Humusumsatz und Nährstoffbilanzen

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1 Humusumsatz und Nährstoffbilanzen Quelle: LfULG Ergebnisse und Schlussfolgerungen aus Dauerversuchen Mitteleuropas

2 Aufnahme und Auswertung von Dauerversuchen unterschiedlicher Standorte und Themenstellungen aus Mitteleuropa Ursprung: Entwicklung von Beratungs-Systemen zum Nährstoffmanagement im ökologischen und konventionellen Landbau (und Integration ins Programm BEFU): - Methoden der Grunddüngung (P, K, Mg) - Prüfung und Verbesserung von Methoden der Humusbilanzierung (VDLUFA, STAND) - Prüfung und Verbesserung von C- und N-Prozessmodellen (CCB, RothC) - Validierung von Methoden (VDLUFA, STAND, CCB, REPRO-basierte Verfahren) - Datenbasis Dauerversuche EuroSomnet: - Modell REGRESS (statistisches Modell zum Einfluss v. Standort, Boden, Klima u. Bewirtschaftung auf C org, N t u. C/N-Verhältnis im Boden) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

3 Material und Methoden Untersuchungsmaterial: ca. 240 Dauer-Feldversuche des Ackerlandes mit über 2400 Varianten aus 88 Standorten Mitteleuropas (Schwerpunkt Deutschland) Auswertungsmethoden: - deskriptive Statistiken: Mittelwert, Median, Standardabweichung, Boxplot, etc. - einfache u. multiple Regressionsanalyse nach der Grundfunktion: y = f(x 1,, x n ) Auswertungsschritte: (abhängig von Fragestellung) 1. Bestimmung bzw. Ermittlung von sicheren Anfangs- und Endwerten für C org - und N t -Gehalte, Anzahl der Versuchsjahre, Ermittlung der C org - und N t -Differenzen je 1Jahr 2. Zufuhrhöhe an organ. Materialien, N-Zufuhren, Fruchtfolgen, N-Abfuhren, etc. 3. Filterung von Versuchen mit jeweils Standardvarianten (z.b. ohne Düngung) und von Varianten mit entsprechender Themenstellung 4. Durchführung entsprechender Rechenoperationen 5. Darstellung der Ergebnisse als Punktediagramm, Boxplot, Tabellen u.a. Formen Quelle: KOLBE, H. et al., (in Vorbereitung): Einfluss von Boden, Klima und Bewirtschaftung auf C org, N t, C/N- Verhältnis und N-Effizienz Mathematisch-statistische Auswertung von Ergebnissen aus Dauerversuchen in Mitteleuropa. Schriftenreihe des LfULG, Dresden Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

4 Lage und Häufigkeit der einbezogenen Dauerversuche des Ackerbaus Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

5 Deskriptive Statistik der Merkmale der Dauerversuche Merkmal Varianten (N) Minimum Maximum Mittelwert Standardabweichung C org (% TM) ,23 9,45 1,33 0,81 N t (% TM) ,03 0,35 0,12 0,07 C/N-Verhältnis Boden ,6 30,0 11,0 2,5 ph-wert ,1 8,2 6,1 0,7 Bodenart* ,1 2,0 Tongehalt (%) ,1 69,6 11,9 7,6 Temperatur ( o C) ,4 11,2 8,4 1,0 Niederschlag (mm) Hackfrüchte (% d. Fruchtf.) Getreide (% d. Fruchtfolge) Leguminosen (% d. Fruchtf.) TM-Gesamtzufuhr (dt/ha) Leguminosen-N (kg/ha) N-Mineraldüngung (kg/ha) N-Gesamtzufuhr (kg/ha) N-Abfuhr (kg/ha) N-Saldo (kg/ha) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe *1 = S; 2 = Sl; 3 = ls; 4 = SL; 5 = sl; 6 = L; 7 = LT; 8 = T; 9 = M

