Humusaufbau als Chance im Klimawandel

Transkript

1 Technische Universität München Humusaufbau als Chance im Klimawandel 6. NIEDERSÄCHSISCHES FACHFORUM ÖKOLANDBAU, , Altwarmbüchen Prof. Dr. Kurt-Jürgen Hülsbergen, Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme

2 Humusaufbau als Chance im Klimawandel Humus als Grundlage der Bodenfruchtbarkeit Beeinflussung von Bodeneigenschaften und -funktionen Kohlenstoffspeicherung in Böden und Klimaschutz Möglichkeiten und Grenzen der C-Sequestrierung Wie ist die derzeitige Humusversorgung unserer Böden? Wie kann die Humusversorgung verbessert werden?

3 Humus-, Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte von Böden Definition des Begriffes Humus : Humus ist die in oder auf dem Boden befindliche abgestorbene organische Substanz, die einem stetigen Ab-, Um- und daufbauprozess unterworfen ist. t Bei 58 % C im Humus: 1 % C entspricht 1,72 % Humus, 1 %Ce entspricht t 45tC ha -1 = 78t Humus usha -1 Bei einem C : N - Verhältnis von 10 : 1 = 4500 kg N ha -1 Grenzwerte der OBS nach Cross Compliance: Ton < 13 %:Humusgehalt > 1 % Ton > 13 %:Humusgehalt > 1,5 %

4 Beziehungen zwischen C t - und N t -Gehalten Düngungsversuch Seehausen (Hülsbergen 2003) 140 mg 100g -1 ) N t -G Gehalt ( C -1 t -Gehalt (mg 100g ) y = -0,29 + 0,083 x 1 B = 0,98 + s R = 2,3

5 Beziehungen zwischen N t - und N min -Gehalten Düngungsversuch Seehausen (Hülsbergen 2003) n-vorrat (kg ha - 1 ) N min N t -Gehalt (mg/100g)

6 Düngungsversuch Seehausen Korrelationskoeffizienten, n = 64 (Hülsbergen 2003) Bodenchemische Parameter C hwl N t N hwl NO 3 -N NH 4 -N N min C t 0,93 0,98 0,91 0,72 n.s. 0,68 Bodenbiologische Parameter Katalase C mik Regenwürmer Bodenphysikalische Parameter TRD PV Grob- Poren C t 0,83 0,66 0,37-0,50 0,50 0,68

7 Ergebnisse des DOK-Versuches (Mäder et al. 2002)

8 Räumliche Variabilität der C org -Gehalte auf einem Ackerschlag (Hülsbergen 2003) 1800 Hochwert [m] mg/100g 1750 mg/100g mg/100g 1350 mg/100g Rechtswert [m]

9 C 1800 t (1998) N 1800 t (1998) Hochwe ert [m] mg/100g 1750 mg/100g Hochwe ert [m] mg/100g 155 mg/100g mg/100g mg/100g 1350 mg/100g 115 mg/100g Rechtswert [m] Rechtswert [m] 1800 N min (1997) 1800 N min (1998) Hochwe ert [m] kg/ha 125 kg/ha Hochw wert [m] kg/ha 125 kg/ha kg/ha 75 kg/ha kg/ha 75 kg/ha 50 kg/ha 50 kg/ha kg/ha Rechtswert [m] kg/ha Rechtswert [m] Variab_Nmin

10 Bedeutung und Funktionen des Humus Ackerbauliche und ökologische Funktionen: Speicher und Transformator von Nährstoffen (N, P, S) wichtiger Pool im N-Kreislauf mit 95 bis 98 % des Boden-N Förderung der bodenbiologischen Aktivität, mikrobieller Umsatz und Besiedlung durch Bodenfauna; phytosanitäre Wirkungen Aufbau eines günstigen Bodengefüges, Aggregatstabilität, Wasserspeicherung, Infiltrationsrate, Durchwurzelbarkeit Senke für CO 2, C-Speicherung Beeinflussung des CO 2 -Gehaltes der Atmosphäre (Klimarelevanz)

