Humusaufbau und Stickstoffumsatz im Boden

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1 VDLUFA-Schriftenreihe 69 Humusaufbau und Stickstoffumsatz im Boden J. Reinhold 1, R. Kluge 2 1 Förderverband Humus e. V., Potsdam, 2 Karlsruhe 1. Einleitung Die organische Bodensubstanz gewinnt für Vermeidungs- und Anpassungsstrategien zum Klimawandel erheblich an Bedeutung. Die Böden sind neben ihrer stark humusabhängigen Fruchtbarkeit in ihrer erwärmungsbedingten Funktion als CO 2 -Quelle einzuschränken oder temporär sogar als CO 2 -Senke zu nutzen. Die C org -Stabilisierungen im Boden läuft stets parallel zu einer Anreicherung an Gesamt-N (vorwiegend als N org ). Das ruft Bedenken hervor, weil eine nachfolgende Freisetzung dieser N-Mengen durch Mineralisation befürchtet wird, was zu Grundwasserbelastungen durch lösliches N und zur Abgabe von klimarelevantem Lachgas führen kann. 2. Material und Methoden Aus den Untersuchungen des Kompostprojektes des LTZ Augustenberg wurden Daten zum Humusaufbau erweitert statistisch ausgewertet. Dazu wurden die 12-jährigen Messreihen der C org - bzw. N t -Gehalte von drei Versuchsstandorten genutzt (1995 bis 2005). Zudem sind durch Einbeziehung von Untersuchungen des N-Entzugs Aussagen zum pflanzenwirksamen Anteil von Kompost-N ableitbar. Die detaillierten Angaben zu den Versuchsstandorten, zur Versuchsdurchführung (Fruchtfolge: Mais - W.-Weizen - W.-Gerste, Kompostgaben in 4 Stufen, N-Mineraldüngung in 3 Stufen) und zu den Versuchsmesswerten (für diese Auswertungen die Bodengehalte bzw. -vorräte von C org und N t in der Ackerkrume sowie die N- Entzüge) sind im LTZ-Bericht (Kluge et al., 2008) enthalten. Die drei Bioabfallkomposte können über ihre Mittelwerte wie folgt gekennzeichnet werden:

2 Kongressband 2013 Tab. 1: Mittelwerte der humusaufbaurelevanten Parameter der an unterschiedlichen Standorten eingesetzten Komposte Standort Forchheim Weierbach Stockach Kompost Fertigkompost aus Biogut Fertigkompost aus Grüngut Frischkompost aus Biogut C org in TS-% N t in TS-% C:N- Verhältnis Rottegrad 21,2 1,55 13,7 4,3 16,3 1,39 11,7 4,7 37,9 2,79 13,6 1,8 Die ergänzenden Auswertungen erfolgten über eine Vielzahl von einfachen und multiplen Regressionsanalysen. 3. Auswertungsergebnisse 3.1 Organischer Kohlenstoff im Boden Zielgröße: y Boden-C org -Menge in t ha -1 in der Ackerkrume (30 cm) relevante Einflussfaktoren: x 1 kumulative Kompost-C org -Gaben in t ha -1 ; x 2 Kompost-C org -Gaben in t ha -1 a -1 ; x 3 Mineraldünger-N- Gaben in kg ha -1 a -1 Forchheim (grundwasserferne Parabraunerde - lehmiger Sand): y = 48,56 + 0,4342x 1 + 0,001591x 2 x 3 n = 479 R 2 red = 0,5167 p < 0, Aus den nachgewiesenen Zusammenhängen leitet sich eine Dominanz der kumulativen Wirkung der geprüften Fertigkomposte auf den Humusaufbau ab. Die im jeweiligen Probenahmejahr verabreichten Kompost-C org -Gaben hatten nur bei Aufschluss durch mineralischen N zusätzlich erhöhende Wirkungen auf die Boden-C org - Gehalte. Das weist auf eine stickstoffgeförderte Einbindung von Kompost-C org in die Humusmatrix des Bodens hin. Weierbach (grundwasserferner Kolluvisol - schluffiger Lehm): y = 61,72 + 0,6680x 1 + 0,00883x 3 n = 479 R red 2 = 0,3347 p < 0,000001