6 Programm Einflussfaktoren auf C org - und N t -Gehalte im Boden (einfache und multiple Regressionsanalyse) Einfluss organischer Düngemittel auf die C org - unt N t -Veränderung im Boden zur Ermittlung von Humifizierungskoeffizienten (Mittelwert- und Boxplot-Analysen für Gruppen unterschiedlicher Zufuhrhöhen) Wechselwirkungen zwischen organischer und mineralischer Düngung auf Böden mit unterschiedlichen C/N-Verhältnissen auf die C org - und N t - Gehalte des Bodens (Regressionsanalyse, Modell REGRESS) Einfluss mineralischer, mineralisch-organischer und organischer Düngung auf die Komponenten der N- und C-Bilanz sowie die Nährstoff- Effizienz in Folge steigender N-Zufuhr (Mittelwert-Analysen für Gruppen unterschiedlicher Zufuhrhöhen) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

7 Einfluss der Temperatur auf die C org -Gehalte (Einfach-Regression) 6,00 5,00 4,00 Temperatur ( C) (alle Werte N = 2511) y = 0,1106x 2-2,1107x + 11,137 R 2 = 0,2748*** Reihe1 Linear (Reihe1) Polynomisch (Reihe1) Potenziell (Reihe1) Corg (%) 3,00 2,00 y = 39,939x -1,6756 R 2 = 0,1797*** y = -0,3608x + 4,351 R 2 = 0,2099*** 1,00 7 0,00 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 Temperatur ( C) 19. Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

8 Einfluss der Temperatur auf die C org -Gehalte des Bodens (Auswertung von ca. 240 Dauerversuchen aus Mitteleuropa) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

9 Einfluss der Tongehalte auf die C org -Gehalte des Bodens (Auswertung von ca. 240 Dauerversuchen) Corg (%) 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Corg: Tongehalt (Feinanteil) y = 0,002x 2-0,0229x + 1,0724 R 2 = Tongehalt (%) R1 R1a R3 R4 R4a R10+C/N R11 R11Schließ R12Schließ MW Polynomisch (MW) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

10 Einfluss von Niederschlag und Boden- Feinanteil auf die C org -Gehalte (Auswertung von ca. 240 Dauerversuchen) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe Feinanteil = Ton + Feinschluff

11 Einfluss der TM-Zufuhr (gesamt) auf die Humusgehalte (Auswertung von ca. 240 Dauerversuchen) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

12 Zusammenfassung: Einflussfaktoren auf den C org -Gehalt des Bodens (R 2 in %) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

13 Programm Einflussfaktoren auf C org - und N t -Gehalte im Boden (einfache und multiple Regressionsanalyse) Einfluss organischer Düngemittel auf die C org - unt N t -Veränderung im Boden zur Ermittlung von Humifizierungskoeffizienten: Kompost, Stalldung, Gülle, Stroh, Gründüngung (Mittelwert- und Boxplot-Analysen für Gruppen unterschiedlicher Zufuhrhöhen) Wechselwirkungen zwischen organischer und mineralischer Düngung auf Böden mit unterschiedlichen C/N-Verhältnissen auf die C org - und N t - Gehalte des Bodens (Regressionsanalyse, Modell REGRESS) Einfluss mineralischer, mineralisch-organischer und organischer Düngung auf die Komponenten der N- und C-Bilanz sowie die Nährstoff- Effizienz in Folge steigender N-Zufuhr (Mittelwert-Analysen für Gruppen unterschiedlicher Zufuhrhöhen) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

14 Beispiel Stalldung: Basis C org -Gehalt: C org -Änderung je Jahr Von n = 1541 Varianten sind 980 Varianten ohne ( Standard, gelb) und 561 Varianten mit Stalldung, davon 471 Varianten in Auswertung einbezogen (blau) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

15 Stalldung Basis C org -Gehalt: C org -Änderung je Jahr je t TM) 0,015 0,013 Stalldung: Corg-Änderung/1 t Stalldung-TM Reihe1 Linear (Reihe1) Logarithmisch (Reihe1) Corg-Differenz (% je 1 t TM) 0,011 0,009 0,007 0,005 0,003 0,001 y = -2E-05x + 0,003 R 2 = 0,0163** y = -0,0009Ln(x) + 0,0056 R 2 = 0,036*** -0,001-0,003-0,005 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 Stalldung-TM (dt/ha) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