11 Kohlenstoffspeicherung in Böden und Klimaschutz

12 Carbon cycle of the organic farming system Scheyern (kg C ha -1 a -1 ) Küstermann, Kainz & Hülsbergen (2008): Renewable Agric. and Food Systems 23, Inputs On-farm carbon fluxes Outputs feed, straw 1587 animals yield 2803 market products conservation loss conservation loss feed, straw market products assimilation 5295 Plant straw, green manure 327 Animal CO 2 -enteric ferm CH 4 -enteric ferm. 109 rot loss 781 plant residues 1965 organic manure 1171 CH 4 -manure 3 organic manure 500 seed Soil CO 2 -soil loss 34 Δ SOC

13 Carbon cycle of the conventional farming system Scheyern (kg C ha -1 a -1 ) Küstermann, Kainz & Hülsbergen (2008): Renewable Agric. and Food Systems 23, Inputs Inputs On-farm carbon fluxes internal farm cycling Outputs Outputs yield market products yield market products assimilation assimilation Plant Plant straw, straw, green green manure plant residues 1095 organic Manure organic 293 manure seed 293 seed plant residues 1095 Soil Soil Δ SOC CO 2 -soil loss CO soil loss 4501

14

15 Einflussfaktoren auf den Humusgehalt Der Humusgehalt ist abhängig von: der Bodenart (Feinerdeanteil) dem Relief (Erosion) dem Klima (Temperatur und Niederschlag) dem Pflanzenbestand den Anbaumaßnahmen der Anbaustruktur und Fruchtfolge der Düngung der Bodenbearbeitung b Zwei Faktoren steuern die Humusmenge: die Menge und Qualität der zugeführten organischen Substanz die biologische Aktivität (Mineralisation/Humifizierung)

16 Entwicklung von Humusgehalten (nach Johnson et al. 1995) LP/D 1 < 1 1 > 1 1 Steady-state Loss Steady-state Accumulation Steady-state Soil Organic Matter Distu rbance New Manag gement Time LP = Litter production D = Decomposition

17 Simulated (CENTURY model) total SOC for the central U.S. scenario for three levels of yield increases (DONIGIAN et al. 1994)

18 Simulated (CENTURY model) total SOC for the central U.S. scenario for three levels of yield increases (DONIGIAN et al. 1994)

19 Einfluss von Klee-Luzerne-Gras auf die C org -Gehalte Dauerfeldversuch auf sandigem Lehm (Hülsbergen 2003) 1,00 0,95 C-Ge ehalt (%) 0,90 0, ,80 0, Versuchsjahre Fruchtfolge mit Klee-Luzerne-Gras Fruchtfolge ohne Klee-Luzerne-Gras

20 Wurzelbild der Luzerne

21 Wurzelbild von Luzerne und Kleegras

22 Einfluss des Luzerneanbaus auf die C org -Gehalte und -Vorräte Dauerfeldversuch auf sandigem Lehm, 6. Fruchtfolge (30 Jahre) Bodentiefe C t -Gehalt Δ C t - Δ CO 2 - cm mg/100g Boden Vorrat Bindung FF III FF V Differenz kg/a kg/a TRD: Schicht 0-20 cm: 1,5 g cm -3, Schicht cm: 1,6 g cm -3

23 Root distribution pattern of species used in a grass-clover mixture Braun M., Schmid H., Grundler T. & Hülsbergen, K.-J. (2010): Plant Biosystems 144,

