrjährigen Leguminosen, wenig Hackfrüchte eine schonende Bodenbearbeitung 3

4 1. Einleitung: Humuswirkungen für Boden und Pflanzen Effekte von Humussubstanzen und ihren Umwandlungsprodukten: Bindung und Austausch von Pflanzennährstoffen Bildung und Erhaltung einer günstigen Bodenstruktur Verbesserung der Wasserführung und des Wasserhaltevermögens Erhöhung der Bodentemperatur durch Lichtabsorption fördernde Effekte auf Pflanzen bei suboptimalen Wachstumsbedingungen Quellen zit. bei SAUERBECK (1992) 2. Wie wirken verschiedene (organische) Dünger auf den Humushaushalt - Stallmist - Gründüngung, Strohdüngung - Leguminosenschrot - Gärreste der Biogas-Erzeugung - Biokohle 4

5 Stallmist bringt höhere Humusgehalte als Gülle und Strohdüngung C org - und N t -Gehalte im Oberboden (0-40 cm) nach 34 Jahren mit verschiedener org. Düngung (TS-Basis) und Mineraldüngung (kg ha -1 N); Po-Ebene Düngung C org (g kg -1 ) * N t (g kg -1 ) Kontrolle 5,43 c 0,77 d Stallmist 8,17 a 1,09 a Gülle 7,04 b 0,96 b Strohdüngung 6,44 b 0,88 c N0 (0) 6,66 0,91 N3 (300) 6,87 0,95 * Anfangsgehalt (1966): 7,72 g kg -1 Triberti et al. (2008) Stallmist bringt höhere Humusgehalte als Gülle oder Ernterückstände L2: Stallm., Lq2: Flüssigm., M2: Min.dünger Stufe 2, +r: plus Rückst., O: ungedüngt C org -Gehalte in einem Düngungsversuch der Uni Padova (40 Jahre Maisanbau, sub-humides Klima) Nardi et al. (2004) 5

6 Stallmist bringt höhere Humusgehalte als Gründüngung Effekt der Gründüngung (Gras/Heu) u.a. Düngerarten auf den Gesamt- C und N-Gehalt (% TS) und das C:N Verhältnis (nach 47 Jahren, Ultuna / Mittelschweden) Variante * C t N t C:N Gründüngung 1,7 b 0,15 b 11,1 b ungedüngt 1,2 d 0,11 d 10,7 b Ca(NO 3 ) 2 1,4 c 0,13 c 10,4 b Stallmist 2,1 a 0,19 a 11,0 b Sägemehl + Ca(NO 3 ) 2 2,1 a 0,15 b 13,6 a * 4 t C ha -1 jedes zweite Jahr Elfstrand et al. (2007) Auf die mikrobielle Biomasse wirken Stallmist und Gründüngung gleich gut Effekt der Gründüngung (Gras/Heu) u.a. Düngerarten auf die mikrob. Biomasse der Bakterien, der Pilze und insgesamt nach 47 Jahren in Mittelschweden (PLFA-Profil, nmol g -1 Boden) Variante * Bakterien Pilze Total Gründüngung 34,3 a 1,8 a 77,7 a ungedüngt 20,3 b 0,95 c 47,8 b Ca(NO 3 ) 2 23,7 b 0,97 c 56,4 b Stallmist 36,8 a 1,3 b 85,5 a Sägemehl + Ca(NO 3 ) 2 37,4 a 1,7 a 87,2 a * 4 t C ha -1 jedes zweite Jahr Elfstrand et al. (2007) 6

7 Gleicher Humus-Gehalt in Anbausystemen mit Stallmist wie mit Leguminosenanbau Entwicklung des C org -Gehaltes (%) in 3 Anbausystemen: ökologisch- Stallmist, ökologisch-leguminosen und konventionell Hepperly et al. (2006) Rothamsted: Broadbalk Experiment: Humuswirkung von Stallmist war der von min. Düngung deutlich überlegen C org -Gehalte unter Weizen-Monokultur in den Varianten ungedüngt ( ), NPK ( ) und Stallmist ( ) Jenkinson et al. (1994) 7