3 VDLUFA-Schriftenreihe 69 Bei Fertigkompost aus Grüngut ist eine Dominanz der kumulativen Wirkung auf den Humusaufbau erkennbar. Zusätzlich zeigen die im jeweiligen Probenahmejahr verabreichten Gaben von mineralischem N entsprechend erhöhende Wirkungen auf die Boden-C org -Gehalte. Das weist auf eine stickstoffgeförderte Humusbildung in dem lehmigen Boden am Standort Weierbach hin. Stockach (grundwasserbeeinflusster Braunerde-Pseudogley - schluffig-toniger Lehm): y = 58,51 + 0,0891x 1 + 0,00490x 2 x 3 + 0,2369x 2 2 n = 479 R red 2 = 0,5283 p < 0, Für den am Standort Stockach geprüften Frischkompost aus Biogut wurden andere Wirkprinzipien erkannt als für die Fertigkomposte. Die jeweilige Jahresgabe an Kompost-C org hatte hier größere Bedeutung als die kumulative Kompost-C org -Menge. Dabei ist zu berücksichtigen, dass größere Einzelgaben einen stärker erhöhenden Einfluss auf die Boden-C org -Menge haben. Wird die Kompost-Gabe noch durch gleichzeitige N-Mineraldüngung ergänzt, so steigt deren Wirkungseffekt zusätzlich an. Die N-Mineraldüngung hat einen deutlich positiven Einfluss auf die kurzfristige Kompost-C org - Stabilisierung im Boden. Insgesamt kann festgestellt werden, dass eine lineare Abhängigkeit der innerhalb von 12 Jahren im Boden angereicherten C org -Mengen von den kumulativen Kompostgaben besteht. Die durch den Rottegrad ausgedrückte Abbaustabilität der Komposte scheint dabei eine große Rolle zu spielen. Es wurde ein Zusammenhang von mittlerem Kompost-Rottegrad und der Veränderung von Boden-C org - Gehalten erkannt: Rottegrad 4,7 + 0,59 C org in TS % Rottegrad 4,3 + 0,51 C org in TS % Rottegrad 1,8 + 0,30 C org in TS % Die Unterschiede in der Bodenart erwiesen sich für den Humusaufbau dagegen als wenig bedeutsam. 3.2 Gesamtstickstoff im Boden Zielgröße: y Boden-N t -Menge in kg ha -1 in der Ackerkrume (30 cm)