24 Wurzeln im Unterboden (100 cm Tiefe) an Klüften und in Regenwurmröhren (M. Braun 2008)

25 Changes of soil organic C content in the Hoosfield Continuous barley experiment (JOHNSTON 1986)

26 Wirkung von Gülle und Gärresten auf den Boden-C Gefäßversuch mit Weidelgras, nach 5 Düngerapplikationen, Fouda (2011) Dünger Inhaltstoffe der organischen Dünger Boden (% in FM) TS C t N t NH 4 -N C t (%) Ungedüngt Mineral-N 1,20 a 1,25 ab Dünngülle 1 6,3 2,5 0,56 0,30 1,41 abcde Dünngülle 7 7,6 2,3 0,51 0,47 1,34 abc Feststoff 1 26,6 10,3 0,58 0,23 1,64 fg Feststoff 7 29,8 8,3 1,08 0,62 1,48 cdefg Substrate: BG1: 98 % Mais, BG 7: 67 % Gülle, 15 % Mais

27 Umsetzbare Organ. Substanz ökologischer und konv. Flächen Beispiel: Braun, Freising (pfluglose Bodenbearbeitung) 0-10 cm cm cm C hwl mg/kg Konventionelle Vergleichsfläche

28

29 Entwicklung der N org -Gehalte nach Grünlandumbruch Dauerversuch Lauterbach, Erzgebirge N org (mg 100 g -1 Boden) Jahre GV ha -1 Humusabbau (Variante mit 0 GV ha -1 ): kg N ha -1 = 110 kg N ha -1 a kg C ha -1 = kg C ha -1 a -1 = ca kg CO 2 ha -1 a -1

30 Potentiale der C-Bindung in Böden zusammengestellt anhand eigener Messungen und der Literatur Maßnahme Umwandlung von Grünland in Ackerland, Umbruch begrünter Dauerbrache Umwandlung von Ackerland in Grünland, begrünte Dauerbrache C-Bindung t ha -1 a -1 > - 1,0 > 1,0 Anbau mehrjähriger Leguminosen/-Gräser 0,6 bis > 1,0 Anbau von Silomais - 0,4 bis - 0,8 Organische Düngung (Stalldung, Gärreste, Kompost) > 0,5 Reduzierte Bodenbearbeitung (pfluglos, Direktsaat) 0 bis 0,25

31

32 Wie ist die derzeitige Humusversorgung unserer Böden? Ergebnisse der Humusbilanzierung

33 Abhängigkeit des C org -Gehaltes von der Bodentextur (Hoyer & Hülsbergen 2007) 3, ,5 y = 0,046 x + 0,37 r 2 = 0,80 C org -Geh halt (%) 2 1,5 1 y = 0,041 x + 0,36 r 2 = 0,77 0,5 org con Feinanteil (%)

34 Klimawirkungen und Nachhaltigkeit von Landbausystemen Untersuchungen in einem Netzwerk von Pilotbetrieben Pilotbetrieb, ökologischer Landbau Pilotbetrieb, t i b konventioneller Landbau Versuchsstation

35 Humus- und C-Bilanz im Pflanzenbau Ökologische Pilotbetriebe (Schmid, Braun & Hülsbergen 2012) Kennzahl Marktfruchtbau (n = 12) Milchvieh (n = 16) Mittel min max Mittel min max Tierbesatz (GV ha -1 ) ,9 0,3 1,6 Luzerne-Kleegras Humusbedarf (kg C ha -1 ) Stroh-/Gründüngung (kg C ha -1 ) Stalldung, Gülle (kg C ha -1 ) Humussaldo (kg C ha -1 )

36 Humus- und C-Bilanz im Pflanzenbau Konventionelle Pilotbetriebe (Schmid, Braun & Hülsbergen 2012) Kennzahl Marktfruchtbau (n = 12) Milchvieh (n = 16) Mittel min max Mittel min max Tierbesatz (GV ha -1 ) ,6 0,7 3,3 Luzerne-Kleegras Humusbedarf (kg C ha -1 ) Stroh-/Gründüngung (kg C ha -1 ) Stalldung, Gülle (kg C ha -1 ) Humussaldo (kg C ha -1 )

