Humusbilanz Berechnung und Interpretation

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1 Professur für Organischen Landbau Dr. Christopher Brock Humusbilanz Berechnung und Interpretation Biogas-Spezialberater/innen-Modul Erfahrungsaustausch, Graz, 23.Mai 2011 A Hitchhikers Guide to the humus balance: 1. Hintergrund: Vorteile von Humusbilanzen als Instrumente zur Analyse und Bewertung der Humusreproduktion in Anbausystemen 2. Was sagt die Humusbilanz? Unterschiedliche Ansätze, unterschiedliche Aussagen, unterschiedliche Anforderungen. 3. Parametrisierung: Berechnung von Humusbilanzkoeffizienten. 4. Validierung eine Herausforderung. 5. Schlussfolgerungen Gebrauchsanleitung Humusbilanz. 1

2 1. Vorteile der Humusbilanz als Analyse- und bewertungsinstrument. Funktionen der organischen Biodensubstanz in Agrarökosystemen: Pufferung von Einflüssen Kohlenstoffsequestrierung Schaderreger- Kontrolle Speicherung, Transformation und Nachlieferung von Nährstoffen (Mit-)Steuerung von Infiltration, Stabilität gegenüber Erosionsdisposition, mechanischer Belastung Durchlüftung, Wasserhaushalt Bodenchemie (funktionelle) Biodiversität, mikrobielle Aktivität Humus Bodenstruktur 2

3 Erfassung des Bewirtschaftungseinflusses auf die organische Bodensubstanz mittels Messung von Bodenparametern. + harte Daten. - großer Aufwand. - Keine Bewertungsrahmen für Soll-Ist-Vergleich. - Einfluss der Bewirtschaftung nicht von weiteren Standorteinflüssen zu trennen. mittels Anwendung von Modellen zum OBS- Umsatz. + genaue Ergebnisse. - großer Aufwand. - Eingabedaten liegen unter Praxisbedingungen i.d.r. nicht vor. - Einfluss der Bewirtschaftung nicht ohne weiteres von anderen Standorteinflüssen zu trennen. mit Humusbilanzen. + Praxisanwendbar. + methodisch fokussiert auf die Bewertung des Bewirtschaftungseinflusses - relativ großer Methodenfehler zu erwarten. 2. Was sagt die Humusbilanz? 3

4 Was sagt die Humusbilanz? Typ I ( Düngebedarfsermittlung ): Aussage zum Bedarf an organischer Düngung in Fruchtfolgen zum Erhalt der Humusvorräte bei hohem Ertragsniveau Typ III (Bewertung der Humusdynamik): Aussage zur absoluten Veränderung der Humusvorräte Typ II (Potentialbewertung der Humusreproduktion): Aussage zur relativen Beeinflussung der Humusvorräte im Vergleich unterschiedlicher Szenarien Die unterschiedlichen Ansätze stellen unterschiedliche Anforderungen an Parametrisierung und Validierung! Was sagt die Humusbilanz? Illustration am System: OBS-Menge Grünland Ackerbauliche Nutzung: A: Fruchtfolge mit mehrj. Futterleguminosenanbau und Stalldunganwendung (1,5 GV ha -1 ), ohne mineralische Düngung B: Fruchtfolge mit mehrj. Futterleguminosenanbau und Stalldunganwendung (0,8 GV ha -1 ), optimale mineralische Düngung C: Fruchtfolge ohne Leguminosen, ausschließlich mineralische Düngung N-Effizienz Ertrag A B C mittel gering hoch hoch hoch mittel Landnutzungswechsel Zeit 4