8 Stallmist bringt höhere Humusgehalte als Leguminosenschrot C org Gehalt nach 10 Jahren Stallmistdüngung im Vergleich zu pflanzlichem organischem Dünger, meist Ackerbohnenschrot Düngung Rottemist, 100 kg ha -1 N Rottemist + bd Präparate, 100 kg ha -1 N pfl. org. Dünger, 100 kg ha -1 N pfl. org. Dünger + bd Präp., 100 kg ha -1 N % C org 0,79 b 0,78 b 0,75 ab 0,74 a Raupp & Oltmanns (2006) Stallmist bringt höhere Humusgehalte als Leguminosenschrot C org Gehalt nach 10 Jahren Stallmistdüngung im Vergleich zu pflanzlichem organischem Dünger, meist Ackerbohnenschrot Düngung Rottemist, 100 kg ha -1 N Rottemist + bd Präparate, 100 kg ha -1 N pfl. org. Dünger, 100 kg ha -1 N pfl. org. Dünger + bd Präp., 100 kg ha -1 N Rottemist, 170 kg ha -1 N Rottemist +bd Präparate, 170 kg ha -1 N Mineraldünger, 100 kg ha -1 N % C org 0,79 b 0,78 b 0,75 ab 0,74 a 0,86 c 0,83 c 0,72 a Raupp & Oltmanns (2006) 8

9 2. Wie wirken verschiedene (organische) Dünger auf den Humushaushalt Untersuchung der Humusersatzleistung von Gärrest * im Vergleich zu Stallmist in den Böden eines Langzeitversuches auf Sandboden * aus einer Biogasanlage, die vorwiegend pflanzl. Material vergärt Biogas-Gärrest wird stärker mineralisiert als Stallmist; d.h. Gärrest hat eine viel schwächere Humuswirkung als Mist C-Mineralisierung nach Zugabe von (pflanzlichem) Gärrest und Stallmist zu Boden nach langjähriger Mistdüngung Dominik et al. (2009) 9

10 Biogas-Gärrest von Pflanzen bewirkte im Boden eine höhere N 2 O-Emission als Stallmist N 2 O-Emission ( g N 2 O-N m -2 h -1 ) aus Böden, die mit Stallmist oder Biogas-Gülle gedüngt wurden Sänger et al. (2010) Inkubation (Tage) Bodenverbesserung durch Biokohle? Was ist Biokohle? 10

11 Bodenverbesserung durch Biokohle? Biokohle entsteht durch Pyrolyse von org. Substanz, d.h. durch Einwirkung von Hitze unter Abwesenheit von Sauerstoff. Es entstehen 3 Fraktionen: Flüssigkeiten Gase (teils brennbar) Fester Rückstand = Biokohle flüchtige Öle, Teer, teerige Dämpfe benutzt als Substrat für chemische Synthese Sohi et al. (2010) H 2, CO, CH 4 benutzt als Brennstoff in Gasturbinen und Gas-Motoren porös, C-reich, chemisch stabiles Material benutzt als Bodenverbesserer Das Verhältnis von Flüssigkeiten, Gasen und Biokohle wird bestimmt durch das Ausgangsmaterial (Biomasse) und die Temperatur. Bodenverbesserung durch Biokohle positive Versuchsergebnisse mit Biokohle-Anwendung zum Boden: C-Anreicherung (chemisch stabil, kein Umsatz) Verbesserung der Sorptionsfähigkeit und des ph-wertes leicht erhöhte Wasserspeicherfähigkeit Anregung der Mineralisation (?) 11

12 Bodenverbesserung durch Biokohle? Einige Versuchsergebnisse geben jedoch Anlass zu Skepsis und Vorsicht: Biokohle in Humusschicht von Waldböden gemischt bewirkte höhere Verluste an org. Substanz über 10 Jahre (Wardle et al., 2008) Höhere Bodenatmung nach Biokohle-Ausbringung; das emittierte CO 2 stammte teilweise aus der Biokohle (Smith et al., 2010) Es fehlen Langzeiterfahrungen mit Biokohle; Verhalten bei Alterung? 3. Pflanzenwachstum und Ertragsbildung in belebten Böden Hohe Humusgehalte, rege Organismentätigkeit (z.b. Mikroorganismen, Regenwürmer) und intensive Umsetzungen (z.b. Enzyme) sind Ausdruck eines belebten Bodens. 12

