Dauerfeldversuche in Brandenburg und Berlin - LELF
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Dauerfeldversuche in Brandenburg und Berlin - LELF
Ministerium für Ländliche Entwicklung, Ministerium für Ländliche Entwicklung, Umwelt und Verbraucherschutz Umwelt und Verbraucherschutz /DQGZLUWVFKDIW*DUWHQEDX /DQGZLUWVFKDIW*DUWHQEDX XQG(UQlKUXQJ Landwirtschaft, Gartenbau XQG(UQlKUXQJ und Ernährung Dauerfeldversuche Dauerfeldversuche Dauerfeldversuche ininBrandenburg Brandenburgund undBerlin Berlin in Brandenburg und Berlin Beiträge Beiträgefür füreine einenachhaltige nachhaltige Beiträge für eine nachhaltige landwirtschaftliche Bodennutzung landwirtschaftliche Bodennutzung landwirtschaftliche Bodenbenutzung /DQGHVDPWIU /DQGHVDPWIU 9HUEUDXFKHUVFKXW] 9HUEUDXFKHUVFKXW] /DQGZLUWVFKDIWXQG /DQGZLUWVFKDIWXQG )OXUQHXRUGQXQJ )OXUQHXRUGQXQJ Impressum Herausgeber: 0LQLVWHULXPIU/lQGOLFKH(QWZLFNOXQJ8PZHOWXQG9HUEUDXFKHUVFKXW] GHV/DQGHV%UDQGHQEXUJ0/89 3UHVVHXQGgIIHQWOLFKNHLWVDUEHLW +HLQULFK0DQQ$OOHH3RWVGDP 7HORGHU )D[ (PDLOSUHVVHVWH OOH#POXYEUDQGHQEXUJGH ,QWHUQHWZZZPOXYEUDQGHQEXUJGH /DQGHVDPWIU9HUEUDXFKHUVFKXW]/DQGZLUWVFKDIWXQG)OXUQHXRUGQXQJ $P+DOEOHLWHUZHUN )UDQNIXUW2GHU (PDLOSRVWVWHOO H#OYOIEUDQGHQEXUJGH ,QWHUQHWZZZPOXYEUDQGHQEXUJGHLQIROYOI Redaktion: /DQGHVDPWIU9HUEUDXFKHUVFKXW]/DQGZLUWVFKDIWXQG)OXUQHXRUGQXQJ 'RUIVWUDH 7HOWRZ5XKOVGRUI 7HOHIRQ 7HOHID[ ,QWHUQHWZZZPOXYEUDQGHQEXUJGHLQIROYOI 6FKULIWHQUHLKH GHV/DQGHVDPWHVIU9HUEUDXFKHUVFKXW]/DQGZLUWVFKDIWXQG)OXUQHXRUGQXQJ $EWHLOXQJ/DQGZLUWVFKDIWXQG*DUWHQEDX 5HLKH/DQGZLUWVFKDIW%DQG+HIW,9 Druck: /DQGHVDPWIU9HUEUDXFKHUVFKXW]/DQGZLUWVFKDIWXQG)OXUQHXRUGQXQJ $P+DOEOHLWHUZHUN )UDQNIXUW2GHU 7= 'LHVH'U XFNVFKULIW ZLUGLP5DKPHQGHUgIIHQWOLF KNHLWVDUEHLWGHU/DQGHV UHJLHUXQJ%U DQGHQEXUJKHU DXVJHJHEHQ 6LHGDUIZHGHUYRQ3DUWHLHQQRFKYRQ:DKOZHUEHUQ]XP=ZHFNHGHU:DKOZHUEXQJYHUZHQGHWZHUGHQ8QWHUVDJW LVWJOHLFKIDOOVGLH:HLWHUJDEHDQ'ULWWH]XP=ZHFNHGHU:DKOZHUEXQJ 1DFKGUXFN±DXFKDXV]XJVZHLVH±QXUPLWVFKULIWOLFKHU*HQHKPLJXQJGHV+HUDXVJHEHUV /DQGHVDPWIU9HUEUDXFKHUVFKXW]/DQGZLUWVFKDIWXQG)OXUQHXRUGQXQJ0lU] Dauerfeldversuche in Brandenburg und Berlin Beiträge für eine nachhaltige landwirtschaftliche Bodennutzung Gemeinsam erarbeitet von: Humboldt-Universität zu Berlin (HU) Landwirtschaftlich-Gärtnerische Fakultät Institut für Pflanzenbauwissenschaften Albrecht-Thaer-Weg 5, 14195 Berlin Tel.: 030-31471-145 Fax: 030-31471-407 www.agrar.hu-berlin.de Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau Großbeeren/Erfurt e.V. (IGZ) Abteilung Pflanzenernährung Theodor-Echtermeyer-Weg 1, 14979 Großbeeren Tel.: 033701-78131 Fax: 033701-55391 www.igzev.de Landesamt für Verbraucherschutz, Landwirtschaft und Flurneuordnung (LVLF) Referat Ackerbau und Grünland Berliner Straße, 14532 Stahnsdorf, OT Güterfelde Tel.: 03329-6914-00 Fax: 03329-6914-29 www.mluv.brandenburg.de Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e. V. Eberswalder Straße 84, 15374 Müncheberg Tel.: 033432-820 Fax: 033432-82212 www.zalf.de Bearbeiter: Barkusky, Dietmar, Dr. (ZALF) Tel./Fax: 033432-82-168/186 E-Mail: dbarkusky@zalf.de Hierold, Wilfried, Dr. (ZALF) Tel./Fax: 033432-82-436/280 E-Mail: whierold@zalf.de Baumecker, Michael (HU) Tel./Fax: 033731-15469/80307 E-Mail:michael.baumecker@agrar.hu-berlin.de Käding, Horst, Dr. (ehem. ZALF) Tel.: 033875-90758 E-Mail: horstkaeding@t-online.de Chmielewski, F.-M. (HU) Tel.: 030-31471210 E-Mail: chmielew@agra.hu-berlin.de Köhn, Wolfgang, Dr. (ehem. HU) Tel.: 030-31471204 E-Mail: wolfgang.koehn@agrar.hu-berlin.de Ellmer, Frank, Prof., Dr. (HU) Tel./Fax: 030-314-71-197/211 E-Mail: frank.ellmer@agrar.hu-berlin.de Rühlmann, Jörg, Dr. (IGZ) Tel./Fax: 033701-78262/55391 E-Mail: ruehlmann@igzev.de Gagern, Wilfried von, Dr. (ehem. LVLF) Tel.: 033200 51429 E-Mail: wvongagern@t-online.de Zimmer, Jörg (LVLF) Tel./Fax: 03329-6914-24 / 29 E-Mail: joerg.zimmer@lvlf.brandenburg.de Inhalt Seite Vorwort …………………………………………………………………………………………… 4 1.0 Die Böden Brandenburgs im Überblick - Einordnung der Dauerversuchsstandorte 7 2.0 Standorte der Dauerfeldversuche in Brandenburg und Berlin …………………….….. 12 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 Klimatologische Standortbeschreibung ……………………….………………………….…... Standortbeschreibungen …………………………………………………………………….…. Vergleich der Niederschläge und Temperaturen für die Versuchsstandorte (1971-2000). Zusammenfassung ……………………………………….…………………………………….. 15 16 19 21 3.0 Steckbriefe der Dauerfeldversuche …………………………………………….……..…… 22 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 Berlin-Dahlem Humboldt-Universität …………………………………………………………. Agrarmeteorologisches Intensivmessfeld Berlin-Dahlem ………………………………….. Statischer Dauerversuch Bodennutzung Berlin-Dahlem …………………………………… Internationaler Organischer Stickstoffdauerdüngungsversuch Berlin-Dahlem …………... Großbeeren, Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau ……………………………………. Kastenparzellenversuch Großbeeren (1973) ………………………………………………… Statischer Dauerfeldversuch „Organisch-mineralische N-Düngung“ Großbeeren Groß Kreutz und Güterfelde, Landesamt für Verbraucherschutz, Landwirtschaft und Flurneuordnung…………………..……………………………………….……………………... Dauerfeldversuch M4, Groß Kreutz, Kombinationsversuch Mineral-N mit Stalldung-N ………………………………………………………….………………………. Dauerfeldversuch P60, Groß Kreutz, organisch-mineralische Düngung ………………… Fazit aus den Dauerfeldversuchen P60 und M4, Groß Kreutz …………………..………… Müncheberg, Paulinenaue ZALF ………………………….……………………………..….... Müncheberger Nährstoffsteigerungsversuch, V140 ……………………………….…..….… Bewirtschaftungsversuch V760 ………………………………………………………...…..…. Grünlanddauerversuch V102, Paulinenaue …………………………….………….…….….. Thyrow, HU ………………………………………………………………………………………. Statischer Nährstoffmangelversuch Thyrow ………………………………………………… Statischer Bodenfruchtbarkeitsversuch Thyrow …………………………………………….. Statischer Düngungs- und Beregnungsversuch Thyrow …………………………………… 22 22 38 49 61 61 73 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.4. 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 86 86 93 101 103 103 109 115 125 125 133 142 4.0 Vergleichende Auswertung der Dauerfeldversuche und deren Bedeutung für die Bodennutzung ………………………………………………………………………………… 148 4.1 4.1.1 4.1.2 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 Bodennutzung und Erträge ………………………………………………………………….… Erträge der nicht gedüngten Parzellen (Nullparzellen) ……………………………………… Erträge der gedüngten Prüfglieder ………………………………………………………….… Stickstoff- u. Kohlenstoffhaushalt des Systems Boden-Pflanze …………………………… Stickstoffhaushalt …………………………………………………………………………….…. Effektives Stickstoffangebot und dessen Einfluss auf die Pflanze ……………………...… Stickstoffbilanz ………………………………………………………………………………..… Kohlenstoffhaushalt ………………………………………………………………………..…… 5.0 Zusammenfassung …………………………………………………………………………… 178 149 149 151 156 157 158 164 172 Anhang …………………………………………………………………………………………… 189 2 Grußwort In der vorliegenden Broschüre werden Dauerfeldversuche vorgestellt, die ein wichtiger Bestandteil des wissenschaftlichen Erbes von Generationen vor unserer Zeit sind. Es ist der Weitsicht der Initiatoren dieser Versuche zu danken, dass wir heute auf einen umfangreichen Fundus an Erkenntnissen zu den behandelten, teils existentiellen Fragen zurückgreifen können. Das Land Brandenburg fühlt sich diesem Erbe verpflichtet, um es als Entscheidungshilfe für nachfolgende Generationen zu bewahren. So unterschiedlich die Anlagen und Fragestellungen der einzelnen Versuche auch sind, so breit ist das Spektrum der gefundenen Ergebnisse. Die Wirkung von organischer und mineralischer Düngung und ihr Einfluss auf den pflanzlichen Ertrag sowie die Nährstoffversorgung unserer Böden stellen den Schwerpunkt der Untersuchungen dar. Daneben gibt es aber auch eine Reihe anderer wichtiger Untersuchungsziele, wie etwa der Einfluss des Witterungsverlaufs, die Fruchtfolgegestaltung, die Bodenbearbeitung, die Entwicklung der Bodenfruchtbarkeit, die Nährstoffbilanzen und Nährstoffeffizienz, die Humusreproduktion, die Beregnung oder die Bodenveränderung durch Torfmineralisierung. Diese Aufzählung von Beispielen verdeutlicht, dass Dauerfeldversuche wertvolle Informationen liefern, die über die landwirtschaftliche Erzeugung hinaus gehen. Sie bieten ebenso Antworten auf Fragen, die gerade in der heutigen Zeit für eine Öffentlichkeit interessant geworden sind. Dazu zählen Probleme des Bodenschutzes, der Klimaveränderungen, der Biodiversität oder des Landschaftswasserhaushalts. Diese Veröffentlichung enthält einen wahren Schatz wissenschaftlicher Ergebnisse aus Dauerfeldversuchen der Region Berlin - Brandenburg. Sie ist zudem ein exzellentes Beispiel länder- und organisationsübergreifender Kooperation von Wissenschafts- und Forschungseinrichtungen. Dietmar Woidke Minister für Ländliche Entwicklung, Umwelt und Verbraucherschutz des Landes Brandenburg 3 Vorwort Der Boden in Kombination mit Licht, Luft, Wasser und Klima bildet die entscheidende Grundlage für das Leben auf der Erde. Bereits mehr als 10.000 Jahre vor der Zeitenwende haben die Menschen damit begonnen, gezielt und organisiert mit ausgewählten Pflanzen die Potenzen des Bodens zu ihrem Vorteil auszunutzen. Sie konnten dadurch allmählich Vorräte schaffen und sesshafter werden und haben immer besser gelernt, die Grundlagen für die menschliche Entwicklung zu gestalten. Das von Justus von Liebig erkannte und formulierte Gesetz vom Minimum (1855-1862) besagt, dass die Erträge mit der Veränderung der jeweiligen Minimumfaktoren deutlich gesteigert werden können. Dadurch war die wissenschaftliche Basis für die Düngung geschaffen und damit verbunden die ständige Verbesserung der Nahrungsversorgung für die stetig wachsende Bevölkerung in Deutschland und bald weltweit. Hunger und Krankheiten konnten seither immer erfolgreicher bekämpft werden. Insbesondere ab Mitte des 20. Jahrhunderts hatte die Landwirtschaft eine zunehmend größere Palette von Produktionsmitteln zur Verfügung. Damit wurde es immer schwieriger, deren Wirkungen auf den Ertrag, den Boden und die Umwelt sicher zu quantifizieren. Es wurde aber auch deutlich, dass aus Untersuchungen in wenigen Anwendungsjahren keine gesicherten Aussagen abgeleitet werden können. Spätestens ab dieser Zeit wurde klar, wie notwendig Dauerfeldversuche auf den verschiedenen Standorten über lange Zeiträume sind, um sichere Aussagen zu den Ertragseinflüssen sowie zur Wirkung auf den Boden und die Umwelt zu erhalten. Rogasik u. a. (2005) formulierten, dass der besondere und unwiederbringliche Wert von Dauerversuchen in ihrem über lange Zeiträume akkumulierten Erkenntnisstand liegt. Böden reagieren sehr langsam auf Veränderungen wie z.B. von Bewirtschaftung und Klima, insbesondere betrifft das den Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt, aber auch die mikrobiologischen Bodenmerkmale. Bevor sich infolge von Nutzungsänderungen ein neues Gleichgewicht eingestellt hat, vergehen oft mehrere Jahrzehnte. Vor diesem Hintergrund sind die bestehenden Dauerfeldversuche ein Glücksfall für die Agrar- und Umweltwissenschaften. Sie liefern Grundlagen für den experimentellen Nachweis langfristiger Wirkungen der Stoffkreisläufe auf