5 Was sagt die Humusbilanz? Illustration Typ I: 1) Aussage: Organischer Düngebedarf. 2) Aussage: relative Veränderung der Humusvorräte. 3) Aussage: absolute Veränderung der Humusvorräte. Ackerbauliche Nutzung: A: Fruchtfolge mit mehrj. Futterleguminosenanbau und Stalldunganwendung (1,5 GV ha -1 ), ohne mineralische Düngung B: Fruchtfolge mit mehrj. Futterleguminosenanbau und Stalldunganwendung (0,8 GV ha -1 ), optimale mineralische Düngung C: Fruchtfolge ohne Leguminosen, ausschließlich mineralische Düngung A B C N-Effizienz Ertrag mittel gering hoch hoch hoch mittel Was sagt die Humusbilanz? Illustration Typ II: 1) Aussage: Organischer Düngebedarf. 2) Aussage: relative Veränderung der Humusvorräte. OBS-Menge 3) Aussage: Absolute Veränderung der Humusvorräte. A B C Landnutzungswechsel Zeit 5

6 Was sagt die Humusbilanz? Illustration Typ III: OBS-Menge 1) Aussage: Organischer Düngebedarf. 2) Aussage: relative Veränderung der Humusvorräte. 3) Aussage: absolute Veränderung der Humusvorräte. A B C Zeit Methodenübersicht (ohne Anspruch auf Vollständigkeit): VDLUFA (VDLUFA 2004): Empirische Ableitung der Koeffizienten mittels Multikriterienanalyse (Ertragsniveau, N-Effizienz, stabile Humusgehalte) in Dauerfeldversuchen. Humuseinheitenmethode (HE nach Leithold et al. 1997): Gleiche Grundlage wie VDLUFA, aber Anpassung nach Landbausystem (konventionell, ökologisch) auf Grundlage von Annahmen zum N-Haushalt. Standortangepasste Humusbilanz STAND (Kolbe 2007, 2010): Kalibrierung der VDLUFA-Koeffizienten anhand von Standortklassen. Dynamische Humuseinheitenmethode (Hülsbergen 2003): Teilweise modellbasierte Berechnung von Humusbilanzkoeffizienten unter Bezugnahme auf die C- und N-Dynamik im System Boden-Pflanze. Humusbilanzmethode nach Neyroud (1997): Humusbilanz auf Grundlage von statischen Annahmen zur Umsatzförderung in Anbausystemen und zum Umsatz organischer Inputs. Humusbilanzmodell HU-MOD (Brock et al und eingereicht): Konsequent modellbasierte Berechnung von Humusbilanzkoeffizienten unter Bezugnahme auf die C- und N-Dynamik im System Boden-Pflanze. Candy-Carbon-Balance CCB (Franko et al., eingereicht bei GEODERMA): Vereinfachendes Modell zum Umsatz der org. Bodensubstanz für die Praxisanwendung. 6

7 3. Parametrisierung / Berechnung von Humusbilanzkoeffizienten und Humusbilanzen: Grundprinzip der Humusbilanz: Humusersatz/Input (Org. Dünger, Pflanzenbiomasse) - Humusbedarf/ bewirtschaftungsbedingter Humusverlust = Humusreproduktion (bewirtschaftungsbedingte Veränderung der Humusvorräte) 7

8 Möglichkeiten der Koeffizientengenerierung: experimentelle Ermittlung anhand von Dauerversuchen und / oder Ableitung aus der N-Dynamik und / oder Ableitung aus Umsatzindikatoren Koeffizientengenerierung für Typ I (Düngebedarfsermittlung): Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen Veränderung der Humusvorräte im Auswertungszeitraum (% C org ) +0,25 +/-0-0, Ertragsniveau Winterweizen (dt TS ha -1 ) 8

9 Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen: Veränderung der Humusvorräte im Auswertungszeitraum (% C org ) +0,25 Annähernd konstante Humusgehalte... +/-0-0, Ertragsniveau Winterweizen (dt TS ha -1 ) Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen: Veränderung der Humusvorräte im Auswertungszeitraum (% C org ) +0,25 Annähernd konstante Humusgehalte......bei hohem Ertragsniveau. +/-0-0, Ertragsniveau Winterweizen (dt TS ha -1 ) 9