37 Beziehung zwischen C-Sequestrierung und THG-Emissionen Pilotbetriebe (Schmid, Braun & Hülsbergen 2012) 60 THG G-Emission nen [kg CO 2 eq GE -1 ] y = 29,0-0,036 x R² = 0,81 ökologisch konventionell y = 29,5-0,076 x R² = 0, C-Sequestrierung [kg C ha -1 a -1 ]

38 Humussalden nach HE- und VDLUFA-Methode n = 227 Betriebe (Ökologischer und Konventioneller Landbau) 1000 y = 201,8 + 0,67 x r = 69 + a -1 ) C ha -1 a hode do (kg UFA-Meth mussal VDLU Hum Humussaldo (kg C ha -1 a -1 ) HE-Methode

39 Humussalden nach HE- und VDLUFA-Methode n = 227 Betriebe (Ökologischer und Konventioneller Landbau) 1000 y = 201,8 + 0,67 x r = 69 + a -1 ) C ha -1 hode ldo (kg UFA-Meth mussal VDLU Hum Humussaldo (kg C ha -1 a -1 ) HE-Methode

40 Humussalden nach HE- und VDLUFA-Methode n = 227 Betriebe (Ökologischer und Konventioneller Landbau) 1000 y = 201,8 + 0,67 x r = 69 + a -1 ) C ha -1 hode ldo (kg UFA-Meth mussal VDLU Hum Humussaldo (kg C ha -1 a -1 ) HE-Methode

41 Humussalden nach HE- und VDLUFA-Methode n = 227 Betriebe (Ökologischer und Konventioneller Landbau) HE-Methode VDLUFA-Methode igkeiten igkeiten Häuf 40 Häuf Humussaldo (kg C ha -1 a -1 ) Humussaldo (kg C ha -1 a -1 ) A B C D E A B C D E 9% 17% 44% 22% 8% < 1% 1% 28% 42% 29%

42 Möglichkeiten und Grenzen der C-Sequestrierung Begrenzte C-Speicherkapazität der Böden abhängig vom Ausgangsgehalt, zeitlich begrenzt, schwierig nachweisbar Realistisch sind C-Akkumulationsraten bis ca. 500 kg C ha -1 a -1, das entspricht ca. 1,5 bis 2,0 t CO 2 ha -1 a -1 Tendenziell höhere C-Gehalte im ökologischen Landbau + 0,2 % C ( 10 t C ha -1 ), Ursache: Kleegras, Anbaustruktur Fruchtfolge Vorteile des Humusaufbaus Minderung der Treibhausgasemissionen, Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit Wasserinfiltration und -speicherung (Anpassung an Klimaextreme)

43

44 Terra Preta Bodenprofile im Vergleich

45 C-Mengen in Terra Preta- und Ferralsol-Böden (Glaser 2011) 1 t C ha -1

46 Technische Universität München C-Sequestrierung in Agroforstsystemen Versuchsanlage in der Forschungsstation Scheyern

47 Major carbon sinks and sources in a field windbreak Schoeneberger (2008): Agroforest Syst.

48 C-Akkumulation im Rohboden (in %) einer Alley-Cropping- Versuchsfläche nach 9 Jahren (n = 17), Freese 2007 Tiefe (cm) Baumstreifen Baumstreifen /Feld Feld ,55 1,13 1, ,45 0,85 1,03 0,99 Verdopplung bis Verdreifachung des C-Gehaltes im Boden

49 Agroforstsystem Scheyern, Schlag A 20

50 Agroforstsystem Scheyern, Schlag A 20

51 Agroforstsystem Scheyern, Schlag A 20

52 Agroforstsystem Scheyern, Schlag A 20

53 Wurzelsysteme der untersuchten Baumarten Huber, Schmid & Hülsbergen (2011) Erle Pappel Robinie Weide

54 Wurzelsystem der Pappel, Huber (2011)

55 Wurzelsystem der Erle, Huber (2011)