den Boden, die naturnahen Ökosysteme und die landwirtschaftliche Produktion. In der Europäischen Union wurden den Boden, die Düngung und das Wasser betreffend sehr umfassende gesetzliche Regularien geschaffen. Diese bedürfen zur Umsetzung in Landesrecht spezifischer Erkenntnisse, welche standortbezogen angewendet werden müssen. Mit Hilfe der Dauerfeldversuche lässt sich fundiert nachweisen, welche Bewirtschaftungsverfahren als nachhaltig angesehen werden können. Die Ergebnisse zeigen nach mehr als 20 Jahren, dass Klima, Bewirtschaftungsverfahren und Düngung sehr unterschiedliche Auswirkungen auf den Boden haben. Sie lassen erkennen, dass Nachhaltigkeit und ökologische Sicherheit nicht nur von integrierter oder ökologischer Bewirtschaftung abhängen, sondern ein vielfältig vernetzter Komplex von Wirkfaktoren zu beachten ist. Die folgend besprochenen 15 Dauerfeldversuche in Brandenburg und Berlin, welche seit mehr als 20 Jahren durchgeführt werden, haben große Datenmengen mit vielfältigen Informationen und Erkenntnissen hervorgebracht. Die Verfasser dieser Schrift haben daraus eine Übersicht zu Inhalten, Wirkungen und Stoffkreisläufen gemeinsam erarbeitet. Diese Informationen sollen die Versachlichung der Diskussionen über die landwirtschaftliche Bodennutzung fördern, wissenschaftliche Grundlagen für Entscheidungen in der Agrar- und Umweltpolitik liefern sowie zur Qualifizierung der Beratungsarbeit und der landwirtschaftlichen Praxis beitragen. Die Verfasser Potsdam, 30.11.2008 4 Abkürzungen a Abb. AHL AHL+S AZ BBodSchG Corg Jahr Abbildung Ammoniumnitrat-Harnstoff-Lösung Ammoniumnitrat-Harnstoff-Lösung mit Schwefel Ackerzahl Bundes-Bodenschutzgesetz organischer Kohlenstoff (Boden) Ct Gesamtkohlenstoff (Pflanze) DüV DFV E-Feld ER FAO FM GD GE GF GV hPa K k. A. KAR KAS KDL Düngeverordnung Dauerfeldversuch Ertragsfeld Ernterückstände Food and Agriculture Organization of the United Nations Frischmasse Gründüngung Getreideeinheit Güllefeststoffe Großvieheinheit hekto Pascal Kelvin keine Angaben Kartoffeln Kalkammonsalpeter Kalium, pflanzenverfügbar, doppellaktatlöslich KTR mineral. MMK n Nmin Kieferntrockenrinde mineralisch Mittelmaßstäbige landwirtschaftliche Standortkartierung Anzahl Mineralischer Stickstoff (Summe aus NH4-N und NO3-N) Norg Nt Organischer Stickstoff Gesamtstickstoff (Boden) OBS ohne org. D. org. Substanz organ. PDL organische Bodensubstanz ohne organische Düngung organische Substanz organisch Phosphor, pflanzenverfügbar, doppellaktatlöslich PF PKRBS SG Smin Stm bzw. STM SW Pflugfurche Phosphat- und KaliumReichsbodenbschätzung Sommergerste Mineralischer Schwefel Stallmist Sommerweizen 5 TM TS WG WR WR (H) WR (P) WW ZR Trockenmasse Trockensubstanz Wintergerste Winterroggen Hybridroggen Populationsroggen Winterweizen Zuckerrüben Dauerfeldversuche Kurzzeichen Titel BDa_E-Feld Agrarmeteorologisches Intensivmessfeld, Berlin-Dahlem BDa_D3 Dauerfeldversuch D3, Berlin-Dahlem BDa_IOSDV Dauerfeldversuch IOSDV, Berlin-Dahlem Grb_DFV Dauerfeldversuch, Großbeeren Grb_KPA Al Kastenparzellenversuch, Lehmboden, Großbeeren Grb_KPA D Kastenparzellenversuch, Sandboden, Großbeeren Gbr_KPA Lö Kastenparzellenversuch, Lössboden, Großbeeren GrK_M4 Kombinationsversuch Mineral-N+Stalldung-N M4, Groß Kreutz GrK_P60 Dauerversuch organisch-mineral. Düngung P60, Groß Kreutz Lau_STAT Dauerfeldversuch Statischer Versuch, Bad Lauchstädt Mue_V140 Nährstoffsteigerungsversuch V140, Müncheberg Mue_V760 Bewirtschaftungsversuch V760, Müncheberg Pau_V102 Grünlanddauerversuch V102, Paulinenaue Thy_D1 Statischer Düngungs- und Beregnungsversuch, Thyrow Thy_D4 Statischer Nährstoffmangelversuch D4, Thyrow Thy_D6 Statischer Bodenfruchtbarkeitsversuch D6, Thyrow 6 1.0 Die Böden Brandenburgs im Überblick – Einordnung der Dauerversuchsstandorte W. Hierold Die Bodenlandschaften Brandenburgs, die in Abb. 1.0.1 als Leitbodengesellschaften dargestellt sind, zeigen eine deutliche Differenzierung. Großräumig wechseln Moränenplatten und Niederungen mit ihren überwiegend glazigenen (eiszeitlichen) Sedimenten oder deren Umlagerungsprodukten. Flächig dominieren damit Böden aus Sanden und Lehmsanden (D-Standorte), die vor allem durch Eisvorstöße des Brandenburger und Pommerschen Stadiums der Weichselkaltzeit abgelagert wurden. Südlich des Baruther Urstromtales treten ältere Sedimente der Saalekaltzeit auf. In den Talungen und Niederungen sind die Sande ehemaliger Urstromtäler oft überlagert von jüngeren Bildungen des Holozän (alt: Alluvium) wie Auensedimenten (Al) an Oder und Elbe und Niedermoortorfen (Mo). Die Moorstandorte sind großflächig im Rhin- und Havelluch und anderen Niederungslagen verbreitet. Als durch Wind umgelagerte Sedimente sind für die brandenburgische Landwirtschaft nur Sandlösse nördlich des Fläming relevant. Dünensande tragen mit ihrer geringen Bonität dagegen i. d. R. Kiefernwald. Böden anthropogen abgelagerter Sedimente (Stadtböden und Bergbaufolgeböden in der Lausitz) befinden sich kaum in landwirtschaftlicher Nutzung. Weil sandige und schwach lehmige Böden dominieren, trägt Brandenburg das Synonym „Märkische Streusandbüchse“. Ertragsschwache, zu Austrocknung neigende Sandböden treten großflächig dort auf, wo Schmelzwässer Sande hinterlassen haben (z. B. Schorfheide), Urstromtäler trocken gefallen sind (Berliner Urstromtal) oder ältere Moräneplatten Decksande tragen (Niederlausitz). Häufig kommen in diesen Gebieten Dünen vor, die während der Kaltzeiten oder wegen zu starker Waldrodung z.B. im Mittelalter gebildet wurden. Die jüngeren Moränenplatten der Uckermark und die Auen des Oderbruchs weisen dagegen bessere Ackerböden aus Lehm auf. Böden mittlerer Bonität, weithin vorherrschend, sind i. d. R. geschichtete Böden mit Sand über Lehm, wie sie auf den Grundmoränen Mittelbrandenburgs verbreitet sind. Die Güte des Grünlandes wird neben dem Substrat durch die Grundwasserverhältnisse bestimmt. Daher sind durch Melioration regulierte Niedermoore, aber auch humusreiche, nasse Sandböden in der Regel ertragssicheres Grünland. Da neben den Klimabedingungen die Böden die entscheidende Grundlage der Agrarproduktion bilden, hat sich in den letzten Jahrhunderten weitgehend eine boden7 bedingte Differenzierung zwischen Land- und Forstwirtschaft herausgestellt. Die Karte der Leitbodengesellschaften (Abb. 1.0.1) gibt unabhängig von der aktuellen Nutzung die vorherrschenden Substrat- und Bodenverhältnisse wieder. Als Ackerböden treten verbreitet Braunerden und Lessivès (Fahlerden und Parabraunerden) auf. Erosionsbedingt sind diese oft mit jungen Umlagerungsböden (Pararendzinen und Kolluvisole) vergesellschaftet. In Auen dominieren Gleye. Die größten Waldgebiete Brandenburgs liegen deckungsgleich mit sandigen Böden geringer Bonität (Regosole, Podsole, arme Braunerden). Aber auch steilere Lagen werden reliefbedingt als Wald genutzt. Der Anteil von Wald an der Gesamtfläche Brandenburgs incl. Berlins beträgt 37 %. Der mitunter engräumige Wechsel sandiger bis lehmiger Böden, wie ihn Landwirte im Feldmaßstab in ihren Betrieben kennen, kann in einer Übersichtskarte nicht dargestellt werden. Die Leitböden sind die flächendominanten Ausprägungen der Bodengesellschaften, die in der Regel von abweichenden Böden begleitet werden. Diese Heterogenität ist sowohl in der landwirtschaftlichen Praxis als auch bei der Übertragung von Feldversuchsergebnissen auf Praxisflächen bedeutsam. Die Standorte der Dauerfeldversuche sind in der Tab. 2.0.2 vergleichend dargestellt. Die Bodendaten stammen aus Profilaufnahmen, die an repräsentativen Punkten der Versuchsfelder aufgenommen wurden. Sie belegen deutliche Unterschiede zwischen den Versuchsstandorten. Die bodensystematische Einordnung erfolgt über Bodenformen als Kombination der Bodengenese mit der Substratschichtung. Neben der Einordnungen in Legendeneinheiten in der Praxis genutzter Kartenwerke (Reichsbodenschätzung, Mittelmaßstäbige Landwirtschaftliche Standortkarte (MMK)) enthält Tab. 2.0.2 wichtige Bodenkennwerte. 8 Abb. 1.0.1: Leitbodengesellschaften Brandenburgs mit Standorten der Dauerfeldversuche (in: Atlas zur Geologie von Brandenburg, LGRB, Kleinmachnow 2002, nach Kühn, G.) 9 10 Vergleicht man die Bodengüte der Dauerversuchsstandorte mit den Landesverhältnissen (Abb. 1.0.2), so gruppieren sich diese um die mittleren und flächenhäufigsten Bodengüteklassen. Der Landesmittelwert liegt nach der Bodenschätzung bei Ackerzahl 33. Das Versuchsfeld in Thyrow ist mit AZ 25 der ertragsschwächste. Im Vergleich sei auf die Spannbreite der mittleren Ackerzahlen brandenburgischer Gemeinden (GEMDAT 1996) von 13 bis 69 verwiesen. Dass auch Versuchsflächen heterogen sind, lässt sich am Müncheberger Versuchsfeld (mittlere AZ 31) deutlich zeigen. Es dominiert die Klassenfläche Sl4D (AZ 28-34), begleitet von S4D (AZ 21 - 26) und kleinflächig lS4D (AZ 37 - 43). Die potentielle Spanne reicht demnach von AZ 21 - 43. Die Dauerfeldversuche sind jedoch Teilflächen der jeweiligen Versuchsstationen, so dass hierfür möglichst homogene Bodenverhältnisse ausgewählt wurden. Der Kastenparzellenversuch des IGZ Großbeeren enthält geschüttete Böden fremder Standorte. Während das Auensubstrat des Oderbruchs brandenburgische Gemüsebaustandorte kennzeichnet, kommt Löss (hier aus der Magdeburger Börde) so in Brandenburg nicht vor. Deshalb heben sich dessen Labordaten der Ackerkrume auch deutlich von den anderen Standorten ab! Die Herkunftsorte im Oderbruch und in der Magdeburger Börde dürften mit ca. 80 Bodenpunkten (AZ) deutlich höher bewertet worden sein als die Standorte der anderen Dauerfeldversuche. 