4 Kongressband 2013 relevante Einflussfaktoren: x 1 kumulative Kompost-N t -Gaben in kg ha -1 ; x 2 Kompost-N t -Gaben in kg ha -1 a -1 ; x 3 Mineraldünger-N- Gaben in kg ha -1 a -1 ; x 4 Kompost-C org -Gaben in t ha -1 a -1 Forchheim (grundwasserferne Parabraunerde - lehmiger Sand): y = 3283,2 + 0,5440x 1 + 1,115x ,3x 4 2 n = 432 R red 2 = 0,5504 p < 0, Die kumulativen Wirkung der geprüften Fertigkomposte aus Biogut auf die N t -Anreicherung im Boden wird (wie bei C org ) sehr deutlich bestätigt. Zusätzlich zeigen die im jeweiligen Probenahmejahr verabreichten Kompost-C org -Gaben eine ergänzende Auswirkung auf die Boden-N t -Mengen. Hier ist eine N-Stabilisierung wegen der über dem Boden-C:N-Verhältnis liegenden Kompostwerte anzunehmen. Die Wirkung der mineralischen N-Gaben fällt dagegen deutlich ab. Weierbach (grundwasserferner Kolluvisol - schluffiger Lehm): y = 6388,7 + 0,987x 1-0,017x ,021x 3 2 n = 431 R red 2 = 0,4494 p < 0, Eine nachhaltige Wirkung der Fertigkomposte aus Biogut auf die Anreicherung von N t im Boden wird bestätigt. Zusätzlich zeigen die im jeweiligen Probenahmejahr verabreichten Kompost-N t -Gaben eine erhebliche absenkende Auswirkung auf die Boden-N t -Mengen. Die Auswirkung der Versorgung mit Mineraldünger-N fällt dagegen etwas ab. Das deutet auf einen Zusammenhang mit der N-Stabilisierung aus Kompost-N t. Stockach (grundwasserbeeinflusster Braunerde-Pseudogley - schluffig-toniger Lehm): y = 5596,1 + 0,3700x 1 + 3,18x 2 + 1,96x 3 n = 432 R red 2 = 0,7676 p < 0, Die Wirkung der geprüften Fertigkomposte aus Biogut auf die N t - Anreicherung ist ähnlich wie bei C org im Boden. Dabei kommt den kumulativen Einflüssen eine etwas größere Bedeutung zu. Die Auswirkungen der Mineraldünger-N-Versorgung fällt deutlich ab, liegt aber über der bei Fertigkompost aus Biogut am Standort Forchheim. Insgesamt lässt sich die Veränderung des Bodenvorrats an N t infolge Bioabfallkompost- bzw. N-Mineraldüngergaben durch multiple Regressionsanalysen nicht so eindeutig abschätzen, wie der Bodenvorrat an C org. Neben den komplexen Wechselwirkungen können dafür auch stärkere Fehlerquellen bei der

5 VDLUFA-Schriftenreihe 69 Messwerterfassung verantwortlich zeichnen. Die Dominanz des linearen Zusammenhangs von kumulativer Kompost-N-Gabe und Anreicherung von Gesamt-N im Boden wurde bestätigt. 3.3 Stickstoffentzug durch die Nutzpflanzen Zielgröße: y N-Entzug in kg ha -1 a -1 relevante Einflussfaktoren: x 1 Mineraldünger-N-Gaben in kg ha -1 a -1 ; x 2 Kompost-N t -Gaben in kg ha -1 a -1 ; x 3 Boden-N t -Menge in kg ha -1 ; x 4 Kompost-N t -Gaben in kg ha -1 a -1 ; x 5 Boden-C org -Menge in t ha -1 Forchheim (grundwasserferne Parabraunerde - lehmiger Sand): y = 17,52 + 0,5008x 1 + 0,00894x 3 n = 432 R red 2 = 0,6334 p < 0, Die Dominanz der Wirkung der Mineraldünger-N-Gaben auf die N- Entzüge wird bestätigt. Zudem haben sich bei dem sandigen Standort Forchheim auch Wirkungen der im Boden vorhandenen N t - Mengen gezeigt. Etwa 26 % des N-entzugs kann durch den Boden- N t -Pool erklärt werden. Weierbach (grundwasserferner Kolluvisol - schluffiger Lehm): y = 33,22 + 0,3989x 1 + 0,650x 5 n = 479 R red 2 = 0,5060 p < 0, Die Wirkung der Mineraldünger-N-Gaben auf die N-Entzüge wird bestätigt, fällt aber deutlich geringer aus als bei dem sandigen Standort Forchheim. Zugleich haben sich bei dem lehmigen Standort Weierbach starke Wirkungen der im Boden vorhandenen C org - Mengen gezeigt. Etwa 41 % des N-Entzugs kann durch den Boden- C org -Pool erklärt werden. Über diesen Wirkungspfad lassen sich Einflussmöglichkeiten von Fertigkompost aus Grüngut auf die N- Entzüge erklären. Im Gegensatz zum Biogut wird bei der Anwendung von Fertigkompost aus Grüngut der Boden-N t -Pool nicht wirksam. Das kann im Zusammenhang mit der für Grüngutkompostwirkungen auf den Boden-N t -Pool gesehen werden. Es sind auch Wirkungen verholzter Anteile in den Ausgangsmaterialien denkbar. Stockach (grundwasserbeeinflusster Braunerde-Pseudogley - schluffig-toniger Lehm): y = -54,36 + 0,566x 1 + 0,130x 4-0,000203x 4 2-0,000662x 1 x 4 + 2,18x 5 n = 479 R red 2 = 0,6729 p < 0,000001