10 Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen: Veränderung der Humusvorräte im Auswertungszeitraum (% C org ) +0,25 +/-0 Fruchtfolge: 60 % Getreide 20 % Hackfrucht 20 % Feldfutter (Luzernegras) Düngung: 120 dt Rottemist ha -1 a kg Mineral-N ha -1 a -1 Notwendige Zufuhr an Org. Substanz (TS, bezogen auf Stallmist) zum Erhalt der Humusvorräte: -0, dt ha -1 a -1 Ertragsniveau Winterweizen (dt TS ha -1 ) Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen: Quelle: Asmus/Herrmann (1977) 10

11 Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen: Quelle: Asmus/Herrmann (1977) Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen: Interpolierte Koeffizienten für unterschiedliche Bodenartengruppen: Quelle: Asmus/Herrmann (1977) 11

12 Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen: Problem: Generierung von Koeffizienten ist nur für die in den Dauerfeldversuchen abgebildete Systeme und entsprechenden Bedingungen möglich. Generierung von Koeffizienten nicht möglich für andere Systeme/Bedingungen, z.b. -ökologische Bewirtschaftung, -besondere Anbausysteme (Mischkultur, Agroforstsysteme,...) -neue Fruchtarten (Baumarten, Sorghum, Miscanthus,...) Koeffizientenberechnung Typ II (Potentialbewertung Humusreproduktion): Ableitung anhand von Modellen zur C- und N-Dynamik im System Boden-Pflanze. Tjurin (1957): Verknüpfung von Humus- und Stickstoffbilanz von Ackerböden. Rauhe & Schönmeier (1966): Humuseinheiten-Methode. Asmus (1985): Humusbedarf und Stickstoffentzug. Leithold (1991): Horizontale Stickstoffbilanz. Hülsbergen (2003): erweiterte (dynamische) Humuseinheiten-Methode. Brock/Hoyer/Leithold/Hülsbergen (2008): Humusbilanzmodell (HU-MOD). 12

13 Beispiel: Humusbilanzmodell HU-MOD (Brock et al., eingereicht): Konzept: C und N sind als Bausteine der Humussubstanz von gleichrangiger Bedeutung. Erfassung der Humusdynamik ist daher anhand beider Elemente möglich. Pflanzenertrag und Humusdynamik stehen über N- Aufnahme der Pflanzen in messbarer Beziehung. Der Humusaufbau hängt von Menge und Qulität organischer Inputs ab. Ermittlung der Humusmineralisierung: Die Humusmineralisierung im Zuge eines Anbausystems wird durch Separierung des Beitrages der unterschiedlichen N-Pools zur N-Versorgung des Pflanzenbestandes ermittelt. Der Bezug zwischen N in Pflanzenbiomasse und N- Angebot aus den einzelnen Pools wird über spezifische Systemverwertungsraten für N hergestellt. 13

14 Ermittlung der Humusersatzleistung: Die Humusersatzleistung wird anhand aller Inputs an organischer Substanz berechnet. Dabei werden als Inputs neben organischen Düngern aller Art (inkl. Stroh, Gründg.) zunächst Ernterückstände, Wurzelmassen und Wurzelexsudate berücksichtigt, außerdem ggf. organische Dünger aller Art (inkl. Stroh und Gründg.) Der Bezug zwischen C-Input und Humusaufbau wird über substratspezifische Humifizierungsraten hergestellt. Dünger (mineralischer N) Pflanze nur bei Leguminosen: N fix Atmosphäre N min Aufnahme Bodenlösung Emissionen N min Humus Auswaschung 14