11 Bodengüteklassen landwirtschaftlich genutzter Flächen in Brandenburg (139) 9% (in % LN und 1000 ha) 5% (78) vorherrschend AZ >50 10% (161) 11% (178) überwieg. AZ >50 u. verbreit. AZ 30-50 5% (86) überwieg. AZ 30-50 u. verbreit. AZ >50 vorherrschend AZ 30-50 18% (289) überwieg. AZ 30-50 u. verbreit. AZ <30 überwieg. AZ <30 u. verbreit. AZ 30-50 vorherrschend AZ <30 (672) 42% Quellen: - BÜK 300, Thema Ertragspotential, LBGR 2007 - CORINE Land Cover, UBA, DLR - DFD 2004 Bearbeitung: Heinrich/Hierold, ZALF 2007 Abb. 1.0.2: Anteil von Bodengüteklassen landwirtschaftlicher Flächen in Brandenburg, abgeleitet aus Zuweisungen zu Legendeneinheiten der Bodenübersichtskarte 1:300.000 (nach LBGR, 2007) 2.0 Standorte der Dauerfeldversuche in Brandenburg und Berlin In die Darstellung und Bewertung wurden 15 unterschiedliche Dauerfeldversuche aus Brandenburg und Berlin einbezogen. Zur vergleichenden Wertung wurden Ergebnisse aus dem statischen Versuch Bad Lauchstädt (UFZ Halle) mit einbezogen. Die aufgeführten DFV (Tab. 2.0.1) wurden alle mindestens 20 Jahre betrieben. Die Mehrzahl der DFV liefen aber bis zum Zeitpunkt der vorliegenden Bearbeitung deutlich länger als 40 Jahre, wie: • BDa_E-Feld > 50 Jahre • BDa_D3 > 80 Jahre • GrK_M4,P60 > 45 Jahre • Mue_V140 > 40 Jahre • Pau_V102 > 45 Jahre • Thy_D1,4,6 > 70 Jahre 12 Änderungen in den Prüfparametern wurden bei der Auswertung entsprechend berücksichtigt. In den Kapiteln 4.0 und 5.0 wurden zum Vergleich der Ergebnisse aus Brandenburg und Berlin die Daten aus dem DFV in Bad Lauchstädt mit herangezogen. Tab. 2.0.1: Standorte und Titel der Dauerfeldversuche in Brandenburg und Berlin Standort Berlin Dahlem Großbeeren Groß Kreutz Titel Agrarmeteorologisches Intensivmessfeld BDa_E-Feld Dauerfeldversuch D3 BDa_D3 Dauerfeldversuch IOSDV BDa_IOSDV Dauerfeldversuch Grb_DFV Kastenparzellenversuch, Lehmboden Grb_KPA Al Kastenparzellenversuch, Sandboden Grb_KPA D Kastenparzellenversuch, Lössboden Gbr_KPA Lö Kombinationsversuch Mineral-N+Stalldung-N M4 GrK_M4 Dauerversuch organisch-mineral. Düngung P60 GrK_P60 Bad Lauchstädt Dauerfeldversuch Statischer Versuch Müncheberg Paulinenaue Thyrow Kurzzeichen Lau_STAT Nährstoffsteigerungsversuch V140 Mue_V140 Bewirtschaftungsversuch V760 Mue_V760 Grünlanddauerversuch V102 Pau_V102 Statischer Düngungs- und Beregnungsversuch Thy_D1 Statischer Nährstoffmangelversuch D4 Thy_D4 Statischer Bodenfruchtbarkeitsversuch D6 Thy_D6 In der Tabelle 2.0.2 werden die Standort- und Bodendaten der DFV von Brandenburg und Berlin aufgeführt. Wenn auch die Klimadaten wenig zwischen den Standorten differieren (Pkt. 2.1.2), so weisen die Bodendaten für Brandenburg typische Differenzen auf. Trotzdem lassen die vorgelegten Ergebnisse eine weitestgehende Übertragung in die praktische landwirtschaftliche Bodennutzung in Brandenburg zu. 13 Tab. 2.0.2: Standort- und Bodendaten der Dauerfeldversuche in Brandenburg und Berlin Standort Landkreis Berlin-Dahlem B Naturraumeinheit Teltowplatte Institutionen HU BDa_D3, EFeld, IOSDV Versuchskennung Nutzungsart Höhe (m über NN) Großbeeren TF Nuthe-NotteNiederung Nuthe-NotteNiederung ² Oderbruch² Magdeb. Börde² IGZ Grb_Tra2 Grb_ KRA Al1 Grb_ KPA D1 Grb_ KPA Lö1 Müncheberg MOL Lehniner Land Lebusplatte LVLF GrK_ GrK_ M4 P60 ZALF Mue_ V140, V760 Paulinenaue HVL Thyrow TF Havelländisches Luch ZALF Teltowplatte HU Pau_V102 Thy_ D1, D4, D6 Ackerbau 51 40 41 Ackerbau 42 Ackerbau 62 Grünland 30 Ackerbau 44 >20 3 4 >10 >10 0,4-0,9 >9 9,6 8,8 8,8 9,4 8,6 8,9 8,9 540 521 521 513 525 513 495 k.A. D2 Al2² D2² Lö2² D4a1 D3a1 Mo1c1 D3a2 k.A. k.A. k.A k.A k.A IS3D lS4D Sl4D Molla3 Sl5D 29 k.A k.A k.A k.A 47 31 31 33 25 Bodentyp³) Parabraunerde FahlerdeBraunerde Vega-Gley2 Schwarzerde² Fahlerde Lessivierte Braunerde Erdniedermoor Substrattyp³) Sand über Lehm Sand über Lehm FahlerdeBraunerde2 Sand über Lehm² Sand über Lehm Sand über Bändersand Torf über Sand Bodenform³) LLn:p-s/p-l LF-BB:p-s//p-l AB-GG:f-l2) LFn:p-s/p-l lBB:p-s KVn:og-Hn/f-s Bodenart (Kürzel) Su2 Su2 Ls4 Su2 Ut3 Su2 Sl2 Hn, Sl3 FahlerdeBraunerde Sand über tiefem Lehm LF-BB: p-s//p-l Su2 Ton (%) Corg (%) TRD5) (g/cm³) 4 0,65 1,72 17,6 4 0,65 1,59 14,2 25 1,3 1,31 17,7 4 0,55 1,45 14,4 16 1,5 1,36 21,2 5 0,57 1,45 12,5 8 12,04 k.A. k.A. 3 0,52 1,67 11,6 Grundwasser (m unter Flur) Jahresmitteltemperatur (°C) Mittlerer JahresNiederschlag (mm) Standortregionaltyp (MMK) Dominierendes Klassenzeichen (RBS) Mittlere Ackerzahl/ Grünlandzahl 4) nFk6) (Vol.-%) 1) Gemüsebau Groß Kreutz PM 2) Lößlehm² LF-BB:p-s//p-l2) TTn:a-u(Lo) 2) ) 6 0,65 1,59 12,4 3 0,6 1,56 16,0 4) verfüllt mit Oderbruchmaterial fremder Entnahmestandorte; Angaben zum Entnahmestandort; ³ nach KA5-Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. Auflage; Su2 = Schwach schluffiger Sand; Sl2 = 5) schwach lehmiger Sand; Su4 = stark schluffiger Sand; Ls4 = stark sandiger Lehm; Ut3 = mittel toniger Schluff; Hn = Niedermoortorf; TRD = Trockenrohdichte; 6) nFk = nutzbare Feldkapazität 14 2.1 Klimatologische Standortbeschreibung F.-M. Chmielewski Alle sechs Brandenburger Dauerversuchsstandorte werden dem feucht-temperierten Klima von Westeuropa (Cfb-Buchenklima) zugeordnet (nach KÖPPEN 1936). Darunter ist ein warmgemäßigtes Regenklima zu verstehen, dessen kältester Monat eine Mitteltemperatur zwischen -3 und 18 °C aufweist, während der wärmste Monat die Mitteltemperatur von 10 °C übersteigt. Der Index „f“ steht für mehr oder weniger ganzjährige Niederschläge mit geringen Schwankungen im Jahresverlauf. Der Index „b“ charakterisiert die Temperaturverhältnisse. Dieser besagt, dass die mittlere Temperatur des wärmsten Monats den Wert von 22 °C nicht überschreitet aber noch mindestens vier Monate im Jahr eine Monatsmitteltemperatur von mehr als 10 °C erreicht wird. Die Standorte befinden sich im Norddeutschen Tiefland. Hier ist aufgrund der überwiegend zonalen Zirkulationsrichtung eine Änderung der Lufttemperatur- und Niederschlagsverhältnisse in zonaler Richtung von West nach Ost erkennbar. Die Schwankung der durchschnittlichen Lufttemperatur im Tages- sowie im Jahresgang nimmt von Westen nach Osten zu, die durchschnittliche Mitteltemperatur in den Sommermonaten nimmt zu und im Winter ab. Ursachen sind zum einen der häufigere Einfluss kontinentaler Luftmassen im Osten des Tieflandes und zum anderen die thermischen Veränderungen der einfließenden Luftströmungen aufgrund des unterschiedlichen Wärmehaushaltes der Festlandsoberfläche und der Meeresoberfläche, die sich in Erwärmung oder Abkühlung äußern. Auch bei der Niederschlagshöhe ist eine Abnahme in zonaler Richtung von West nach Ost erkennbar. Die Ursachen hierfür sind die Abnahme der Häufigkeit von Frontpassagen als Hauptniederschlagsverursacher und die Verringerung der Niederschlagswirksamkeit der Fronten mit zunehmender Distanz zum Atlantik. 15 2.1.1 Standortbeschreibungen Der Standort Berlin-Dahlem weist die höchste Jahresmitteltemperatur und die höchsten Jahresniederschläge auf. Die Jahresmitteltemperatur liegt in Berlin-Dahlem bei 9.6 °C wobei die mittlere Monatstemperatur die 0 °C nicht unterschreitet. Der kälteste Monat ist der Januar mit 0,8 °C. Der wärmste Monat ist der Juli mit 18,9 °C. Die mittlere Jahresniederschlagshöhe in Berlin-Dahlem liegt bei 540 mm, wobei im Juni die meisten Niederschläge fallen, 66,0 mm, und im Februar die wenigsten, 30,7 mm. Abb. 2.1.1.1: Klimadiagramm der Station Berlin/Dahlem, 1971-2000 Der Standort Großbeeren liegt südlich von Berlin. Die Jahresmitteltemperatur beträgt 8,4 °C, der wärmste Monat ist der Juli mit 18,0 °C, der kälteste Monat ist der Januar mit 0.4 °C. Die Jahresniederschlagshöhe beträgt 521 mm, wobei die höchsten Niederschläge im Juni mit 66,0 mm und die geringsten Niederschläge mit im Februar 27,3 mm fallen. 16 Abb. 2.1.1.2: Klimadiagramm der Station Großbeeren,1973-2002 Der Standort Groß Kreutz liegt westlich von Berlin auf 42 m ü. NN. Die mittlere Jahrestemperatur beträgt 9,4 °C, der wärmste Monat ist der Juli mit 18,7 °C, der kälteste Monat ist der Januar mit 0,4 °C. Im Mittel fallen in Groß Kreuz 513 mm Niederschlag pro Jahr, wobei der Juni der niederschlagsreichste Monat mit 59,2 mm ist. Wie bei den anderen Standorten auch ist der Februar der Monat mit den geringsten Niederschlagssummen, hier fallen im Mittel nur 31,7 mm Niederschlag. Abb. 2.1.1.3: Klimadiagramm der Station Groß Kreuz, 1971-2000 Der Standort Müncheberg auf ca. 62 m ü. NN weist eine mittlere Jahreslufttemperatur von 8,6 °C auf. Wie auch bei den anderen Standorten sind der Juli und der Januar der wärmste und der kälteste Monat. Im Januar beginnt das Jahr im Mittel sogar mit negativen Temperaturen -0,5 °C. Die Lufttemperatur steigt bis zum Juli auf 18,0 °C an. Auch das Niederschlagsverhalten dieses Standortes unterscheidet sich nicht 17 von dem der anderen. Der Februar ist der trockenste Monat mit 28,3 mm Niederschlag im Mittel und der Juni ist mit 63,4 mm der Monat mit den höchsten Niederschlagsmengen. Abb. 2.1.1.4: Klimadiagramm der Station Müncheberg, 1971-2000 Der Standort Paulinenaue liegt nordöstlich von Berlin auf ca. 30 m ü. NN. Die Jahresmitteltemperatur der Luft liegt bei 8,9 °C. Negative Monatesmittelwerte werden nicht erreicht, der kälteste Monat ist der Januar mit 0,2 °C. Der wärmste Monat, der Juli, erreicht im Mittel eine Lufttemperatur von 18,2 °C. Die mittlere Jahresniederschlagssumme liegt bei 513 mm. Der trockenste Monat ist der Februar mit 29,7 mm Niederschlag, der feuchteste Monat ist der Juni mit 62,8 mm Niederschlag. Abb. 2.1.1.5: Klimadiagramm der Station Paulinenaue, 1971-2000 18 Der Standort Thyrow liegt südlich von Berlin auf ca. 44 m ü. NN. Die Jahresmitteltemperatur beträgt 8,9 °C. Der Monat Januar ist mit -0,2°C der kälteste Monat, im wärmsten Monat Juli werden im Monatsmittel 18,3 °C erreicht. Im Mittel fallen jährlich 495 mm Niederschlag am Standort. Die höchsten Niederschläge fallen im Sommer im Monat Juni 61,7 mm, die geringsten Niederschläge werden im Monat Februar mit, 27,2 mm gemessen. Abb. 2.1.1.6: Klimadiagramm der Station Thyrow, 1971-2000 2.1.2 Vergleich der Niederschläge und Temperaturen für die Versuchsstandorte (Zeitraum 1971 – 2000) Zusammengefasst sind die thermisch-hygrischen Verhältnisse der Versuchsstandorte in einem sogenannten Pluviogramm (Abb. 2.1.2.1) dargestellt. Hier ist das Verhältnis zwischen der im Jahresverlauf akkumulierten Temperatur- zur Niederschlagssumme dargestellt. Hier bestätigt sich, dass Dahlem der wärmste/feuchteste, Müncheberg der kälteste und Thyrow der trockenste Standort ist. In dem Bereich zwischen 250 und 400 mm Niederschlagshöhe gehören Thyrow und Groß Kreutz zu den im Vergleich wärmsten Versuchsstandorten. 19 Abb. 2.1.2.1: Pluviogramm für alle Stationen Die nachfolgende Tabelle 2.1.2.1 gibt einen Überblick über weitere meteorologische Größen sowie ausgewählte Ereignistage. Paulinenaue und Groß Kreuz gehören im Jahresmittel zu den Standorten mit der stärksten Einstrahlung und höchsten Sonnenscheindauer. Thyrow ist der Standort mit der höchsten Anzahl von Frosttagen, hingegen zeigt Müncheberg die größte jährliche Anzahl an Eistagen. Die meisten Sommer- und heißen Tage werden in Groß Kreutz beobachtet. Der Jahresgang ist an allen Standorten gleich, die Maxima der Lufttemperatur liegen im Sommermonat Juli, die Minima im Januar. Nur in zwei von sechs Stationen sinken die mittleren Monatstemperaturen unter 0 °C (Thyrow, Müncheberg), an den anderen Stationen sind ganzjährig positive Monatsmittelwerte zu erkennen. Auch das Niederschlagsverhalten ist an allen Standorten ähnlich. Das Niederschlagsmaximum liegt im Sommer, meist im Juni, das Minimum im Februar. Berlin-Dahlem weist bei beiden Parametern (Temperatur und Niederschlag) die höchsten Werte auf. Die Jahresmitteltemperatur beträgt hier 9,6 °C, der Jahresniederschlag 540 mm. Das höhere Temperaturniveau in Berlin-Dahlem ist auf den noch hier wirkenden städtischen Einfluss (Wärmeinseleffekt) zurückzuführen. 20 Tab. 2.1.2.1: Klimatologische Parameter: Globalstrahlungssumme, Sonnenscheindauer sowie Ereignistage für die Versuchsstandorte. (Die unterstrichenen Zahlen kennzeichnen den Maximalwert) Berlin- Groß Münche- Paulinen- Dahlem Kreuz berg aue 3377 3631 3596 3669 - 16034 1714 1652 1691 - Frosttage (Tn< 0 °C) 67 78 90 77 96 Eistage (Tx < 0 °C) 21 19 27 19 20 Sommertage (Tx ≥ 25 °C) 35 43 33 37 32 Heiße Tage (Tx ≥ 30 °C) 7 10 6 7 9 Globalstrahlungssumme Thyrow (MJ/m²) Sonnenscheindauer (h) 2.1.3 Zusammenfassung Die klimatischen Verhältnisse der Versuchsstandorte differieren nur geringfügig. Alle Standorte befinden sich im Norddeutschen Tiefland und werden nach Köppen 1933 dem feucht-temperierten Klima von Westeuropa (Cfb) zugeordnet. Regional nimmt die Jahresschwankung der Lufttemperatur von Westen nach Osten zu, die Jahresniederschlagshöhe nimmt tendenziell ab, d.h. die klimatischen Verhältnisse werden kontinentaler. Von den sechs Standorten ist Berlin-Dahlem im Mittel das wärmste und feuchteste, Müncheberg das kälteste und Thyrow das niederschlagsärmste Versuchsfeld. Literatur: Köppen, W.: Das geographische System der Erde. In W. Köppen, R. Geiger, Handbuch der Klimatologie, Bd. 1, Teil C, Berlin 1936. 