6 Kongressband 2013 Die Wirkung der pflanzenwirksamen N-Gaben aus Mineraldünger und Frischkompost aus Biogut auf die N-Entzüge ist sehr deutlich nachgewiesen worden, stellt sich aber in ihrer Wirkungsstruktur (Nichtlinearität und Wechselwirkungen) als weitaus komplexer dar als bei den Fertigkomposten. Wesentlich ist, dass eine hohe Reproduktion der organischen Bodensubstanz (C org ) möglicherweise solche auftretenden Negativeffekte auf den N-Entzug weitgehend ausgleichen kann. Insgesamt wird die dominante Wirkung der N-Mineraldüngung auf die N-Entzüge bestätigt. Bei Fertigkompostanwendung zeigte sich eine ergänzende Wirkung von Bodenhumus, die fallweise über N t bzw. C org getragen werden kann. Die leichter im Boden abbaubaren Frischkomposte aus Biogut greifen wahrscheinlich deutlich komplexer in die Pflanzenverfügbarkeit von N im Boden ein. 4. Diskussion und Schlussfolgerungen Um die drei geprüften Komposte bewerten zu können wird von mittleren Versuchsbedingungen ausgegangen. Für die drei geprüften Komposte können folgende Auswirkungen der Zuführung von organischer Kompostsubstanz auf die C org -Bodengehalte abgeleitet werden (Abb. 1). Es zeigt sich, dass die C org -Stabilisierung im Boden bei Fertigkompostgaben deutlich höher ausfällt, als bei Frischkompost. Für die drei geprüften Komposte können folgende Wiederfindungsraten von organischem Kohlenstoff aus der organischen Düngung über 12 Versuchsjahre in einer 30 cm mächtigen Ackerkrume abgeschätzt werden: - Fertigkompost aus Grüngut bei schluffigem Lehm: 59 % - Fertigkompost aus Biogut bei lehmigem Sand: 47 % - Frischkompost aus Biogut bei schluffig-tonigem Lehm: 26 % Dieser Effekt kann sich als klimaschutzrelevant erweisen, wenn er mittelfristig stabilisiert wird. Die Auswirkungen der Zuführung von Kompost-N t -Gaben auf die Boden-N t -Mengen sind in Abbildung 2 aufgezeigt.

7 VDLUFA-Schriftenreihe 69 Abb. 1: Einfluss der kumulativen Kompost-C t -Gaben auf die Boden- C org -Mengen bei Einsatz unterschiedlicher Bioabfallkomposte Abb. 2: Einfluss der kumulativen Kompost-N t -Versorgung auf die Bodengesamtstickstoffmengen bei Einsatz unterschiedlicher Bioabfallkomposte

8 Kongressband 2013 Die N t -Stabilisierung durch Kompostanwendung war in allen Fällen größer als die von C org. Grüngutkomposte zeigen ein höheres N- Stabilisierungspotenzial im Boden als Komposte aus Biogut. Für die drei geprüften Komposte können folgende Wiederfindungsraten von Gesamtstickstoff aus der kumulativen Kompost-N t -Gabe über 12 Versuchsjahre in einer 30 cm mächtigen Ackerkrume abgeschätzt werden: - Fertigkompost aus Grüngut bei schluffigem Lehm: 74 % - Fertigkompost aus Biogut bei lehmigem Sand: 57 % - Frischkompost aus Biogut bei schluffig-tonigem Lehm: 61 % Die N-Entzüge werden durch die drei geprüften Komposte folgendermaßen beeinflusst (Abb. 3). Abb. 3: Einfluss der jährlichen Kompost-N t -Versorgung auf die N- Entzüge bei Einsatz unterschiedlicher Komposte ohne Mineraldünger-N-Versorgung Alle drei Bioabfallkomposte zeigen auf den Parzellen ohne Mineraldünger-N-Versorgung statistisch gesicherte Auswirkungen der Kompost-N t -Gaben auf die N-Entzüge. Für die drei geprüften Komposte können folgende Ausnutzungsraten im Anwendungsjahr von Gesamtstickstoff über 12 Versuchsjahre in einer 30 cm mächtigen Ackerkrume abgeschätzt werden:

9 VDLUFA-Schriftenreihe 69 - Fertigkompost aus Grüngut bei schluffigem Lehm: 8 % - Fertigkompost aus Biogut bei lehmigem Sand: 7 % - Frischkompost aus Biogut bei schluffig-tonigem Lehm: 13 % Um aus den Ausnutzungsraten von Kompost-N t beim N-Entzug die Mineraldüngeräquivalenz (MDÄ) ableiten zu können, ist die Ausnutzungsrate von Mineraldünger-N ohne Kompostgabe als Bezugsbasis für die drei Versuchsstandorte zu ermitteln. Dazu folgende Darstellung (Abb. 4). Abb. 4: Einfluss der jährlichen Mineraldünger-N-Versorgung auf die jährlichen N-Entzüge der drei Versuchsstandorte ohne Kompostanwendung Die Ausnutzung des Mineraldünger-N durch die Nutzpflanzen für die Standorte wie folgt abgeschätzt werden: - Weierbach bei schluffigem Lehm: 40 % - Forchheim bei lehmigem Sand: 51 % - Stockach bei schluffig-tonigem Lehm: 58 % Die langfristige MDÄ der geprüften Bioabfallkomposte leitet sich nun, unter Berücksichtigung des im Versuch festgestellten kompostbedingten N-Entzugs der Nutzpflanzen, wie folgt ab - Fertigkompost aus Grüngut bei schluffigem Lehm: 20 %

10 Kongressband Fertigkompost aus Biogut bei lehmigem Sand: 14 % - Frischkompost aus Biogut bei schluffig-tonigem Lehm: 23 % Aus der für die geprüften Komposte abgeleiteten langfristigen MDÄ und der N-Stabilisierung im Boden können die maximal möglichen N- Verluste bei der Kompostanwendung wie folgt abgeschätzt werden: - Fertigkompost aus Grüngut bei schluffigem Lehm: 6 % - Fertigkompost aus Biogut bei lehmigem Sand: 19 % - Frischkompost aus Biogut bei schluffig-tonigem Lehm: 16 % Mit Verlustraten zwischen 6 bis 19 % können für Kompost-N t -Gaben hohe Effizienzen bei deren Anwendung bescheinigt werden. Entscheidend sind hier die anteiligen N-Stabilisierungen im Boden. Die Gesamt-N-Verluste bei der Verwertung von Bioabfallkomposten fallen durch die Anwendung auf lehmigen Standorten und durch höhere Abbaustabilitäten (Rottegrade) besonders niedrig aus. Die hier vorgestellten ergänzenden Auswertungsergebnisse aus den 12-jährigen Versuchen des LTZ Augustenberg verdeutlichen die Eignung von Bioabfallkomposten für einen Humusaufbau, ohne dass mittelfristige N-Freisetzungen zu besorgen sind. Darüber hinaus werden durch die vorliegenden Ergebnisse Möglichkeiten aufgezeigt, wie die durch landwirtschaftliche Kompostanwendung erfolgte Stickstoffzufuhr in den Nährstoffvergleichen nach Düngeverordnung angemessen zu berücksichtigen sind. Die zumindest mittelfristigen N-Stabilisierungen über die im Boden nach Kompostanwendung stabilisierten organischen Substanzen sollte im N-Vergleich berücksichtigt werden. Diese liegen bei Komposten aus Biogut für die betrachteten Versuchen bei etwa 60 % und für Grüngutkomposte bei etwa 75 % der zugeführten Kompost-N-Mengen. Daraus lässt sich schließen, dass lediglich 40 % der N-Zufuhr durch Biogutkomposte bzw. 25 % der N-Zufuhr durch Grüngutkomposte in den N-Vergleich nach Düngeverordnung einfließen dürften. 5. Zusammenfassung Eine detaillierten statistischen Auswertungen der 12-jährigen Ergebnisse zur Entwicklung der C org - und N t -Bodengehalte sowie der

