BDU. Humusbilanz: Ihre Möglichkeiten und Grenzen. Hans-Rudolf Oberholzer Forschungsanstalt ART, Zürich

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1 BDU BeraterInnengruppe Düngung Umwelt Humusbilanz: Ihre Möglichkeiten und Grenzen Hans-Rudolf Oberholzer Forschungsanstalt ART, Zürich Kurs BDU-Herbsttagung 2011 Fruchtbarer Boden und genügend Wasser: Essentiell für die Produktion Olten, 9. November 2011

2 Humusbilanzen Ihre Möglichkeiten und Grenzen H.-R. Oberholzer und Peter Weisskopf, Forschungsanstalt Agroscope Reckenholz-Tänikon ART Aufgrund der Bedeutung des Humus für die Qualität von Ackerböden ist es bei ackerbaulicher Bodennutzung wichtig, Humusumsatz und Humusgehalt im Auge zu behalten. Für diesen Zweck wurden sogenannte Humusbilanz-Methoden entwickelt. Humusbilanzen sind einfache Methoden zur Beurteilung, ob die Bewirtschaftung zwecks Erhaltung der Bodenqualität ( Bodenfruchtbarkeit ) den Humusabbau durch die Zufuhr von organischer Substanz in ausreichendem Masse ausgleicht. Humusbilanzen schätzen, wie der Name sagt, eine Bilanz der voraussichtlichen Humusverluste und zufuhren, machen aber keine Aussage zum tatsächlichen Humusgehalt von Böden. Demgegenüber wird in C-Simulationsmodellen der tatsächliche Verlauf des Humusgehaltes in Böden berechnet. Diese Berechnung der absoluten Humusgehaltsentwicklung von Böden erfordert aber im Vergleich zu Humusbilanz-Methoden deutlich mehr Informationen über Standorteigenschaften, Bewirtschaftungsmassnahmen und Witterungsverlauf. In der Schweiz ist die Humusbilanz-Methode von Neyroud als Beratungshilfsmittel entwickelt worden. Sie vergleicht den Humusabbau mit der Humuszufuhr: Der Abbau ( Mineralisierung ) der organischen Substanz wird aufgrund von Bodeneigenschaften und Bearbeitungsintensität abgeschätzt und mit der Zufuhr von organischer Substanz durch Erntereste und organische Düngung verglichen. In Deutschland ist die Humusbilanz-Methode des Verbandes der deutschen landwirtschaftlichen Untersuchungs- und Forschungsanstalten (VDLUFA) ein Bestandteil der EU cross compliance- Anforderungen an die Betriebe für die Einhaltung von Umweltstandards. Diese Methode berechnet den Humusbedarf der angebauten Kulturen (für die Bereitstellung der Nährstoffe durch Mineralisierung und vergleicht diesen mit der Humuszufuhr durch Erntereste und organische Düngung. In einem Projekt, bei dem es um die Verbesserung bestehender Humusbilanz-Methoden für die biologische Landwirtschaft ging, wurde in Deutschland die neue Methode HUMOD entwickelt. Speziell an HUMOD ist, dass diese Methode auch die Stickstoffdüngung berücksichtigt, um den Humusabbau besser abschätzen zu können. Auch in Frankreich ist mit SIMEOS-amg eine Methode entwickelt worden, mit deren Hilfe Bauern unter anderem abschätzen können, wie viel Stroh für die Energiegewinnung abgeführt werden darf, ohne den Humusgehalt ihrer Ackerböden zu gefährden. Ein grundsätzliches Problem bei der Entwicklung von Humusbilanz-Methoden ist deren Überprüfung ( Validierung ). An ART wurden im Rahmen einer Masterarbeit des geografischen Institutes der Universität Zürich verschiedene Humusbilanzen mit einem C-Simulationsmodell verglichen und an Mess- und Bewirtschaftungsdaten aus drei Dauerversuchen in der Schweiz validiert. Die Ergebnisse der Humusbilanzierungen und der Modellberechnungen wurden im Vergleich zu den tatsächlich gemessenen Verläufen beurteilt. Dabei zeigte sich, dass die relativen Unterschiede zwischen den Verfahren innerhalb der einzelnen Versuchen von allen Methoden recht gut abgebildet werden konnten, die absoluten Zahlen jedoch bei allen Methoden deutlich von den in den Versuchen gefundenen Veränderungen der Humusmengen abwichen. Die Ergebnisse von HUMOD zeigen von allen Humusbilanzmodellen die realitätsnahesten Werte. Nachträglich wurden im Versuch p24a von ACW Changins zusätzliche Berechnungen unter Einbezug von SIMEOS-amg durchgeführt; dieses Modell konnte für die anderen Versuche leider nicht verwendet werden, da es keine Werte für Kunstwiesen beinhaltet. Die Ergebnisse zeigten ausserdem, dass HUMOD die Unterschiede zwischen den verschiedenen Stickstoff-Düngungsverfahren deutlich überschätzte. In diesem Langzeitversuch von ACW Changins lieferte SIMEOS-amg die am Besten mit den Messungen übereinstimmenden Werte. Insgesamt kann aus den Validierungen gefolgert werden, dass Humusbilanzen zwar brauchbare Werkzeuge für die Beratung in der Landwirtschaft darstellen, jedoch nicht geeignet sind, den genauen Verlauf des Humusgehaltes im Boden vorherzusagen. Sie können vor allem verwendet werden, um Bewirtschaftungsvarianten vergleichend zu bewerten, müssen aber noch stark verbessert werden, um später auch quantitativ bessere Ereignisse zu ermöglichen.