21 3.0 Steckbriefe der Dauerfeldversuche 3.1 Berlin-Dahlem Humboldt-Universität 3.1.1 Agrarmeteorologisches Intensivmessfeld Berlin-Dahlem F.-M. Chmielewski und W. Köhn Problemstellung und Zielsetzung Zur Bearbeitung des Fragenkomplexes Beziehungen zwischen Witterung und Pflanze wurde im Jahre 1953 von TAMM das agrarmeteorologische Ertragsfeld (E-Feld) mit acht verschiedenen, in einer Fruchtfolge angeordneten Kulturarten und einer pflanzenfrei gehaltenen Basis zur Erfassung der wichtigsten meteorologischen Messgrößen und pflanzlichen Prüfmerkmale eingerichtet. Die Bewirtschaftungsmaßnahmen (Fruchtfolge, Sorten, Düngung, Bodenbearbeitung u.a.) werden mit Ausnahme unumgänglicher Sortenwechsel gleichbleibend durchgeführt, so dass sich die von Jahr zu Jahr bei den einzelnen Arten auftretenden Unterschiede in Entwicklung und Ertragsbildung fast ausschließlich auf die Jahreswitterung zurückführen lassen. Die Zielstellung im Rahmen dieses Dauerversuchs liegt in der Untersuchung von Beziehungen zwischen Witterungsverlauf sowie Wachstum, Entwicklung und Ertragsbildung landwirtschaftlicher Nutzpflanzen (1). Aufgrund der Langjährigkeit des Versuches werden in diesem Zusammenhang auch Erkenntnisse über die möglichen Auswirkungen von Klimaveränderungen auf die Nutzpflanze erwartet. Weitere Fragestellungen beinhalten Untersuchungen zum Mikroklima in Nutzpflanzenbeständen (2) und zur Ermittlung von Wasserbedarf und Wasserverbrauch landwirtschaftlicher Kulturarten einschließlich Simulation von Größen des Bodenwasserhaushalts (3). Versuchsanstellung Die in Rotation befindlichen Kulturarten werden jeweils auf Großteilstücken mit ca. 250 m2 Fläche angebaut (Abb. 3.1.1.1). Die meteorologische Basisstation ist im Zentrum des Versuches auf einer unbewachsenen Fläche platziert. 22 Abb. 3.1.1.1: Schema des agrarmeteorologischen Intensivmessfeldes Die in der Fruchtfolge vertretenen Arten und ihre Düngung sind Tab. 3.1.1.1 zu entnehmen. Tab. 3.1.1.1: Fruchtarten und Fruchtfolge sowie deren Düngung im agrarmeteorologischen Intensivmessfeld Berlin-Dahlem [Angaben in kg ha-1] Fruchtarten/ -folge aktuelle Sorte N P K CaCO3 Stallmist* Kartoffeln Saturna 80 28 100 1000 Winterroggen** Hacada 40 21 50 - - Ackerbohnen Condor 20 21 83 1000 - Hafer Flämingsstern 60 21 66 - - Zuckerrüben Ricarda 120 28 133 1000 300 Körnermais Splendis 80 21 100 1000 300 50 14 50 - - 21 66 - - Sommergerste*** Scarlett Süßlupinen**** Boregine * ** *** -1 - 300 Angaben in dt ha nachfolgend Gründüngung (Ölrettich) mit: 100 N, 35 P, 124 K kg ha-1 nachfolgend Gründüngung (Leguminosengemenge Blaue Lupine und Zottelwicke) mit: 20 N, 35 P, 124 K kg ha-1 **** 1953-2005: Gelbe Lupinen (Lupinus luteus), ab 2006: Blaue Lupinen (Lupinus angustifolius) Die Bodenbearbeitung wird in konventioneller Form unter Einsatz von Pflug und herkömmlichen Methoden der Saatbettbereitung und Bestandespflege durchgeführt, die Pflanzenschutzmaßnahmen, die chemische Unkrautbekämpfung eingeschlossen, entsprechen aktuellem ortsüblichen Standard. Soweit möglich, wird moderne Ver- 23 suchstechnik eingesetzt, teilweise wurden zuvor entsprechende Anpassungen (z.B. durch Veränderung der Reihenweite) vorgenommen. Eine Zusatzbewässerung beispielsweise durch Beregnung unterbleibt grundsätzlich. Zur Erfassung des Wirkungskomplexes Witterung/Pflanze wird eine Vielzahl meteorologischer und pflanzlicher Parameter gemessen. Hierzu gehören die meteorologischen Standardparameter wie Luft- und Erdbodentemperatur (jeweils im Profil), die kurz- und langwellige Strahlung, die relative Luftfeuchtigkeit, die Windgeschwindigkeit und die Verdunstung mittels verschiedener Evaporimetertypen ebenso wie wöchentliche Bodenfeuchtemessungen bei allen Kulturen unter Einsatz stationärer TDR-Messsonden in drei Bodenschichten. Die meteorologischen Daten werden im Abstand von wenigen Sekunden automatisch erhoben und als 15 min-Mittelwerte gespeichert. Bei den Nutzpflanzen erfolgt vor allem eine detaillierte Erfassung der ertragsrelevanten Entwicklungsphasen nach Eintrittszeitpunkt und Andauer sowie einer Vielzahl von Ertrags- und Qualitätsmerkmalen, an denen der Witterungseinfluss auf die Pflanze besonders gut nachvollzogen werden kann. Ergebnisse 1. Beziehungen zwischen Witterung und Nutzpflanze Langjährige Ertragsleistung Die Untersuchungen zur Witterungsabhängigkeit der Ertragsbildung haben gezeigt, dass die Nutzpflanzenarten deutlich, jedoch artspezifisch differenziert auf den Verlauf der Witterung reagieren. Unter den gegebenen Standortverhältnissen kommt einer ausgeglichenen Niederschlagsversorgung innerhalb der Vegetationszeit eine besondere Bedeutung zu. Tabelle 3.1.1.2 gibt einen Überblick über die beobachteten mittleren Erträge auf dem agrarmeteorologischen Ertragsfeld im Zeitraum 1953-2005. Von allen geprüften Kulturarten zeigt der Winterroggen mit einem Variationskoeffizienten von 17 % die höchste Ertragsstabilität an diesem Standort. Auch unter ungünstigsten Witterungsbedingungen wurden noch annähernd 30 dt ha-1 Kornertragsleistung erzielt. Das nach heutigen Maßstäben relativ geringe mittlere Ertragsniveau von rund 42 dt ha-1 dürfte durch den gewählten Sortentyp (Populationssorte) und die mäßige mineralische N-Düngung von nur 40 kg ha-1 mitbedingt sein. Die Sommergetreidearten Sommergerste und Hafer liegen in ihrer mittleren Ertragsleistung um 17 % (Sommer24 gerste) bzw. 26 % (Hafer) unter derjenigen des Winterroggens. Die Ertragsdifferenzen zwischen den Extremjahren und die Variationskoeffizienten sind deutlich höher als beim Wintergetreide. Dies trifft insbesondere auf den Hafer zu, wodurch die vergleichsweise schlechtere Anpassungsfähigkeit dieser Sommergetreideart an die Standortverhältnisse belegt wird. Tab. 3.1.1.2: Mittlere Ernteerträge [dt ha-1] im Zeitraum 1953-2005 (Ackerbohne 19552005) und statistische Parameter (Max: höchster Ertrag, Min: niedrigster Er- trag [dt ha-1], : Standardabweichung [dt ha-1], s%: Variationskoeffizient [%]) Kultur art Mittel Max. Min. s s% Winter- Sommer- Hafer* Acker- Gelbe Kar- Zucker- Körnerroggen* gerste* bohne* Lupine* toffel** rübe** mais* 42,2 60,4 28,2 7,2 17,0 34,9 52,1 18,1 7,5 21,5 * bei 86 % Trockensubstanz 31,1 56,7 9,4 10,0 33,0 25,9 48,1 0,9 11,2 42,3 10,8 26,0 0,3 6,6 61,1 359,7 562,8 149,7 92,8 26,0 573,6 911,2 264,1 132,1 23,0 32,9 101,7 1,2 19,9 60,6 ** Frischmasse Noch höher als beim Sommergetreide ist die Streuung der Erträge bei den Körnerleguminosen. Die Ackerbohne ist zwar in Jahren mit guter Wasserversorgung, z.B. 1993 oder 2004, durchaus in der Lage, bis zu knapp 50 dt ha-1 Kornertrag zu realisieren; in Trockenjahren wie 1976, 1992 oder 2003 ist es andrerseits zu annähernd vollständigem Ertragsausfall gekommen. Hieraus resultierten letztlich ein nur mäßiges durchschnittliches Ertragsniveau von knapp 26 dt ha-1 und ein Variationskoeffizient von >42 %. Auf eine Bewertung der Gelben Lupine wird an dieser Stelle verzichtet, da in den Jahren zusätzlich zur Witterung auch nicht kontrollierbare Krankheitseinflüsse zur Ertragsbeeinflussung geführt haben. Bei den Hackfrüchten lagen die Durchschnittserträge der Kartoffel mit rund 360 dt ha-1 in einem mittleren für den Standort typischen Bereich. Interessant ist allerdings, dass der Variationskoeffizient etwas höher ist als bei der Zuckerrübe, obwohl die Kartoffeln gemeinhin als die am besten angepasste und ertragsstabilste Hackfrucht auf Sandboden angesehen wird. Die Zuckerrübe weist mit durchschnittlich 574 dt ha-1 und einem Spitzenertrag von >900 dt ha -1 im Jahr 2005 ein über- durchschnittliches Ertragsniveau auf, obwohl der Dahlemer Sandboden nicht unbedingt für den Zuckerrübenanbau prädestiniert ist. Bemerkenswert ist, dass auch in warmen und extrem trockenen Jahren noch ansprechende Erträge erzielt wurden. 25 Die Ertragsergebnisse des Körnermais, dessen Anbau zu Versuchsbeginn im Brandenburger Raum noch weitgehend unüblich war, sind mitgeprägt von sortenbedingten Verzerrungen, so dass auch bei dieser Fruchtart auf eine Ergebnisinterpretation verzichtet wird. Witterungseinflüsse auf die pflanzliche Entwicklung und Ertragsbildung Das vorliegende Datenmaterial gestattet auf Grund seiner Langjährigkeit stichhaltige Aussagen zur Witterungssensitivität pflanzlicher Entwicklung und Ertragsbildung. Am Beispiel des Winterroggen konnte mittels Faktoranalyse gezeigt werden, dass die Ertragskomponenten Bestandesdichte, Kornzahl je Ähre und Tausendkorngewicht sowie der daraus resultierende Ertrag während der Vegetationszeit sehr unterschiedlich durch die einzelnen Witterungsgrößen beeinflusst werden. Danach wird die Bestockung und daraus folgend die Bestandesdichte des Winterroggen bereits in der Vorwinterperiode (Phase 1) durch warmes und sonniges Wetter begünstigt (Tab. 3.1.1.3). Auch in milden Wintern (Phase 2) wird die Triebbildung zumindest temporär fortgesetzt, während kalte und sonnige Winter mit Zufuhr trockener Luftmassen aus Nord- und Osteuropa in Verbindung mit hoher potentieller Verdunstung sich eher ungünstig auf die Bestockung ausgewirkt haben. In der Regel hatten überdurchschnittlich kalte Winter niedrige Bestandesdichten zur Folge. In Phase 3 (Vegetationsbeginn nach Winter bis zum Schossbeginn) tritt der direkte Witterungseinfluss auf die Bestandesdichte eher in den Hintergrund, günstig waren allerdings ein zeitiger Vegetationsbeginn und eine daraus resultierende überdurchschnittliche Länge dieser Phase. Hohe Temperaturen in der Periode Schossbeginn bis Vollblüte (Phase 4) haben stets zu einer starken Reduktion angelegter Triebe geführt und damit das Ertragspotential deutlich eingeschränkt. In dieser Phase zeigt auch der Niederschlag seine höchste Faktorladung. Mäßige Temperaturen und gute Wasserversorgung in der Schossphase sind demnach von ausschlaggebender Bedeutung für die Ausbildung einer ertragssichernden hohen Bestandesdichte des Winterroggens. 