16 0,0300 0, ,0200 Corg-Differenz (% je t TM) 0,0150 0,0100 0, Boxplot: Beispiel Kompost 0,0000-0,0050 unter 90 dt TM dt TM über 180 dt TM Düngungshöhe Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

17 Zusammenfassende Darstellung: Humifizierungswirkung organ. Düngemittel Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

18 Programm Einflussfaktoren auf C org - und N t -Gehalte im Boden (einfache und multiple Regressionsanalyse) Einfluss organischer Düngemittel auf die C org - unt N t -Veränderung im Boden zur Ermittlung von Humifizierungskoeffizienten (Mittelwert- und Boxplot-Analysen für Gruppen unterschiedlicher Zufuhrhöhen) Wechselwirkungen zwischen organischer und mineralischer Düngung auf Böden mit unterschiedlichen C/N-Verhältnissen auf die C org - und N t - Gehalte des Bodens (Regressionsanalyse, Modell REGRESS) Einfluss mineralischer, mineralisch-organischer und organischer Ausgangsfrage: Düngung auf die Komponenten der N- und C-Bilanz sowie die Nährstoff- Effizienz in Folge steigender N-Zufuhr (Mittelwert-Analysen für Gruppen unterschiedlicher Zufuhrhöhen) Warum ist es auf bestimmten Lößböden in Sachsen nicht einfach, eine positive Humusversorgung zu gewährleisten? Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

19 Die N-Formen im Boden Organische Dünger, Pflanzenreste Mineralische Dünger N-Entzug durch pflanzliche u. tierische Produkte Atmosphäre N 2, NH 3, N 2 O Organische Substanz, Humus Oberirdische Pflanzenteile Wurzeln Knöllchenu. Bodenbakterien Immission Denitrifikation, Emission aktiver Pool passiver Pool Mikrobielle Biomasse Immobilisation Mineralisation Austauschbares NH 4 + Nitrifikation NO 3 - Feste Bodenteilchen (Tonminerale) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe Grundwasser

20 Wirkung der N-Mineraldüngung auf die C org -Gehalte im Boden 1,50 1,40 1,30 1,20 Corg: N-Mineraldüngg. Gesamt MW y = -6E-06x 2 + 0,0012x + 0,9412 R 2 = 0,9971 Corg (%) 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 R18 R19 MW Polynomisch (MW) 0,60 0, N-Mineraldüngung (kg/ha) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

21 Wechselwirkung zw. N- Mineraldüngung und TM-Zufuhr auf die C org -Gehalte Corg (%) 21 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Corg WW N-Min. x TM-Zufuhr MW 0 dt TM/ha 25 dt TM/ha 50 dt TM/ha 75 dt TM/ha Polynomisch (0 dt TM/ha) Polynomisch (25 dt TM/ha) Polynomisch (50 dt TM/ha) Polynomisch (75 dt TM/ha) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe N-Mineraldüngung (kg/ha)

22 Wechselwirkung zw. N- Mineraldüngung u. C/N-Verhältnis im Boden Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

23 Programm Einflussfaktoren auf C org - und N t -Gehalte im Boden (einfache und multiple Regressionsanalyse) Einfluss organischer Düngemittel auf die C org - unt N t -Veränderung im Boden zur Ermittlung von Humifizierungskoeffizienten (Mittelwert- und Boxplot-Analysen für Gruppen unterschiedlicher Zufuhrhöhen) Wechselwirkungen zwischen organischer und mineralischer Düngung auf Böden mit unterschiedlichen C/N-Verhältnissen auf die C org - und N t - Gehalte des Bodens (Regressionsanalyse, Modell REGRESS) Einfluss mineralischer, mineralisch-organischer und organischer Düngung auf die Komponenten der N- und C-Bilanz sowie die Nährstoff- Effizienz in Folge steigender N-Zufuhr (Mittelwert-Analysen für Gruppen unterschiedlicher Zufuhrhöhen) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