11 VDLUFA-Schriftenreihe 69 N-Pflanzenentzüge aus Kompostversuchen des LTZ Augustenberg haben folgendes gezeigt (siehe Tab. 2). Die Entwicklungen und Beeinflussungen der C org - und N t - Bodengehalte werden durch die Kompostgaben nachhaltig erhöht. Bezogen auf die Kompostwirkung zeigt sich bei den N t - Bodengehalten jedoch ein stärkeres Stabilisierungspotenzial als für die C org -Bodengehalte. Die Anwendung von Fertigkomposten (Biogut bzw. Grüngut) führt zu einer stärkeren Erhöhung der C org - und N t - Bodengehalte als bei Frischkompost. Die Wirkprinzipien des Humusaufbaus sind dabei unterschiedlich. Bei Fertigkomposten dominiert die Höhe der kumulativen Gesamtgabe über den Versuchszeitraum bei Frischkomposten wirkt sich zusätzlich die Höhe der jeweiligen Jahresgabe stark aus. Eine steigende mineralische N-Düngung hat allein nur geringe Auswirkungen auf die C org - und N t -Bodengehalte. Sie fördert jedoch die Erhöhung der N t - Bodengehalte aus Kompostgaben. Tab. 2: Komprimierte Ergebnisse der erweiterten statistischen Auswertung von Daten aus den Kompostversuchen des LTZ Augustenberg zur Humusaufbau und Stickstoffwirkung Grüngut -fertigkompost Biogutfertigkompost Biogutfrischkompost schluffiger Lehm lehmiger Sand schluffig -toniger Lehm Kompost Bodenart Humusaufbau in % als C org als N t Düngewirkung von Kompost-N t in % Aufnahme durch Pflanzen Mineraldüngeräquivalenz N- Überschuss in % Die N-Entzüge werden am stärksten durch die mineralische N- Versorgung beeinflusst. Frischkomposte wirken hier vorwiegend über die Jahresgaben direkt fördernd auf die N-Entzüge. Fertigkomposte

12 Kongressband 2013 wirken vor allem indirekt auf die N-Entzüge über die Erhöhung der organischen Bodensubstanz und deren positive Auswirkungen. Es konnte ein direkter Vergleich der N-Entzüge aus Mineraldüngung und Kompostgaben erfolgen, sodass nicht nur die N-Abfuhr über die Nutzpflanzen, sondern auch die MDÄ der Kompost-N-Wirkung quantifizierbar war. Die statistischen Detailauswertungen zeigen, dass vorwiegend lineare Einflüsse von Kompostgaben bestehen. Auf dieser Basis können einerseits Quantifizierungen der Einflüsse auf die C org - und N t -Bodengehalte sowie auf die N-Entzüge abgeschätzt werden andererseits sind innerhalb der 12 Versuchsjahre keine Tendenzen in Richtung der Einstellung eines Fließgleichgewichts beim Humusaufbau mit Komposten erkennbar. 6. Literatur Kluge, R. et al., 2008: Nachhaltige Kompostanwendung in der Landwirtschaft, Abschlussbericht 2008, Projektleitung und Hrsg.: Landwirtschaftliches Technologiezentrum Augustenberg LTZ, Karlsruhe, gefördert durch das Ministerium für Ernährung und Ländlichen Raum BW und Bundesgütegemeinschaft Kompost e. V., April 2008, 126 Seiten, 36 Abbildungen, 35 Tabellen, Anlagen.