26 Tab. 3.1.1.3: Faktorladungen für die Bestandesdichte, die Kornzahl je Ähre, das Tausendkorngewicht und den Kornertrag von Winterroggen in den einzelnen Entwicklungsphasen (Beobachtungszeitraum 1962-1996) (n. CHMIELEWSKI und KÖHN 2000, abgeändert) Entwicklungsphase* Bestandesdichte (Ähren m Max. Lufttemperatur [°C] Sonnenscheindauer [h] Niederschlag [mm] Potentielle Verdunstung [mm]** 1 -2 2 3 4 5 ) 0,71 0,40 -0,11 0,19 0,39 -0,28 -0,21 -0,46 -0,21 -0,20 0,17 -0,07 -0,47 0,49 0,22 0,38 0,06 0,42 -0,04 0,45 Kornzahl je Ähre Max. Lufttemperatur [°C] Sonnenscheindauer [h] Niederschlag [mm] Potentielle Verdunstung [mm]** 0,66 0,42 0,07 0,51 0,19 0,00 -0,19 -0,29 -0,36 -0,23 -0,14 -0,36 -0,08 0,33 0,26 0,22 0,18 0,50 -0,13 0,51 Tausendkorngewicht Max. Lufttemperatur [°C] Sonnenscheindauer [h] Niederschlag [mm] Potentielle Verdunstung [mm]** -0,32 -0,05 -0,09 -0,11 -0,16 0,15 0,03 0,10 0,02 0,24 -0,15 0,26 0,12 -0,52 0,27 -0,51 -0,60 -0,16 0,27 -0,13 Kornertrag Max. Lufttemperatur [°C] Sonnenscheindauer [h] Niederschlag [mm] Potentielle Verdunstung [mm]** 0,74 0,37 -0,14 0,27 0,16 -0,07 0,31 -0,38 -0,10 0,18 -0,03 0,03 -0,20 0,14 0,36 0,03 -0,08 0,42 -0,03 0,46 Fett gedruckte Werte sind signifikant (p>0,05) * Entwicklungsphasen: 1: Zwei-Blattstadium - Vegetationsende; 2: Winterperiode; 3: Vegetationsbeginn nach Winter Schossbeginn; 4: Schossbeginn - Vollblüte; 5: Vollblüte - Gelbreife Anmerkung: Der thermische Vegetationsbeginn wird als der Termin im Jahr gewählt, an dem das Tagesmittel der Lufttemperatur nachhaltig die 5 °C-Schwelle überschreitet. Zwecks Quantifizierung wurde festgelegt, dass für die nachfolgenden 30 Tage folgende Voraussetzung gegeben sein muss: ∑ (Ti – 5 °C) > 0 °C (i = 2, 3, ...30). Der Termin des Vegetationsendes wurde durch das Unterschreiten der 5 °C-Temperaturschwelle festgelegt gemäß der entsprechenden Bedingung, dass (i = 2, 3, ... Jahresende) erfüllt ist. ∑ (Ti – 5 °C) < 0 °C ** Potentielle Verdunstung nach Penman1) Anmerkung: Die Wirkungsrichtung der verschiedenen Temperaturparameter war identisch, so dass auf die Angabe der Faktorladung weiterer Temperaturparameter verzichtet werden konnte. 27 Die Anzahl der Körner je Ähre hängt entscheidend von den Witterungsbedingungen in der Periode der Ährchen- und Blütenausbildung ab. Bereits vor Winter (Phase 1) wirkt sich warmes und sonniges Wetter positiv auf die Differenzierung des Vegetationskegels und damit den Beginn der Ährchenanlage aus (Tab. 3.1.1.3). Im darauf folgenden Frühjahr ab Vegetationsbeginn bis zum Schossen (Phase 3) verlängern kühle Temperaturen diesen Prozess und haben damit einen günstigen Einfluss auf die maximale Ährchenzahl und damit auch auf die Kornzahl je Ähre. In der Phase Schossen bis zur Vollblüte lassen sich keine klaren Beziehungen zwischen Witterung und Kornzahl feststellen. Die verschiedenen Reduktions- und Differenzierungsvorgänge bei Ährchen- und Blütenausbildung sind in dieser Phase offensichtlich so vielfältig und komplex, dass kompensatorische Reaktionen der Pflanze auf die jeweiligen Witterungsbedingungen wahrscheinlich sind. Hinzu kommt der nur relativ kurzzeitige und deshalb schwer erfassbare, aber unter Umständen gravierende Witterungseinfluss auf die Blütenfertilität und damit auf die Anzahl angelegter Körner je Ährchen. Das Tausendkorngewicht zeigte erwartungsgemäß deutliche Reaktionen auf die Witterung nur in den späten Phasen 4 und 5 (Tab. 3.1.1.3). Besonders während des Kornausbildungs- und Reifeprozesses (Phase 5) führten hohe Temperaturen zu einer Verkürzung der Kornfüllungsphase und damit zu ungenügender Assimilateinlagerung ins Korn. Die Bedeutung guter Wasserversorgung während der Kornreife lässt sich an einer relativ hohen Faktorladung für den Niederschlag nachvollziehen. Am Kornertrag wird erkennbar, dass er bereits durch die Witterung in den frühen Wachstums- und Entwicklungsphasen in erheblichem Umfang determiniert wird. Insgesamt ließ sich die Variabiltät von Bestandesdichte und Kornzahl je Ähre zu jeweils rund 44 %, beim Tausendkorngewicht zu 49 % und beim Kornertrag sogar zu 59 % auf den Witterungseinfluss zurückführen. Ähnlich detaillierte, auf dem umfangreichen Datenmaterial des Intensivmessfelds basierende Untersuchungsergebnisse liegen insbesondere zu den Sommergetreidearten Sommergerste und Hafer sowie zur Blattfrucht Zuckerrübe vor. 28 Einfluss rezenter Klimaschwankungen auf die pflanzliche Entwicklung und Ertragsbildung Der Einfluss langfristiger Klimaveränderungen ist nur mittels Langzeituntersuchungen unter natürlichen Umweltbedingungen zu ermitteln. Dabei ist wichtig, dass - wie im agrarmeteorologischen Intensivmessfeld geschehen - die Wirkung anderer Parameter wie agrotechnischer und züchterischer Fortschritt durch Einhaltung des ceteris paribus-Prinzips so weit wie möglich ausgeschlossen wird. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass für die Erfassung von nachhaltigen Klimaveränderungseffekten selbst Versuchsergebnisse über mehr als fünf Jahrzehnte eine relativ schmale Datenbasis darstellen. Am Standort Berlin-Dahlem hat sich die mittlere Jahrestemperatur in der Periode 1953-2005 von 8,9 °C auf 10,1 °C erhöht. Der Jahresniederschlagshöhe blieb im selben Zeitraum mit 550 mm relativ konstant. Auffällig ist, dass die Häufigkeit extremer Witterungskonstellationen (hohe Temperaturmaxima, ausgedehnte Trockenperioden, Starkniederschläge) insbesondere in den letzten beiden Jahrzehnten deutlich zugenommen hat. Der generelle Temperaturanstieg hat am Standort Berlin-Dahlem zu einem früheren Eintreten der Vegetationszeit im Frühjahr um durchschnittlich 18,8 Tage und zu einem späteren Vegetationsende im Herbst um 2,4 Tage geführt. Ganz allgemein zeigen die phänologischen Untersuchungen an den im Versuch vertretenen Kulturpflanzen, dass die verstärkt auftretenden hohen Temperaturen in der Hauptvegetationszeit phasenverkürzend wirken und damit die Ausbildung der Ertragsorgane beeinträchtigen. Dieser Effekt wird durch Wassermangel verstärkt. Anhand der langjährigen Ertragsentwicklung wird erkennbar, dass der Winterroggen einen leicht positiven Ertragstrend aufweist (Abb. 3.1.1.2). Hauptursache sind wahrscheinlich die zunehmend milden und somit phasenverlängernden Winter mit den bereits voranstehend beschriebenen Vorteilen für die Ausbildung von Bestandesdichte und Ährchen. Zusätzlich förderlich dürfte die gute Wasserversorgung in dieser Periode gewesen sein. Die Sommergetreidearten Sommergerste und Hafer haben im Trend weitgehend indifferent auf die sich abzeichnende Klimaveränderung reagiert (Abb. 3.1.1.2). Im Einzelnen zeigt sich allerdings, dass es in den letzten beiden Dekaden vermehrt zu Jahren mit ausgeprägt trockenwarmer Witterung und - daraus resultierend - zu gravierenden Ertragseinbußen (z.B. 1992 und 2003) gekommen ist. Aufgrund temperatur29 bedingt verkürzter Entwicklungsphasen und ungenügender Wasserversorgung wurden unter diesen Bedingungen die Ertragsorgane entweder unzureichend ausgebildet und/oder verstärkt zurückgebildet. Diesem Phänomen stehen allerdings auch Jahre mit überdurchschnittlich günstiger Witterung und den höchsten Erträgen des Versuchszeitraums gegenüber (z.B. 1996 und 2002). Insgesamt hat sich für die Sommergetreidearten in der Periode 1953-2005 inzwischen ein Ertragsnachteil gegenüber dem Winterroggen in einer Größenordnung von knapp 40 % (Trend: 0,75 % a-1) eingestellt. 70 dt ha -1 86% TS 60 Winterroggen 60 1990 50 50 dt ha -1 86% TS Sommergerste 40 40 30 30 20 1962 20 1976 10 10 0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 0 1950 1960 1970 50 dt ha -1 86% TS 1996 Hafer 60 50 40 40 30 30 20 20 1990 2000 dt ha -1 86% TS Ackerbohnen 2004 10 10 1992 0 1950 1980 Jahr Jahr 60 2002 1960 1970 1980 1990 2000 0 1950 1970 1980 1990 2000 Jahr Jahr Abb. 3.1.1.2: 2000 1960 Ertragsentwicklung von Winterroggen, Sommergerste, Hafer und Ackerbohnen (Agrarmeteorologisches Intensivmessfeld Berlin Dahlem, Periode 1953-2005) Für die Körnerleguminosenart Ackerbohnen ist ein leicht rückläufiger Ertragstrend festzustellen (Abb. 3.1.1.2), dessen Ursache bereits beim Sommergetreide genannt wurde. Noch negativer als beim Sommergetreide hat sich bei dieser Kultur langanhaltender Wassermangel ausgewirkt, der in den Jahren 1992 und 2000 zu völligem Ertragsausfall geführt hat. In den Jahren 1993, 1996 und 2004 wurden hingegen für diesen Standort sehr gute Erträge von >45 dt ha-1 erzielt. Die bisherigen Ergebnisse belegen, dass besonders die kurzlebigen sommerannuellen Kulturarten durch die klimatischen Veränderungen in ihrer Ertragsbildung beeinträchtigt sind. 30 800 dt FM ha -1 1000 Kartoffeln 2005 Zuckerrüben 800 1996 600 dt FM ha -1 600 400 400 200 200 1961 1982 0 1950 1960 1970 1980 1990 0 1950 2000 1960 1970 Abb. 3.1.1.3: 1980 1990 2000 Jahr Jahr Ertragsentwicklung von Kartoffeln und Zuckerrüben (Agrarmeteorologisches Intensivmessfeld Berlin Dahlem, Periode 1953-2005) Von den Hackfrüchten hat die Kartoffel im Ertragsniveau nur wenig auf die sich verändernden atmosphärischen Bedingungen reagiert, die Zuckerrübe hingegen zeigte von allen geprüften Arten den stärksten positiven Ertragstrend (Abb. 3.1.1.3). Während im ersten Versuchsjahrzehnt nur rund 470 dt ha-1 Rüben geerntet wurden, belief sich der Ertrag im letzten Versuchsjahrzehnt bei einer mittleren Temperaturerhöhung von 14,1 °C auf 15,1 °C (Zeitraum April - Oktober) auf annähernd 700 dt ha-1. Selbst im ungünstigsten Erntejahr der letzten 20 Jahre (1999) ist der Ertrag nicht unter 430 dt ha-1 abgesunken. Dieses Ergebnis spricht für eine gute Anpassungsfähigkeit der Zuckerrübe, die - im Gegensatz zur Kartoffel - in der Lage ist, auch nach längeren Vegetationsabschnitten mit Hitze- und Trockenstress ihren Blattapparat gut zu regenerieren und den Aufbau des Rübenkörpers zu gewährleisten. Insgesamt zeigt sich eine für die einzelnen Kulturpflanzen unterschiedliche, nicht zwangsläufig negative Reaktion auf das sich ändernde Klimaszenario. Wichtig sind in diesem Zusammenhang die artspezifische Toleranz gegenüber auch länger andauernden extremen Witterungszuständen und das auch von der Langlebigkeit abhängende Vermögen der Pflanzenarten, ungünstige Witterung im Verlauf der Vegetation zu kompensieren. 2. Bestandesklimatische Untersuchungen Bestandesklimatische Messungen in einem Langzeitversuch ermöglichen es, die klimatischen Verhältnisse in Nutzpflanzenbeständen unter sehr unterschiedlichen Witterungskonstellationen zu analysieren und zu beschreiben. Solche Kenntnisse sind beispielsweise für die Planung und Durchführung von Pflanzenschutzmaßnahmen von großer Bedeutung. 31 Grundsätzlich unterscheiden sich die mikroklimatischen Verhältnisse innerhalb eines Pflanzenbestandes deutlich von den klimatischen Bedingungen über einer unbewachsenen Fläche (Abb. 3.1.1.4). Abb. 3.1.1.4: Mittlere Temperaturdifferenzen ( T20) (links) und mittlere Dampfdruckdifferenzen ( e20) (rechts) zwischen Winterroggenbestand und vegetationsfreier Fläche in 20 cm Höhe in verschiedenen Entwicklungsstadien (P1: Blattentwicklungs- und Bestockungsphase, P2: Schoss- und Ährenschwellphase, P3: Blütenanlage- und Blühphase, P4: Kornfüllungs- und Reifephase) (Agrarmeteorologisches Intensivmessfeld Berlin-Dahlem, Mittel 1981-1999) Zusammenfassend sind beispielsweise für das Mikroklima eines Getreidebestandes folgende Aussagen zu treffen: • Die klimatischen Verhältnisse innerhalb eines Pflanzenbestandes können sehr stark von denen einer unbewachsenen Fläche abweichen. • Im Mittel ist der Getreidebestand im Inneren (Messhöhe: 20 cm) zwischen ca. 9 15 Uhr wärmer als die vegetationsfreie Fläche, in der übrigen Zeit kühler als diese. • Maximale Differenzen ergeben sich an Strahlungstagen und können Temperaturunterschiede von maximal 9 K sowie Feuchtedifferenzen bis zu 6 hPa bzw. 30 % relativer Luftfeuchte hervorbringen. • Die größten Temperaturunterschiede treten im Tagesverlauf zum Sonnenhöchststand und in der Entwicklung kurz vor der Ernte (P4) auf, da jetzt die Sonnenstrahlen tief in den Bestand eindringen können, dieser aber noch so dicht ist, dass die 32 Wärme hier gespeichert werden kann. • Abgesehen von den Bedingungen in der Blattentwicklungs- und Bestockungsphase (P1) ist der Pflanzenbestand nahezu immer feuchter als die vegetationsfreie Fläche. • Die größten Dampfdruckdifferenzen treten im Zeitraum der Blütenanlage- und Blühphase (P3) auf, wenn der Bestand - bei sehr hohem Blattflächenindex - stark transpiriert. • In der Kornfüllungs- und Reifephase trocknet der Bestand zunehmend ab, so dass die Dampfdruckdifferenzen zwischen Bestand und vegetationsfreier Fläche wieder abnehmen. Ähnliche bestandesklimatische Charakteristika lassen sich auch für die anderen im Versuch vertretenen Nutzpflanzenarten beschreiben. 