13 Der Humusgehalt (Corg) ist von Bedeutung, aber er ist ein Faktor unter mehreren. Korrelationskoeffizienten zwischen Ertrag, mikrob. Biomasse und Dehydrogenaseaktivität in einem Langzeitversuch mit Stallmist und Mineraldüngung in Keszthely (Ungarn) Mik. Biomasse Dehydrogenaseaktivität Corg Ertrag 0,146 * 0,061 0,248 ** Mikrob. Biomasse 0,298 ** 0,196 ** Dehydrogenaseaktiv. 0,284 ** Hoffmann et al. (2002) Maisertrag steigt nicht mit dem C-Gehalt des Bodens; aber: ohne Beregnung weniger Ertragsverlust im C-reichen Boden Maisertrag und org. Bodensubstanz bei Mineraldünger und Stallmist (East Lansing, USA); Erträge mit Beregnung und (in Klammern) ohne Beregnung Variante Ertrag, t ha -1 org. Substanz, %C Mineraldüngung 10,5 (7,3) 0,78 Stallmist, 22 t ha -1 9,6 (6,9) 0,98 Stallmist, 45 t ha -1 10,5 (8,0) 1,08 Stallmist, 67 t ha -1 10,6 (7,8) 1,23 zit. Edmeades (2003) 13

14 Anstieg der org. Bodensubstanz mit der Zeit, aber nur im ökologischen, nicht im konventionellen Anbau Entwicklung des C org -Gehaltes (%) in den 2 ökologischen Systemen mit Stallmist bzw. Leguminosen sowie bei konv. Anbau; linearer Anstieg nur in den ökol. Systemen Hepperly et al. (2006) Nach der Umstellungsperiode war der Maisertrag gleich hoch wie in konventionell. Durchschnittlicher Maisertrag (kg ha -1 ) in der Umstellungsperiode ( ) und danach ( ); Systeme: ökologisch mit Mist, ökologisch mit Leguminosen und konventionell Hepperly et al. (2006) 14

15 In trockenen Jahren höherer Maisertrag der beiden ökologischen Systeme. Durchschnittlicher Maisertrag (kg ha -1 ) in trockenen Jahren (<350 mm statt 500 mm), d.h. in 1988, 1994, 1995, 1997, 1998; Systeme: ökologisch mit Mist, ökologisch mit Leguminosen und konventionell Hepperly et al. (2006) 4. Klimaschutz durch Humuspflege?! Ausnahme Regel % 1977 = Versuchsbeginn D = biologisch-dynamisch O = organisch-biologisch K = konventionell N = Nulldüngung 15

16 4. Klimaschutz durch Humuspflege?! Fazit aus verschiedenen Langzeitversuchen: Ökologischer Landbau hat meist höhere C org -Gehalte im Boden als konventioneller Anbau; aber: ein zusätzlicher Einbau von C (im Vergleich zum Anfangszustand) ist jedoch meist nicht nachweisbar. Ökologischer Landbau oder andere Systeme mit organischer Düngung haben über Jahrzehnte hinweg konstante C org -Gehalte im Boden. 4. Klimaschutz durch Humuspflege?! Die mögliche C-Einlagerung in den landw. Böden der EU durch humusmehrende Bewirtschaftung entspricht gerade mal 2% der jährlichen anthropogenen CO 2 -Emission. (Freibauer et al., 2004) Problemlösung durch geringere Emissionen, anstatt durch höheren C-Einbau in Humus! 16

17 Zusammenfassung (1) Zur Erhaltung (oder Steigerung) der Humusgehalte in landw. Böden war Stallmist in der Regel besser geeignet als Gründüngung oder andere Formen pflanzl. Dünger. Zur Förderung der biologischen Aktivität der Böden (Mikroorganismen) ist Gründüngung genauso gut oder besser geeignet. Düngung mit Biogas-Gärresten hat eine viel schwächere Humusersatz-Wirkung als Stallmist. Humusbilanzen korrigieren! Düngung mit Biogas-Gärresten führt zu höherer N 2 O- Emission. Zusammenfassung (2) Anwendung von Biokohle hat zwar einige Vorteile; es bestehen aber ungeklärte (Langzeit-)Risiken; allgemeine Anwendung heute nicht zu empfehlen. Im ökologischen Anbau (bzw. mit organischer Düngung) können Pflanzen Trockenheit oft besser kompensieren (geringerer Ertragsrückgang). Das Ausmaß der C-Einlagerung in Böden durch Steigerung der Humusgehalte ist bei weitem zu gering, um die Atmosphäre wirksam von CO 2 zu entlasten. 17