3 Eidgenössisches Volkswirtschaftsdepartement EVD Forschungsanstalt Agroscope Reckenholz-Tänikon ART Humusbilanzen Ihre Möglichkeiten und Grenzen Hans-Rudolf Oberholzer BDU-Herbsttagung 2011 Was ist eine Humusbilanz Eine Humusbilanz ist eine einfache Methode zur Beurteilung ob die Bewirtschaftung im Hinblick auf die Erhaltung der Bodenqualität (Bodenfruchtbarkeit) den Verlust durch Humusabbau ausreichend mit der Zufuhr von organischer Substanz ausgleicht Einfach nur wenige und leicht verfügbare Angaben nötig Ziel ist Bodenqualität, nicht C-Einlagerung in Böden ( C- Sequestrierung ) Bilanz über ein Jahr, kein regelmässiges Berechnen von Prozessen 2

4 Was ist ein C-Simulationsmodell? C-Simulationen berechnen basierend auf Angaben zu Boden, Bewirtschaftung und Klima das Ausmass von C- Umsetzungsprozessen im Boden, um die Entwicklung des C- Gehaltes (der C-Menge) im Boden voraussagen zu können. Komplex(er) viele und teilweise schwer erhältliche Angaben nötig Ziel ist Berechnung der C-Menge (bzw. des C-Gehaltes) im Boden Verfolgen der täglichen (monatlichen) Veränderungen 3 Verschiedene Humusbilanzmethoden Methode nach Neyroud (Neyroud 1997, erweitert in SALCA, Oberholzer et al 2006) SIMEOS-AMG (Agro-Transfert Ressources et Territoires et INRA de Laon, FRANCE) VDLUFA-Methode (Humusstandpunkt VDLUFA 2004) Humuseinheiten-Methode (nach Leithold 1997) HUMOD (Brock et al 2011, eingereicht) CCB (Candy Carbon Balance = vereinfachtes Candy- Simulationsmodel, Franko et al. 2011, eingereicht) Standortbezogene VDLUFA-Methode (Kolbe 2010) 4

5 Prinzip der Humusbilanzmethode nach Neyroud (erweitert in SALCA) 5 Prinzip der Humusbilanzmethode nach Neyroud (erweitert in SALCA) Humusgewinn: Zufuhr organischer Substanzen Kulturen Wurzeln und Stoppeln ( obligatorische oberirdische Ernterückstände ) Kraut, Stroh, Mulch, ( fakultative Ernterückstände ) Organische Dünger Nicht die tatsächlich anfallenden Mengen an Ernterückständen und organischen Düngern, sondern die geschätzte Menge an organischer Substanz, die schliesslich als Humus im Boden bleibt, wird geschätzt 6