3. Untersuchungen zum Bodenwasserhaushalt Die wöchentlichen Messungen der Bodenfeuchte seit Versuchsbeginn ermöglichen es, Aussagen zum Wasserhaushalt von Kulturpflanzen abzuleiten. Im Vergleich zum Niederschlag stellt die Bodenfeuchte eine sehr komplexe und integrative Größe dar. Die auf der Bodenfeuchtemessung fußende Methode der Bodenwasserbilanzierung erweist sich dabei als einfaches und praktikables Verfahren zur Abschätzung des Wasserverbrauchs landwirtschaftlicher Nutzpflanzenbestände. Dies soll am Beispiel der Zuckerrübe näher erläutert werden. Abbildung 3.1.1.5 zeigt den mittleren Verlauf von Niederschlagshöhe (P), potentieller Evapotranspiration nach HAUDE (ETp-Haude)1) und die mittels Bodenwasserbilanzierung berechnete tatsächliche Evapotranspiration (ET) von Zuckerrüben. 1) Haude, W.: Verdunstungsmenge und Evaporationskraft eines Klimas. Ber. Dt. Wetterdienst USZone Nr. 42 1952, 225-229. 33 Abb. 3.1.1.5: Langjährige Mittelwerte der Niederschlagshöhe (P), der potentiellen Evapotranspiration (ETp-Haude) und der mittels Bodenwasserbilanzierung bestimmten Evapotraspiration von Zuckerrüben (ET) (Agrarmeteorologisches Intensivmessfeld Berlin-Dahlem, Mittel 1955-2000) Den höchsten Wasserverbrauch zeigt die Zuckerrübe in den warmen Monaten Juni und Juli. Zum August hin sinkt die Evapotranspiration der Zuckerrübe deutlich ab, da jetzt die Bodenwasservorräte ebenfalls sinken. Der Verdunstungsanspruch der Atmosphäre (ETp) ist jedoch nach wie vor sehr hoch. Insgesamt wurde für diese Frucht eine mittlere Evapotranspiration von 325 mm a-1 (Mai - Oktober) und - daraus resultierend - ein Transpirationskoeffizient von 374 l kg-1 gebildete Rübentrockenmasse ermittelt. Der Versuch ermöglicht darüber hinaus Modelle des Bodenwasserhaushalts an Beobachtungsdaten zu validieren. Auf diese Weise ist es möglich, tägliche Werte des Wasserhaushalts zu berechnen, die für weiterführende Studien verwendet werden können. Hierzu wird ein Mehrschichten-Bodenfeuchtemodell verwendet, das auf dem PENMAN/MONTEITH-Ansatz basiert und die Wasserbewegung über die DARCYGleichung beschreibt. Das Modell berechnet die einzelnen Größen des Wasserhaushalts auf täglicher Basis, fortlaufend für beliebig lange Zeiträume. Die simulier34 ten Bodenwassergehalte stimmen gut mit den wöchentlich erhobenen Messwerten überein (Abb. 3.1.1.6), wie am Beispiel des Winterroggen für den Zeitraum 1987 bis 2003 gezeigt werden kann. Hierdurch wird es möglicht, detaillierte Aussagen zum Bodenwasserhaushalt auf der Grundlage täglicher Werte zu treffen. 250.0 Soil Moisture (0-80 cm) [mm] sim_00-80 obs_00-80 200.0 150.0 100.0 50.0 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 1990 1989 1988 1987 0.0 Jahr Abb. 3.1.1.6: Beobachtete (Kreise) und simulierte Werte der Bodenfeuchte (0-80 cm) unter Winterroggen (Agrarmeteorologisches Intensivmessfeld Berlin-Dahlem, Periode 1987-2003) Das agrarmeteorologische Intensivmessfeld in Berlin-Dahlem nimmt unter den Dauerversuchen insofern eine Sonderstellung ein, als von Anbeginn die Beziehungen zwischen Witterung und Pflanze und weniger die Einflüsse des Bodens oder agrotechnischer Maßnahmen im Mittelpunkt des Interesses standen. Die Notwendigkeit, diesen Wirkungskomplex über einen langen Zeitraum tiefer gehend zu erfassen und zu analysieren, gewinnt im Zuge der Diskussion um die Bedeutung klimaverändernder Effekte auf Lebewesen und Umwelt besonderes Gewicht. Die dargestellten Ergebnisbeispiele zeigen auf, dass das langfristig gewonnene Datenmaterial für eine vielfältige Vergrößerung unseres Kenntnisstandes genutzt werden kann. So lassen sich beispielsweise gezielte Aussagen über witterungssensitive Phasen und deren Einfluss auf Wachstum, Entwicklung, Ertragsbildung und Produktqualität einzelner Kulturpflanzen machen, Hieraus können Rückschlüsse auf die art35 und sortenspezifische Anbaueignung der verschiedenen Kulturen und auf den Einsatz gezielter Maßnahmen zur Verbesserung der Bestandesführung gewonnen werden. Kenntnisse über bestandesklimatische Spezifika sind beispielsweise unerlässlich für die Entwicklung von Programmen in der phytosanitären Prophylaxe. Die erfolgreiche Simulierung des Bodenwasserhaushalts kann Grundlage für die Steuerung von Bewässerungsmaßnahmen in Pflanzenbeständen sein. Modellierung von Prozessen in der belebten Umwelt benötigt eine breite und gesicherte Datengrundlage aus Langzeitversuchen und -beobachtungen, speziell wenn ein so variabler und komplexer Faktor wie Klima und Witterung in die Betrachtung einbezogen ist. Als Beispiel sei hier nur die Entwicklung verlässlicher regionaler und überregionaler Wachstums- und Ertragsprognosemodelle vor dem Hintergrund eines sich verändernden Klimaszenarios genannt, für die das vorliegende über 50-jährige Datenmaterial eine wesentliche Grundlage darstellt. Zusammenfassung Das im Jahr 1953 eingerichtete agrarmeteorologische Intensivmessfeld am Standort Berlin-Dahlem dient der Untersuchung von Beziehungen zwischen Witterungsverlauf sowie Wachstum, Entwicklung und Ertragsbildung landwirtschaftlicher Nutzpflanzen. Die Langjährigkeit des Versuches gestattet in diesem Zusammenhang auch, Erkenntnisse über die möglichen Auswirkungen von Klimaveränderungen auf die Nutzpflanze zu gewinnen. Die für eine stichhaltige Aussage erforderlichen meteorologischen und pflanzlichen Langzeitdaten werden seit mehr als fünfzig Jahren im Rahmen eines umfangreichen Messprogramms erhoben, das auf acht Großteilstücken und einer zentral gelegenen pflanzenfrei gehaltenen Basisstation durchgeführt wird. Auf den Großteilstücken gelangen in jährlicher Rotation die Früchte Kartoffeln, Winterroggen, Ackerbohnen, Hafer, Zuckerrüben, Körnermais, Sommergerste und Süßlupinen zum Anbau. Die Bewirtschaftungsmaßnahmen (Fruchtfolge, Sorten, Düngung, Bodenbearbeitung u.a.) wurden mit Ausnahme unumgänglicher Sortenwechsel gleich gehalten, so dass sich die Jahresunterschiede in Entwicklung und Ertragsbildung der Kulturen im Wesentlichen auf die Jahreswitterung zurückführen lassen. An verschiedenen Beispielen wird die vielseitige Aussagekraft des langjährigen Datenmaterials aufgezeigt. Die verschiedenen Fruchtarten werden in ihrer mittleren Ertragsleistung und in ihrer Ertragsstabilität charakterisiert. Danach weisen der Winterroggen, die Sommergerste und die Zuckerrübe die geringste Ertragsvariabilität am 36 Standort auf. Am Beispiel des Winterroggens wird unter Einsatz der Faktoranalyse dargestellt, wie die Ertragsbildung durch die wesentlichen meteorologischen Größen beeinflusst wird und welche Ertragskomponenten in Abhängigkeit von der jeweiligen Entwicklungsphase besonders witterungssensitiv reagieren. Anhand der langfristigen Ertragsentwicklung der Kulturen wird demonstriert, mit welchen pflanzlichen Reaktionen aufgrund rezenter Klimaschwankungen zu rechnen ist. Dabei fällt der eher negative Ertragstrend der kurzlebigen sommerannuellen Kulturarten (Sommergetreide, Körnerleguminosen) auf, während das Wintergetreide (hier Winterroggen), aber besonders auch die Zuckerrübe einen positiven Ertragstrend aufweisen. Insgesamt zeigen sich für die Kulturarten unterschiedliche voranstehend nicht zwangsläufig negative Reaktionen auf das sich ändernde Klimaszenario. Anhand der beispielhaft aufgeführten Untersuchungen zur witterungsbedingten Beeinflussung des Bestandesklimas in Winterroggen und des Bodenwasserhaushaltes in Zuckerrüben wird verdeutlicht, dass fundierte Programme beispielsweise in der phytosanitären Prophylaxe bzw. für die Steuerung von Bewässerungsmaßnahmen nur auf der Grundlage einer breiten und aussagekräftigen Datengrundlage entwickelt werden können. Literatur Chmielewski, F.-M., Köhn, W., Krzysch, G. 1997: Statisches agrarmeteorologisches Ertragsfeld,Ökol. Hefte Landwirtsch.-Gärtner. Fak. HU Berlin 7, 57-74 Chmielewski, F.-M., Köhn, W. 1999: The long-term agrometeorological field experiment at Berlin-Dahlem. Agricultural and Forest Meteorology 96, 39-48 Chmielewski, F.-M.; Köhn, W. 1999: Impact of weather on yield components of spring cereals over 30 years. Agricultural and Forest Meteorology 96, 49-58 Chmielewski, F.-M.; Köhn, W. 2000: Impact of weather on yield and yield components of winter rye. Agricultural and Forest Meteorology, 102, 253-261 Chmielewski, F.-M. 2003: Rezente Veränderungen der Lufttemperatur und der Niederschlagshöhe in Berlin-Dahlem, 1931-2000. In: Chmielewski, F.-M., Foken, Th. (Hrsg.): Beiträge zur Klima- und Meeresforschung. Aus Anlass des 70. Geburtstages von P. Hupfer, Eigenverlag Chmielewski & Foken, Berlin/Bayreuth, ISBN 3-00-011043-7, 79-90 Köhn, W. 1984: Untersuchungen des Wasserverbrauchs landwirtschaftlicher Nutzpflanzen und Möglichkeiten seiner Berechnung mittels meteorologischer Daten. In: Krzysch, G.; Hünicken, C., Köhn, W.: Agrarmeteorologische Datenerfassungsstation zur Untersuchung des Einflusses der Witterungsfaktoren auf Entwicklung, Wachstum und Ertragsbildung landwirtschaftlicher Nutzpflanzen. Schriftenreihe Fachbereich Intern. Agrarentwickl. TU Berlin, Nr. IV/44, 45-57 Römer, G. 1988: Die phänologischen Phasen bei Hafer, Sommergerste, Winterroggen und Mais und ihre Beziehungen zur Witterung und Ertragsbildung. Dissertation TU Berlin, S.221 37 Tamm, E. 1961: Über die Ausbildung pflanzenklimatischer Bodentemperaturen unter Beständen landwirtschaftlicher Nutzpflanzen in den Jahren 1953 bis 1958. Z. Acker- Pflanzenbau 113 (3), 288-320 Tamm, E., Krzysch, G., Funke, H. 1965: Aufbau und Meßtechnik der PflanzenWetterstation in Berlin-Dahlem. Z. Acker- Pflanzenbau 122 (4), 334-358 Wittchen, U., Chmielewski, F.