24 Beispiel: Dauerversuch M4, Groß Kreutz, Brandenburg, Ergebnisse aus 40 Anbaujahren (Asmus, 1990, Zimmer, 2003) Versuchsfrage: Einfluss steigender N-Mineraldüngung (5 Stufen von kg N/ha) und organischer Düngung mit Stalldung (5 Stufen von kg/ha Gesamt- N) in einer Fruchtfolge auf Erträge und Bodeneigenschaften auf Sandboden Einfluss der Gesamt-N-Zufuhr auf die N-Aufnahme der Fruchtarten (Einzelwerte): 400 N-Aufnahme (kg ha -1 ) Silomais Kartoffeln S-Gerste Z-Rübe W.-Roggen W.-Weizen R 2 = S-Mais R 2 = Kartoffeln R 2 = S-Gerste R 2 = Z-Rübe R 2 = W-Roggen R 2 = W-Weizen Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe N-Gesamt-Zufuhr (kg ha -1 )

25 Dauerversuch M4, Groß Kreutz Einfluss der Gesamt-N-Zufuhr auf die N-Salden (links) und die N-Effizienz (rechts) der Fruchtarten (Einzelwerte): N-Saldo (kg ha -1 ) Silomais, S=37,4 Kartoffeln, S=36,9 S.-Gerste, S=36,9 Z.-Rüben, S=31,5 W.-Roggen, S=51,9 W.-Weizen, S=38,6 kg/ha y = x x R2 = S-Mais y = 0.001x x R2 = Kartoffeln y = x x R2 = S-Gerste y = x x R2 = Z-Rüben y = x x R2 = W-Roggen y = 0.003x x R2 = W-Weizen N-Effizienz (%) M04: Nmin-Effizienz Fruchtarten Silomais Kartoffeln S-Gerste Z-Rüben W-Roggen W-Weizen y = 5157,5x -0,7958 R 2 = 0,823 y = 11350x -0,9961 R 2 = 0,7059 y = 663,31x -0,4658 R 2 = 0,2841 y = 6343,2x -0,7578 R 2 = 0,7346 y = 2013,6x -0,6014 R 2 = 0,4177 y = 991,99x -0,501 R 2 = 0, N-Gesamt-Zufuhr (kg ha -1 ) N-Gesamt-Zufuhr (kg/ha) -1 ) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

26 Dauerversuch M4, Groß Kreutz Einfluss der Gesamt-N-Zufuhr auf N-Aufnahme, N-Salden und N-Effizienz im Durchschnitt der Fruchtfolge (aggregierte Werte): 250 N-Aufnahme, N-Saldo (kg ha -1 ) N-Effizienz (%) R 2 = R2 = R2 = R2 = R2 = R 2 = Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe N-Gesamt-Zufuhr (kg ha -1 ) N-Aufnahme N-Saldo N-Effizienz

27 N-Abfuhr (alle Varianten 240 Versuche; n = ca. 2400) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

28 N-Saldo (240 Versuche) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

29 N-Effizienz (240 Versuche) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

30 Schlagbilanz Schlag-Bilanz Nährstoffzufuhr Ebene Nährstoffabfuhr Wirtschaftsdünger Marktfrüchte weitere organ. und mineral. Düngemittel SCHLAG sonstige Ernteprodukte (Futter, Stroh) legume N-Bindung N-Verluste Wirtschaftsdünger Bewertung Schlag-Saldo (kg NPKMg/ha Bilanzfläche) Nr. 1 Legende: berechnet aufgezeichnet geschätzt pauschal Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe Nr. 3

31 Schlagbilanz Schlag-Bilanz Nährstoffzufuhr Ebene Nährstoffabfuhr Wirtschaftsdünger Marktfrüchte weitere organ. und mineral. Düngemittel SCHLAG sonstige Ernteprodukte (Futter, Stroh) legume N-Bindung N-Verluste Wirtschaftsdünger Bewertung Schlag-Saldo (kg NPKMg/ha Bilanzfläche) Nr. 2 Legende: berechnet aufgezeichnet geschätzt pauschal Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe Nr. 4