15 Dünger (organische Masse) Ernterückstände Stroh Wurzeln Veratmung Umsatz Auswaschung Humus HU-MOD - Algorithmus: hrc = C H + F H N HHäq mit C H (Humusersatz Pflanzenbiomasse)= C R * h R + C RT * h RT + C EX * h EX + C RE * h RE + C S * h S C unterschiedliche Input-Quellen, h Humifizierungskoeffizienten F H (Humusersatz Dünger) = C Fert * h Fert N HHäq = N H / 55 * 580 N H (Humusmineralisierung)= (N PB - N dfa - N I * wp NI - N Fert * wp NFert ) / wp NH + ΔN min N unterschiedliche N-Pools, wp Verwertungsraten für N 15

16 Koeffizientenberechnung Typ III (Analyse Humusdynamik): Modellierung des Umsatzes organischer Bodensubstanz. Bewirtschaftung Input organische Substanz Klima (funktionelle) Biodiversität, mikrobielle Aktivität Bodenstruktur Umsatz Organische Bodensubstanz Durchlüftung, Wasserhaushalt, Aggregierung Boden 4. Validierung (eine Herausforderung). 16

17 Methodische Ansätze zur Validierung der Humusbilanz: OBS-Menge Grünland 1) Aussage: absolute Veränderung der Humusvorräte. 2) Aussage: relative Veränderung der Humusvorräte. 3) Organischer Düngebedarf. Fehlerrechnung OBS berechnet vs. OBS gemessen in Dauerfeldversuchen. N-Effizienz Ertrag A B C mittel gering hoch hoch hoch mittel Landnutzungswechsel Zeit Methodische Ansätze zur Validierung der Humusbilanz: OBS-Menge Grünland 1) Aussage: absolute Veränderung der Humusvorräte. 2) Aussage: relative Veränderung der Humusvorräte. 3) Organischer Düngebedarf. Korrelationsanalyse Humusbilanz:OBS-Entwicklung in Dauerfeldversuchen mit mind. 3 unterschiedlichen Systemen. N-Effizienz Ertrag A B C mittel gering hoch hoch hoch mittel Landnutzungswechsel Zeit 17

18 Methodische Ansätze zur Validierung der Humusbilanz: OBS-Menge Grünland 1) Aussage: absolute Veränderung der Humusvorräte. 2) Aussage: relative Veränderung der Humusvorräte. 3) Organischer Düngebedarf. Multikriterienanalyse mit N-Effizienz, Ertrag, OBS-Entwicklung(?) in Fruchtfolge-Düngungs- Dauerfeldversuchen. N-Effizienz Ertrag A B C mittel gering hoch hoch hoch mittel Landnutzungswechsel Zeit 5. Schlussfolgerungen. 18

19 Gebrauchsanleitung Humusbilanz: Frage 1: Was will ich beurteilen? Den organischen Düngebedarf in Fruchtfolgen zum Erhalt der Humusvorräte bei hohem Ertragsniveau Humusbilanz Typ I (z.b. VDLUFA)! Die unterschiedliche Beeinflussung der Humusvorräte im Szenarienvergleich, z.b. bei Bewirtschaftungsumstellungen. Humusbilanz Typ II (z.b. HU-MOD, aber alle Methoden möglich)! Die absolute Veränderung der Humusvorräte in Abhängigkeit vom Bewirtschaftungssystem. Humusbilanz Typ III (z.b. CCB)! Gebrauchsanleitung Humusbilanz: Frage 2: Wie ist der Datenbedarf? VDLUFA, HE nach Leithold STAND Dynamische HE Neyroud HU-MOD CCB Fruchtfolge X X X X X X Erträge X X Art und Menge der organischen Dünger Art und Menge der mineralischen Düngung Einfache Angaben zur Standortgüte X X X X X X X X X X X Bodendaten X X X N-Gehalte Pflanzen und Dünger X X 19