-M. 2005: Phytoclimate of winter rye stands. Meteorologische Zeitschrift, Vol. 14, No. 2, 183-189 3.1.2 Statischer Dauerversuch Bodennutzung Berlin-Dahlem W. Köhn und F. Ellmer Problemstellung und Zielsetzung Der Statische Dauerversuch Bodennutzung (D III) wurde von OPITZ im Jahr 1923 angelegt und ist mit seiner Laufzeit von mehr als 80 Jahren der älteste Dauerversuch in Deutschland auf Sandboden. Vorrangig interessierte die Klärung der Frage, welchen Einfluss die Kalkdüngung bei Flach- und Tiefkultur auf das Phosphat des Bodens und des gedüngten Phosphates wie auch auf die Mobilisierung der Bodenphosphorsäure besitzt. Darüber hinaus war es von Anbeginn das Ziel, den Einfluss unterschiedlich tiefer Pflugarbeit und differenzierter Kalkdüngung auf die Bodenfruchtbarkeit des Sandbodens und auf die Ertragsleistung verschiedener landwirtschaftlicher Kulturarten zu untersuchen. Zusätzlich sollte die Bedeutung organischer Düngung für die Humusversorgung und das Ertragsniveau des leichten Sandbodens durch die Einführung des Prüffaktors „Stallmistdüngung“ im Jahr 1939 ermittelt werden. Ab 1967 wurde die Fruchtfolge, die bis dahin weitgehend ohne Systematik betrieben wurde, als Prüffaktor aufgenommen. Der Vergleich zwischen Fruchtwechsel und permanenter Getreidefolge diente zur Klärung der Frage, ob und unter welchen Voraussetzungen sich ausschließlicher Getreidebau unter relativ ungünstigen Standortbedingungen verwirklichen lässt und welche Veränderungen der Bodeneigenschaften durch die beiden Fruchtfolgesysteme hervorgerufen werden. Der Versuch ist in der Vergangenheit Gegenstand zahlreicher wissenschaftlicher Publikationen und Doktorarbeiten gewesen und bildet aufgrund seiner unverminderten Aktualität bis heute die Grundlage vielfältiger, auch internationaler Forschungsarbeiten. 38 Versuchsanstellung Der Versuch umfasst fünf Versuchsfaktoren, jeweils zweifach gestuft (Tab. 3.1.2.1). Die insgesamt 32 Prüfglieder des Versuches werden sechsfach wiederholt. Eine Randomisation der Varianten nach heutigen Maßstäben erfolgte bei Versuchsanlage nicht, so dass die statistische Auswertung der Ergebnisse erschwert ist. Problematisch ist auch die geringe Teilstückgröße von inzwischen nur noch 20 m2. Positiv zu bewerten ist die für damalige Verhältnisse eher ungewöhnliche polyfaktorielle Versuchsgestaltung, die zur Aufdeckung wesentlicher Wechselwirkungen zwischen den Versuchsfaktoren beiträgt. Tab. 3.1.2.1: Prüffaktoren und Faktorenstufen im Statischen Dauerversuch Bodennutzung Berlin-Dahlem Prüffaktoren Faktorenstufen A Pflugtiefe (seit 1923) a1 a2 Tief (T), ca. 28 cm Flach (F), ca.17 cm B Kalkdüngung (seit 1923) b1 b2 mit Kalk (+Ca) ohne Kalk (-Ca) C P-Düngung (seit 1923) c1 c2 mit Phosphorsäure (+P) ohne Phosphorsäure (-P) D Stallmistdüngung (seit 1939) d1 d2 mit Stallmist (+St) ohne Stallmist (-St) E Fruchtfolge (seit 1967) e1 e2 Fruchtwechsel (FW) Getreidefolge (GF) Ein Nährstoffausgleich zwischen beiden Fruchtfolgesystemen erfolgt nicht. Der Vergleich beider Systeme ist im zweijährigen Abstand bei der gemeinsamen Versuchsfrucht Winterweizen möglich. Die Bodenbearbeitung wird in konventioneller Form unter Einsatz von Pflug und herkömmlichen Methoden der Saatbettbereitung und Bestandespflege durchgeführt, die Pflanzenschutzmaßnahmen, die chemische Unkrautbekämpfung eingeschlossen, orientieren sich am aktuellen ortsüblichen Standard. Das Untersuchungsspektrum an Boden und Pflanze wechselt in seiner Intensität in Abhängigkeit von den jeweils anstehenden vertiefenden Forschungsarbeiten. Die in unmittelbarer Nähe gelegene agrarmeteorologische Station gestattet darüber hinaus eine detaillierte Erfassung wesentlicher Witterungsgrößen. 39 Die Fruchtfolgen und deren Düngung sind Tabelle 3.1.2.2 zu entnehmen: Tab. 3.1.2.2: Fruchtfolgen und Düngung im Statischen Dauerversuch Bodennutzung Berlin-Dahlem N [kg ha-1] P [kg ha-1] K [kg ha-1] CaCO3 [dt ha-1] Stallmist [dt ha-1] Fruchtwechsel (FW) Futterrüben Winterweizen Kartoffeln Winterweizen 120 100 100 100 44 28 35 28 149 100 149 100 10 10 300 300 - Getreidefolge (GF) Winterroggen Winterweizen Hafer Winterweizen 60 100 60 100 22 28 22 28 83 100 83 100 10 10 300 300 - Düngerarten: N als Ammonsulfatsalpeter; P als Superphosphat; K als Kalimagnesia; CaCO3 als kohlensaurer Kalk Abb. 3.1.2.1: Gesamtansicht des Dauerversuches Bodennutzung Berlin-Dahlem Ergebnisse Wirkung der Pflugtiefe Durch tiefes Pflügen (28 cm) werden die organischen und mineralischen Dünger auf einen größeren Bodenraum verteilt, dementsprechend sind die Humus-, Nährstoff- 40 und Schwermetallgehalte sowie die mikrobielle Aktivität in der tief gepflügten Schicht (28 cm) geringer als bei Flachkultur (17 cm) (Tab.3.1.2.3). Tab. 3.1.2.3: Bodeneigenschaften in Abhängigkeit von der Pflugtiefe nach über 60 Versuchsjahren (Schicht 0-16 cm, Mittel der gekalkten Prüfglieder) Bodenmerkmal Tief Flach 5,5 5,6 8,5 9,7 12,3 14,0 3,6 4,1 Zn-Gehalt [mg 100 g Boden] 31,1 35,0 Cd-Gehalt [mg 100 g-1 Boden] 0,179 0,193 Corg-Gehalt [mg 100 g Boden] 606 851 Mikrobielle Biomasse* 13,1 13,8 Dehydrogenaseaktivität** 78,5 141,5 pHKCl-Wert -1 PDL-Gehalt [mg 100 g Boden] -1 KDL-Gehalt [mg 100 g Boden] -1 MgCaCl2 -Gehalt [mg 100 g Boden] -1 -1 * Cmic in mg 100 g-1 Boden -1 ** in µg Triphenylformazan 5 g Boden Tiefes Pflügen hat bei Kalkmangel einer Bodenversauerung deutlich länger entgegengewirkt als eine flache Pflugfurche (Abb. 3.1.2.2). Erst nach rund 40 Versuchsjahren ist eine Angleichung der Bodenreaktion zwischen tiefer und flacher Pflugfurche im Kalkmangelbereich festzustellen. Abb. 3.1.2.2: Verlauf des pH-Wertes in Abhängigkeit von Pflugtiefe und Kalkdüngung in der bearbeitete Krume 41 Das größere Humus-, Nährstoff- und Wasserangebot in der flach bearbeiteten Bodenschicht bewirkte um 7-12 % höhere Erträge bei den Hackfrüchten (Kartoffeln, Futterrüben), das tiefer wurzelnde Wintergetreide hingegen hat mit einem geringen Minderertrag auf den kleineren Wurzelraum des flach gepflügten Bodens reagiert (Abb. 3.1.2.3). Sommergetreide verhielt sich weitgehend indifferent. Insgesamt führte tiefes Pflügen auf dem untersuchten Sandboden trotz des damit verbundenen erhöhten Energieaufwandes nicht zu einer besseren Ertragsleistung der Kulturen. Die negativen Auswirkungen unterlassener Kalkdüngung auf den Pflanzenertrag wurden durch tiefes Pflügen verzögert und abgemildert. 120 Relativerträge [%] 110 100 90 80 Futterrüben Kartoffeln So-Getreide Wi-Roggen Wi-Weizen Abb. 3.1.2.3: Relativerträge verschiedener Kulturarten bei flacher Pflugfurche (17 cm) (Stufe „mit Kalk“, Tief = 100 %, Mittel 1923-2006) Wirkung der Kalkdüngung Das längerfristige Unterlassen von Kalkdüngung hat eine gravierende Verschlechterung nahezu sämtlicher für die Bodenfruchtbarkeit wichtigen Parameter zur Folge. Mit zunehmender Versauerung bis auf einen pH-Wert <4 wurde die Verfügbarkeit der Nährstoffe Kalium und Magnesium im Boden reduziert und die Löslichkeit von Schwermetallen wie Cadmium und Zink und damit die Gefahr ihrer Verlagerung ins Grundwasser deutlich erhöht (Tab. 3.1.2.4). Die P-Verfügbarkeit in Abhängigkeit von der Kalkversorgung war im Versuchsverlauf uneinheitlich. Die Wasserbindung des Sandbodens wurde bei fehlender Kalkversorgung ebenso negativ beeinflusst wie vor allem seine mikrobielle Aktivität, der Corg-Gehalt hingegen im Versuchsmittel nur wenig verändert. 42 Tab. 3.1.2.4: Bodeneigenschaften in Abhängigkeit von der Kalkdüngung nach über 60 Versuchsjahren (Schicht 0-16 cm, Hauptwirkung) Bodenmerkmal Mit Kalk Ohne Kalk 5,5 3,9 9,1 9,5 KDL-Gehalt [mg 100 g Boden] 13,2 11,3 MgCaCl2 -Gehalt [mg 100 g-1 Boden] pHKCl-Wert PDL-Gehalt [mg 100 g-1 Boden] -1 3,9 1,8 -1 33,1 23,8 -1 0,186 0,100 Corg-Gehalt [mg 100 g Boden] 729 746 Mikrobielle Biomasse* 13,5 10,2 110,0 22,2 18,0 17,3 Zn-Gehalt [mg 100 g Boden] Cd-Gehalt [mg 100 g Boden] -1 Dehydrogenaseaktivität** -1 Nutzbare Feldkapazität [mm dm ] * Cmic in mg 100 g-1 Boden -1 ** in µg Triphenylformazan 5 g Boden Die Ackerbegleitflora erfuhr durch die eingetretene Bodenversauerung in ihrer Artenvielfalt eine erhebliche Einschränkung. Gleichzeitig erhöhte sich wegen reduzierter Konkurrenzkraft der Kulturpflanzen der Deckungsgrad der Unkräuter (Werte hier nicht dargestellt). Abb. 3.1.2.4: Relativerträge verschiedener Kulturarten bei unterlassener Kalkund Stallmistdüngung (mit Kalk/mit Stallmist = 100 %, Periode 1967-2006) 43 Ertragseinbußen wegen Bodenversauerung haben sich vor allem in den letzten vier Versuchsjahrzehnten gezeigt (Abb. 3.1.2.4). Die Ertragsleistung der einzelnen Kulturen in Abhängigkeit von der Kalkversorgung war im Versuchsverlauf sehr unterschiedlich und unterstreicht die spezifischen Ansprüche der Kulturpflanzenarten an den pH-Wert. Im Extrem, nämlich bei gleichzeitig fehlender organischer Düngung (Stallmist), beträgt der durch Kalkmangel bedingte Ertragsausfall bei den säureempfindlichen Kulturen wie Weizen und Rüben inzwischen annähernd 100 %. Wirkung der Phosphorsäuredüngung Fehlende P-Düngung führte zu einem markanten Abfall des P-Gehaltes im Boden (Werte hier nicht dargestellt). Auf alle anderen untersuchten Kennwerte der Bodenfruchtbarkeit blieb der Einfluss von P-Mangel allerdings bislang gering. Die Ertragsverluste durch fehlende P-Düngung haben während der gesamten, fast acht Versuchsjahrzehnte gleichbleibend, 10 % nicht überstiegen. Nur auf versauertem Boden kam es besonders in der zweiten Versuchshälfte durch die P-Düngung zu deutlichen Ertragssteigerungen. Wirkung der Stallmistdüngung Stallmistdüngung hat zu einer Verbesserung sämtlicher für die Bodenfruchtbarkeit wesentlichen Merkmale geführt. Sie steigerte die C- und Nährstoffgehalte, erhöhte die Wasserverfügbarkeit und das Porenvolumen und führte zu einer besseren mikrobiellen Aktivität im Sandboden (Tab. 3.1.2.5). Die Schwermetalle Cd und Zn im Boden haben keine signifikante Anhebung durch die Stallmistdüngung erfahren. Die organische Düngung hat die negativen Auswirkungen einer Bodenversauerung stark abgemildert und von allen Versuchsfaktoren die Artenvielfalt der Ackerbegleitflora am deutlichsten erhöht (Werte hier nicht dargestellt). Das Unterlassen organischer Düngung auf Sandboden hat bei allen Kulturen relativ schnell und konstant zu Ertragseinbußen zwischen 10 % und 20 % geführt. Auf versauertem Boden liegen die Ertragsdifferenzen zwischen „organisch gedüngt“ und „organisch ungedüngt“ sogar bei 40 %. Die Ergebnisse der zweiten Versuchshälfte zeigen allerdings, dass die durch Bodenversauerung ausgelösten negativen Ertragsreaktionen durch Stallmistdüngung nur begrenzt kompensiert werden können (Abb. 3.1.2.5). 