6 Prinzip der Humusbilanzmethode VDLUFA Humusbedarf der Kulturen = Humusveränderung bei Anbau der Kultur mit optimaler mineralischer Düngung Zufuhr orbstaganischer Sunzen Kulturen Kraut, Stroh, Mulch, ( fakultative Ernterückstände ) Organische Dünger Nicht die tatsächlich anfallenden Mengen an Ernterückständen und organischen Düngern, sondern die geschätzte Menge an organischer Substanz, die schliesslich als Humus im Boden bleibt, wird geschätzt 7 Prinzip der Simulationsmodelle Start: Humusmenge im Boden, evtl. unterteilt in Pools Berechnung der Zufuhr durch Kulturen, unterirdisch und oberirdisch, inklusive Angaben zur Abbaubarkeit Angaben zur Zufuhr durch organische Dünger, inkl. Abbaubarkeit Berechnung des Humusabbaues in Abhängigkeit von Bodeneigenschaften Klima, Wetterdaten Berechnungsintervall: jährlich, monatlich oder täglich Ergebnis: quantitative Angaben zum zeitlichen Verlauf der Humusmenge bzw. des Humusgehaltes im Boden 8

7 C-Simulationsmodelle vs. Humusbilanzen Humusgehalt Standortbezoge n optimaler Humusgehalt bei ausgewogener Bewirtschaftung Bewirtschaftung A: hohe Humusreproduktion Bewirtschaftung B: geringe Humusreproduktion Zeit C-Simulationsprogramm Humusbilanz 9 Berechnung der Humusbilanz am Beispiel eines viehlosen Betriebs mit 5-jähriger Fruchfolge Fruchtfolge: Weizen Gerste Raps Weizen - Körnermais Verluste: 940 kg Humus / ha u. Jahr 4700 Gewinne: - Weizen (Wurzeln + Stoppeln) Gerste (Wurzeln + Stoppeln) Raps (Gesamtpflanze) Weizen (Wurzeln + Stoppeln) Körnermais (Gesamtpflanze) Bilanz: Defizit, das ausgeglichen werden muss: Ausgleich durch Stroh (2x) auf Feld belassen 1100 Gründüngung vor Mais 400 Zusätzlicher Gewinn /- Ausgeglichene Bilanz 10

8 Berechnung der Humusbilanzen in Excel Dateneingabe Dateneingabe NAME Parzellenname / Betriebsspezifische Nr. Parzelle 1 Parzelle 2 Parzelle 3 Parzelle 4 Parzelle 5 Parzelle 6 Anzahl betrachtete Parzellen 6 Angaben zur Parzelle / Standort Fläche Ackerkulturen insgesamt auf Betrieb (ha) FlächeParzelle (ha) Tongehalt (%) Humusgehalt (%) ph (-) Fruchtfolge Ackerbau: Ernte Vorkultur (Tag.Monat.Jahr) 1. Aug Nov Aug Feb Dez Aug. 00 Zwischenkultur (Code siehe Tabelle Kulturen) ZF_wiha1 Zwischenkultur fakultative Ernterückstände verbleiben auf Parzelle JA = 1, NEIN=0 1 Saat Kultur (Tag.Monat.Jahr) 12. Aug Mai Okt Apr Jan Mai. 01 Ernte Kultur (Tag.Monat.Jahr) 31. Dez Aug Aug Sep Dez Nov. 01 Kultur (Code siehe Tabelle Kulturen) KW_Int_T SG WW Ka_La KW_Int_T KM Hauptkultur fakultative Ernterückstände verbleiben auf Parzelle JA = 1, NEIN=0 1 1 Ertrag Hauptkultur dt/ha (FG) 300 Ertrag Hauptkultur dt/ha (TG) Düngung: Angaben Düngermengen: 1=t bzw. m3/ha; 2= t bzw. m3 / Parzelle Dünger 1: Düngerart gemäss Liste (Nummer) Dünger 1: Menge org. Dünger t bzw. m Dünger 1: Verdünnung (nur f. Gülle) Dünger 2: Düngerart gemäss Liste (Nummer) Dünger 2: Menge org. Dünger t bzw. m Dünger 2: Verdünnung (nur f. Gülle) Dünger 3: Düngerart gemäss Liste (Nummer) Dünger 3: Menge org. Dünger t bzw. m3 Dünger 3: Verdünnung (nur f. Gülle) 11