20 Gebrauchsanleitung Humusbilanz: Frage 3: Welche Gültigkeit besitzen die Aussagen? VDLUFA, HE nach Leithold Typ I (Düngebedarfsermittlung) Validiert (VDLUFA) Plausibilitätskontrolliert (HE nach Leithold) Typ II (Potentialanalyse Humusreprodktion) Nicht explizit geprüft Typ II (Analyse Humusdynamik) Nicht anwendbar STAND Nicht explizit geprüft Nicht explizit geprüft Validiert Dynamische HE Plausibilitätskontrolliert Nicht explizit geprüft Nicht anwendbar Neyroud Nicht explizit geprüft Nicht explizit geprüft Nicht explizit geprüft HU-MOD Nicht explizit geprüft Validiert (Noch) nicht anwendbar CCB Nicht explizit geprüft Nicht explizit geprüft Validiert Methodenbeschreibungen: VDLUFA (2004): Standpunkt zur Humusbilanzierung.VDLUFA, Speyer, Leithold G, Hülsbergen K-J, Michel D, Schönmeier H (1997): Humusbilanzierung - Methoden und Anwendung als Agrar-Umweltindikator. In: Deutsche Bundesstiftung Umwelt (Hrsg.). Initiativen zum Umweltschutz 5, Umweltverträgliche Pflanzenproduktion, Hülsbergen K-J (2003): Entwicklung und Anwendung eines Bilanzierungsmodells zur Bewertung der Nachhaltigkeit landwirtschaftlicher Systeme. Berichte aus der Agrarwirtschaft. Shaker Verlag, Aachen. Kolbe H (2007): Methode zur standortangepassten Humusbilanzierung von Ackerland unterschiedlicher Anbauintensität. Infodienst 05/07, Sächsische Agrarverwaltung, Leipzig. Neyroud J-A (1997): La part du sol dans la production intégrée 1. Gestion de la matière organique et bilan humique. Revue suisse d'agriculture 29, Franko U, Thiel E (2010): Anwenderhandbauch CCB. UFZ, Halle. Brock C, Hoyer U, Leithold G, Hülsbergen K-J (2008): Entwicklung einer praxisanwendbaren Methode der Humusbilanzierung im ökologischen Landbau. F&E-Bericht zum Projekt 03OE084 des Bundesprogramms Ökologischer Landbau, 20

21 Wissenschaftliche Literatur: Brock C, Franko U, (in Vorbereitung): The humus balance state of the art and perspectives [Arbeitstitel]. Brock C, Hoyer U, Leithold G, Hülsbergen K-J (eingereicht): The humus balance model (HU- MOD): A novel approach to humus balance coefficient generation. Nutr. Cycl. Agroecosyst. Engels C, Reinhold J, Ebertseder T, Heyn J (2010): Schlussbericht zum Forschungsvorhaben Humusbilanzierung landwirtschaftlicher Böden Einflussfaktoren und deren Auswirkungen. BLE-Forschungsprojekt HS016. VDLUFA, Speyer. Hülsbergen K-J (2003): Entwicklung und Anwendung eines Bilanzierungsmodells zur Bewertung der Nachhaltigkeit landwirtschaftlicher Systeme. Berichte aus der Agrarwirtschaft. Shaker Verlag, Aachen. Kolbe H (2010): Site-adjusted organic matter balance method for use in arable farming systems. J. Plant Nutr. Soil Sci. 173, und zu Guter Letzt noch eine Anmerkung zum Energiepflanzenanbau: Es gelten grundsätzlich die gemachten Aussagen! Forschungsbedarf besteht insbesondere hinsichtlich der Ableitung von Koeffizienten für Energiefruchtarten hier liegen bisher keine validierten Werte vor (Ausnahme: Mais). Die Humusersatzleistung von Gärresten hängt von C-Verlust im Fermenter und Abbaustabilität des Gärrestes ab. Werte sind hier dynamisch anzupassen. Grundsätzlich ist Gärrest abbaustabiler als das Ausgangssubstrat. 21

22 Professur für Organischen Landbau Vielen Dank! Dr. Christopher Brock Justus-Liebig-Universität Giessen Professur für Organischen Landbau Karl-Glöckner-Straße 21c Giessen Deutschland Tel.: 0049-(0)