32 Varianten der mineralischen und organischen Düngung N-Mineraldüngung-: Varianten mit reiner N-Mineraldüngung, ohne TM-Zufuhr über organische Materialien, keine Leguminosen (N = 901) N-Mineraldüngung+: Varianten mit N-Mineraldüngung + Kombivarianten mit Zwischenfrüchte u. Gründüngung, Stroh (N = 1328) N-Mineraldüngung++: nur Kombivarianten mit N-Mineraldüngung inkl. Zwischenfrüchte, Gründüngung, Stroh (N = 832) Organisch-Mineralisch: Varianten mit N-Mineraldüngung + Kombivarianten mit festen oder flüssigen organischen Düngern (N = 2324) Organisch-Mineralisch+ nur Kombivarianten mit N-Mineraldüngung inkl. feste oder flüssige organische Dünger (N = 1365) Organisch: nur Varianten mit flüssigen und festen organischen Düngern, ohne N-Mineraldüngung (N = 710) Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

33 Gesamtbilanz: N-Mineraldüngung (ohne N-Deposition) Nr. 2 Gesamt-N-Abfuhr = N-Abfuhr(ohne) + negativer Saldo + negative Bodenbilanz Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

34 Gesamtbilanz: N-Mineraldüngung (mit N-Deposition) Nr Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

35 Gesamtbilanz: Organische Düngemittel (mit Deposition, abs. Werte) Nr Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

36 TM-Zufuhr Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

37 C org -Bodenbilanz Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

38 N t -Bodenbilanz Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

39 N-Abfuhr Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

40 N-Saldo Nr. 1: Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

41 N-Effizienz Nr 1: Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

42 N-Saldo Nr. 4: Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

43 N-Effizienz Nr. 4: Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

44 Zusammenfassung für zwei Intensitätsniveaus Varianten N- Zufuhr (kg/ha) TM- Zufuhr (dt/ha) N- Abfuhr (kg/ha) C org - Bilanz (kg/ha) N t - Bilanz (kg/ha) N- Saldo 1 (kg/ha) N- Saldo 4 (kg/ha) N- Effiz. 1 (%) N- Effiz. 4 (%) MW: kg N-Zufuhr N-Mineraldüngung- N-Mineraldüngung+ N-Mineraldüngung++ Organisch-Mineralisch Organisch-Mineralisch+ Organische Düngung MW: kg N-Zufuhr N-Mineraldüngung N-Mineraldüngung N-Mineraldüngung Organisch-Mineralisch Organisch-Mineralisch Organische Düngung Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

45 Schlussfolgerungen Auf Grund der Vielfalt an vorhandenen Dauerversuchen (Themenstellungen, Standorte, Klima, etc.) und den umfangreichen technischen Möglichkeiten der Datenauswertung haben Metastudien erhebliche Vorteile in Forschung und Entwicklung: - Erstellung und Prüfung von Bilanzierungs- und Düngungsmethoden - Herausarbeitung und Gewichtung von Einflussfaktoren auf die C org - und N t -Gehalte des Bodens: Klima = 50, Boden = 20 30, Bewirtschaftung = 5 30 % Bestimmtheitsmaß - Humifizierungswirkung organischer Düngemittel: Kompost Stalldung Gülle Stroh Gründünger (mit steigender Zufuhr = geringere Wirkung, Koeffizienten liegen z.t. niedriger als bei der VDLUFA-Methode zur Humusbilanzierung) - Aufzeigung komplexer Zusammenhänge und Wechselwirkungen - Beispiel 1: WW Feinanteil x Niederschlag auf C org -Gehalt verschiedener Standorte in Deutschland; Beispiel 2: WW N- Mineraldüngung x C/N-Verhältnis auf Humusbilanz bzw. C org -Gehalte im Boden - Auf Grund der experimentell ermittelten hohen Datenmenge sichere Bestimmung der Komponenten der N-Bilanzierung (Zufuhr, Abfuhr, Saldo) unterschiedlicher Düngungssysteme (mineralisch, organisch) - Nährstoffeffizienzen sind streng abhängig von der Gesamt-N-Zufuhr und dem abnehmenden Ertragszuwachs der Fruchtarten bzw. der N-Abfuhren - N-Effizienzen der Gesamt-Bilanzen liegen bei mäßiger bis mittlerer N-Zufuhr bei % und bei hoher N-Zufuhr bei % - Auf lange Sicht gibt es nur geringe Unterschiede zwischen N-Mineraldüngung, mineralischorganischer und reiner organischer Düngung Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe

46 Dauerversuche lohnen sich! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Januar 2016 Dr. Hartmut Kolbe