9 Berechnungen Berechnung der Humusbilanzen in Excel Bilanzrechnungen Parzellennummer Parzellenname Parzelle 1 Parzelle 2 Parzelle 3 Parzelle 4 Parzelle 5 Parzelle 6 Fläche Ackerkulturen insgesamt (ha) Fläche (ha) Anteil der Parzelle an totaler Ackerfläche Gültigkeitstest Betrachtete Zeitspanne von Ernte Vorkultur - Ernte Kultur Humusbilanz SALCA Betrieb %Anteil Hackfrüchte Betrieb %Anteil Kunstwiese u. Grünbrache Mineralisationskoeffizient (brutto) Mineralisationskoeffizient (netto) Humusverlust (kg/ha) Humusneubildung (kg/ha) unterirdische Rückstände Humusneubildung (kg/ha) Düngung Humusneubildung (kg/ha) Rückstände Oberfläche Humusbilanz (kg/ha) Humusbilanz effektiv (kg) Betrieb Humusbilanz Humusbilanz VDLUFA untere Werte Betrieb Humusbilanz Humusbilanz VDLUFA obere Werte Betrieb Humusbilanz Humod 12 hrc Betrieb (flächengewichtet)

10 Validierung Humusbilanzen Masterarbeit Hildegard Holenstein 2010 Basis: Langzeitversuche DOK-Versuch, A493 (Reckenholz), p24a (Changins) Methoden Methode SALCA (Neyroud), VDLUFA, Humod, RothC Vergleiche Veränderung der Humusmenge pro Jahr in den Versuchsverfahren Berechnete Humusbilanz bzw. Veränderung der Humusmenge Qualitative Übereinstimmung (Korrelation) Quantitative Übereinstimmung 13 Datenbedarf der geprüften Modelle SALCA SQ VDLUFA HUMOD RothC Eingabeparameter Kultur Zwischenkultur Ernterückstände organische Dünger Bodeneigenschaften Kultur Zwischenkultur Ernterückstände organische Dünger Kultur Zwischenkulturen Ernterückstände organische Dünger Ertrag mineralische Dünger Bodeneigenschaften Pflanzeninput: Typ/Menge/Timing Bodenbedeckung organische Dünger Ertrag Bodeneigenschaften Tongehalt Klimadaten C org - Startmenge 14

11 Beziehung zwischen Veränderung der Humusmengen in den Langzeitversuchen, berechnet bzw. gemessen (t C / ha * Jahr) 15 Humusbilanzen im p24a (Changins), alle Verfahren a) SALCA, b) VDLUFA, c) Humod, d)simeos-amg 16

12 Zusammenfassung der bisherigen Validierungsergebnisse Alle Modelle konnten die Veränderungen der C-Mengen in den Böden nicht korrekt berechnen; die Korrelationen waren zwar gut, aber die absoluten Werte zeigten grosse Abweichungen. Von den Humusbilanzmodellen ist HUMOD am besten geeignet. Im Versuch p24a ergibt SIMEOS-amg die besten Ergebnisse. Grosser Verbesserungsbedarf in Bezug auf die Schätzung der Eingabeparameter und evtl. auch bezüglich notwendiger zusätzlicher Parameter 17 Fazit Humusbilanz Die Humusbilanz ist ein brauchbares Werkzeug für die praktische Anwendung! Die Humusbilanz liefert brauchbare Ergebnisse für die Bilanzierung, aber nicht für die genaue Vorhersage des Humusgehaltes (dafür ist C-Simulationsmodell nötig). Die Humusbilanz basiert auf sehr vielen Schätzungen; deshalb ergeben sich abweichende Werte bei speziellen Bedingungen bezüglich: - Wetter-/Klimaverhältnissen, Anbauverfahren (z.b. Direktsaat) - speziellen organischen Substraten oder stark abweichenden Erträgen Aufgrund von Schwächen bezüglich absoluter Richtigkeit eignet sich die Humusbilanz vor allem für vergleichende Beurteilungen. Limitierend sind: - Genauigkeit der Koeffizienten - Genauigkeit der Angaben der Bauern 18

13 Ausblick Verbesserung der Humusbilanzen durch Validierung Verbesserung der Schätzung der Koeffizienten Anforderungen an Daten zur Verbesserung - Langfristige Versuche / Erhebungen - Variabilität bezüglich Einflussfaktoren, Kulturen, Dünger - Vollständige Daten nicht nur Gehalte, sondern auch Lagerungsdichte, mehrere Schichten bzw. ausreichende Tiefe - Reproduzierbare Bestimmungen, am Besten gleichzeitige Bestimmung aus Rückstellproben 19