44 Tab. 3.1.2.5: Bodeneigenschaften in Abhängigkeit von der Stallmistdüngung nach über 60 Versuchsjahren (Schicht 0-16 cm, Mittel der gekalkten Prüfglieder) Bodenmerkmal pHKCl-Wert Mit Stallmist Ohne Stallmist 5,6 5,4 -1 10,9 10,1 -1 KDL-Gehalt [mg 100 g Boden] 15,3 11,1 MgCaCl2 -Gehalt [mg 100 g-1 Boden] PDL-Gehalt [mg 100 g Boden] 4,4 3,3 -1 33,7 32,4 -1 Zn-Gehalt [mg 100 g Boden] Cd-Gehalt [mg 100 g Boden] 0,197 0,175 -1 802 656 * 12,8 14,1 132,5 87,5 17,9 18,0 Corg-Gehalt [mg 100 g Boden] Mikrobielle Biomasse Dehydrogenaseaktivität ** -1 Nutzbare Feldkapazität [mm dm ] * Cmic in mg 100 g-1 Boden -1 ** in µg Triphenylformazan 5 g Boden Abb. 3.1.2.5: Ertragsverlauf in Abhängigkeit von der Stallmistdüngung und der Kalkversorgung (Stufe „Fruchtwechsel“, 4-jährige Gleitmittelwerte) 45 Wirkung der Fruchtfolge Ständiger Getreidebau hat im Vergleich zu einer Blattfrucht-/Halmfruchtfolge zu Vorteilen in der Bodenfruchtbarkeit geführt. Der pH-Wert und der Gehalt an organischer Substanz wurden durch die Getreidefolge ebenso erhöht wie vor allem die mikrobielle Aktivität des Sandbodens (Tab.3.1.2.6). Die Makronährstoffe im Boden haben aufgrund der geringeren Entzugsraten im ständigen Getreidebau eine Erhöhung erfahren. Die Schwermetalle Zn und Cd wurden durch das Getreide in deutlich geringerem Umfang aufgenommen als durch die Blattfüchte im Fruchtwechsel, mit der Konsequenz, dass die Gehalte an Schwermetallen im Boden in der Getreidefolge mehr oder weniger stark erhöht wurden. Trotz aller bisherigen positiven Untersuchungsergebnisse zu permanentem Getreidebau an diesem Standort bleibt gültig, dass die Gefährdung des Winterweizens in der Getreidefolge durch Fußkrankheiten (Gaeumannomyces, Fusarium) und Verunkrautung wesentlich größer ist als im Fruchtwechsel. Tab. 3.1.2.6: Bodeneigenschaften in Abhängigkeit von der Fruchtfolge nach über 60 Versuchsjahren (Schicht 0-16 cm, Mittel der gekalkten Prüfglieder) Bodenmerkmal Fruchtwechsel Getreidefolge 5,2 5,9 8,7 9,5 11,9 14,4 pHKCl-Wert -1 PDL-Gehalt [mg 100 g ] -1 KDL-Gehalt [mg 100 g ] -1 MgCaCl2 -Gehalt [mg 100 g ] 3,6 4,1 -1 31,3 34,7 -1 0,166 0,206 Corg-Gehalt [mg 100 g ] 691 767 Mikrobielle Biomasse * 10,3 16,5 46,5 173,5 18,2 17,7 Zn-Gehalt [mg 100 g ] Cd-Gehalt [mg 100 g ] -1 Dehydrogenaseaktivität ** -1 Nutzbare Feldkapazität [mm dm ] * Cmic in mg 100 g-1 Boden -1 ** in µg Triphenylformazan 5 g Boden Stärkere Ertragsverluste des Weizens in der Getreidefolge waren krankheitsbedingt nur während der Umstellungsphase in den ersten drei Vergleichsjahren 1968, 1970 und 1973 sowie im Ausnahmejahr 1987 (versuchsbedingt keine Fungizid- und Herbizidbehandlung) zu verzeichnen. Im Übrigen sind die Ertragsunterschiede gering geblieben mit leichten Vorteilen für den Weizen in der Getreidefolge, vorausgesetzt, 46 die heute üblichen phytosanitären Maßnahmen bei ständigem Getreidebau wurden konsequent durchgeführt. Zusammenfassung Der von OPITZ im Jahr 1923 angelegte Statische Dauerversuch Bodennutzung in Berlin-Dahlem ist mit einer Laufzeit von mehr als 80 Jahren der älteste Dauerfeldversuch zur Sandbodenbewirtschaftung in Deutschland. Die fünf, jeweils zweifach abgestuften Prüffaktoren des Versuches sind die Pflugtiefe (28 bzw. 17 cm), die Kalkdüngung (mit bzw.ohne Kalk), die P-Düngung (mit bzw. ohne P), seit 1939 zusätzlich die Stallmistdüngung (mit bzw. ohne Stallmist) und seit 1967 die Fruchtfolge (Fruchtwechel bzw. Getreidefolge). Durch tiefes Pflügen (28 cm) werden die organischen und mineralischen Dünger auf einen größeren Bodenraum verteilt, dementsprechend sind die Humus-, Nährstoffund Schwermetallgehalte, die mikrobielle Aktivität und die Wasserverfügbarkeit in der tief gepflügten Schicht geringer als bei Flachkultur (17 cm). Tiefes Pflügen wirkt bei Kalkmangel einer Bodenversauerung deutlich länger entgegen als eine flache Pflugfurche. Insgesamt führt tiefes Pflügen auf dem untersuchten Sandboden nicht zu einer besseren Ertragsleistung der Kulturen. Das längerfristige Unterlassen von Kalkdüngung hat eine gravierende Verschlechterung für die Bodenfruchtbarkeit wichtiger Parameter zur Folge. Besonders bedenklich sind die reduzierte Pflanzenverfügbarkeit von Phosphor, Kalium und Magnesium, die größere Verlagerungsgefahr von Schwermetallen wie Cadmium und Zink ins Grundwasser und die gravierende Verringerung der mikrobiellen Aktivität mit zunehmender Bodenversauerung (aktueller pH-Wert <4). Die Ertragsleistung der einzelnen Kulturen in Abhängigkeit von der Kalkversorgung war im Versuchsverlauf sehr unterschiedlich und unterstreicht die spezifischen Ansprüche der Kulturpflanzenarten an die Bodenreaktion. Im Extrem, insbesondere bei gleichzeitig fehlender organischer Düngung, beträgt der durch Kalkmangel bedingte Ertragsausfall bei säureempfindlichen Kulturen wie Weizen und Beta-Rüben inzwischen annähernd 100 %. Fehlende P-Düngung führt zu einem markanten Abfall des P-Gehaltes im Boden. Auf alle anderen untersuchten Kennwerte der Bodenfruchtbarkeit und den Pflanzenertrag bleibt der Einfluss von P-Mangel vergleichsweise gering unter der Voraussetzung, dass die Bodenreaktion sich im Normalbereich (pH-Wert 5-6) bewegt. 47 Stallmistdüngung bewirkt eine Verbesserung sämtlicher für die Bodenfruchtbarkeit wesentlichen chemischen, physikalischen und biologischen Merkmale. Sie mildert die negativen Auswirkungen einer Bodenversauerung stark ab. Das Unterlassen organischer Düngung auf Sandboden führt bei allen Kulturen relativ schnell und konstant zu Ertragseinbußen zwischen 10 % und 20 %. Auf versauertem Boden liegen die Ertragsdifferenzen zwischen „organisch gedüngt“ und „organisch ungedüngt“ sogar bei 40 %. Die Versuchsergebnisse unterstreichen eindrucksvoll die Bedeutung organischer Düngung für die Fruchtbarkeit und Leistungsfähigkeit des Sandbodens. Eine Fruchtfolge mit ausschließlichem Getreidebau hat im Vergleich zu einer alternierenden Blattfrucht-/Halmfruchtfolge Vorteile in der Bodenfruchtbarkeit zur Folge. Der pH-Wert und der Gehalt an organischer Substanz im Boden werden durch die Getreidefolge ebenso erhöht wie die mikrobielle Aktivität des Sandbodens. Die Gefährdung des Winterweizens in der Getreidefolge durch pilzliche Fußkrankheiten und Verunkrautung ist allerdings größer als im Fruchtwechsel, besonders wenn auf geeignete Pflanzenschutzmaßnahmen verzichtet wird. Literatur: Brodowski, M. 1997: Schwermetallgehalte von Nutzpflanzen bei unterschiedlicher Bodenbewirtschaftung in einem landwirtschaftlichen Dauerversuch. Dissertation TU Berlin, VDI Fortschritt-Bericht 14, 80. VDI-Verlag Düsseldorf, 162 S. Grimm, J., Caesar, K. 1988: Der Einfluß langjährig differenzierter Bewirtschaftungsmaßnahmen auf bodenmikrobiologische Eigenschaften eines lehmigen Sandbodens. VDLUFA-Schriftenreihe 28, II, 909-920. Grimm, J., Caesar, K. 1997: Statischer Versuch Bodennutzung. In: Einfluß der Bodennutzung auf die langfristige Entwicklung von Fruchtbarkeit und Ertragsfähigkeit sandiger Böden. Ökol. Hefte Landwirtsch.-Gärtner. Fak. HU Berlin 7, 57-74. Köhn, W. 1975: Der Einfluß langjähriger Bodenbearbeitungs-, Düngungs- und Fruchtfolgemaßnahmen auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften und die Ertragsleistung eines lehmigen Sandbodens. Teil I: Veränderungen der chemischen und physikalischen Eigenschaften. Bayer. Landw. Jb. 52, 929-955 Köhn, W. 1976: Der Einfluß langjähriger Bodenbearbeitungs-, Düngungs- und Fruchtfolgemaßnahmen auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften und die Ertragsleistungen eines lehmigen Sandbodens. Teil II: Langfristige Ertragsveränderung und ertragsanalytische Untersuchungen bei Getreide. Bayer. Landw. Jb. 53, 419-442. Krzysch, G. (Hrsg.), Caesar, K. (Hrsg.), Becker, K., Brodowski, M., Dressler, U.-B., Grimm, J. (Koordin.), Jancke, G., Krause, S., Schlenther, L. 1992: Einfluß von langjährig differenzierten Bewirtschaftungsmaßnahmen und Umweltbelastungen auf Bodenfruchtbarkeit und Ertragsleistung eines lehmigen Sandbodens. Endbericht des Interdisziplinären Forschungsprojektes der TU Berlin, Schriftenreihe Fachbereich Internat. Agrarentwickl. TU Berlin, 327 S. 48 Krzysch, G. 1964: Zur Beeinflussung der Bodenatmung durch langjährige Düngungsund Bodenbearbeitungsmaßnahmen. Z. Acker- Pflanzenbau 120, 339-368. Opitz, K., Tamm, E. 1953: Die Bedeutung der Bodenbearbeitungstiefe im Zusammenwirken mit Düngungsmaßnahmen für die Bodenfruchtbarkeit im Lichte der Dahlemer Dauerversuche. Z. Acker- Pflanzenbau 96, 261-308. Petigk, J. 1965: Die Beeinflussung der physikalischen Eigenschaften des Dahlemer Bodens durch langjährig differenzierte Bodenbearbeitungs- und Düngungsmaßnahmen. Z. Acker- Pflanzenbau 121, 269-306. Tamm, E., Eberhardt, W. 1958: Die Einwirkung verschiedener Bodenbearbeitungsund Düngungsmaßnahmen auf den chemischen Zustand und die Ertragsleistung eines lehmigen Sandbodens. Z. Acker- Pflanzenbau 106, 361-406. 3.1.3 Internationaler Organischer Stickstoffdauerdüngungsversuch BerlinDahlem W. Köhn und F. Ellmer Problemstellung und Zielsetzung Der im Jahr 1984 von LIMBERG am Standort Berlin-Dahlem angelegte Internationale Organische Sickstoffdauerdüngungsversuch (IOSDV) ist Bestandteil einer Dauerversuchsreihe der Internationalen Arbeitsgemeinschaft für Bodenfruchtbarkeit in der Internationalen Bodenkundlichen Union (IUSS). Die allgemeine Zielsetzung dieser auf Anregung von BOGUSLAWSKI ins Leben gerufenen Versuchsreihe besteht primär darin, Unterschiede der Bodenfruchtbarkeit an etlichen (derzeit 15), ökologisch mehr oder weniger stark voneinander abweichenden Standorten im europäischen Raum zu erfassen. Darüber hinaus sollen Veränderungen durch verschiedenartige, teilweise auch extreme Maßnahmen organischer und mineralischer Stickstoffdüngung ermittelt und standortspezifisch sowie standortübergreifend ausgewertet werden. Der Aufbau des IOSDV ist an allen Standorten weitgehend identisch: In einer dreifeldrigen Fruchtfolge mit standortangepassten Kulturarten und Sorten kommen differenzierte Kombinationen organischer und mineralischer Stickstoffdüngung zur Anwendung, wobei die höchsten mineralischen Stickstoffgaben oberhalb des durch diesen Nährstoff erzielbaren Höchstertrages liegen sollen. Die Prüfmerkmale an Pflanze und Boden und teilweise auch deren Untersuchungsmethodik sind standardisiert. In der vorliegenden Form besitzt diese Versuchsreihe aus ökologischer Sicht einen weitreichenden Aussagebereich. Am Standort Berlin-Dahlem soll der Versuch speziell Kenntnisse darüber liefern, ob und ggf. unter welchen Voraussetzungen die Stallmistdüngung durch andere Formen organischer Düngung (Stroh, Gründüngung, Rübenblatt) vollwertig und dauerhaft 49 substituiert werden kann und welche Stickstoffgaben ihrer Höhe nach ertrags- und qualitätswirksam und auf dem sorptionsschwachen Dahlemer Sandboden ökologisch vertretbar sind. Inzwischen liegen erste orientierende Erkenntnisse zu wichtigen Merkmalen der Bodenfruchtbarkeit, zur Ertragsbildung, zum pflanzlichen Ertrag nach Quantität und Qualität sowie zur Nährstoffbilanzierung vor. Versuchsanstellung Der Versuch wird als zweifaktorielle Spaltanlage mit den Prüffaktoren A) Organische Düngung (drei Stufen, bezeichnet als Serie A, B bzw. C) sowie B) Mineralische NDüngung (in den vier Stufen N0 bis N3) durchgeführt. Er umfasst drei Großteilstücke (Felder bzw. Fruchtarten) mit den in Rotation stehenden Fruchtarten Kartoffeln - Winterweizen - Sommergerste. Die Anzahl der Wiederholungen beträgt drei. Die Prüffaktoren des Versuches sind folgendermaßen abgestuft (Tab. 3.1.3.1): Tab. 3.1.3.1: Prüffaktoren und Faktorenstufen im IOSDV Berlin-Dahlem Prüffaktoren Faktorenstufen A Organische a1 ohne organische Düngung (Serie A)* Düngung a2 Stallmistdüngung (Serie B) a3 Stroh-/Grün-/Rübenblattdüngung (Serie C) b1 ohne N-Düngung (Stufe N0) b2 niedrige N-Düngung (Stufe N1) b3 mittlere N-Düngung (Stufe N2) b4 hohe N-Düngung (Stufe N3) B Mineralische N-Düngung * = in Serie A nur Stufen N0 und N3 Die organische und mineralische N-Düngung wird zu den einzelnen Fruchtarten wie folgt verabreicht (Tab. 3.1.3.2): Die mineralische N-Düngung erfolgt zu Kartoffeln in maximal zwei Gaben (1. Gabe: vor der Pflanzung; 2. Gabe: 40 Tage nach der Pflanzung) und zu Getreide in maximal 3 Gaben (1. Gabe: bei Winterweizen zu Vegetationsbeginn im Frühjahr, bei Sommergerste zur Aussaat; 2. Gabe: zum Schossen, 3. Gabe: zum Ährenschieben). Als mineralischer Stickstoffdünger kommt Kalkammonsalpeter (KAS) zum Einsatz. Die Grunddüngung erfolgt mit Superphosphat und Kornkali und beträgt für alle Prüf- 50 glieder einheitlich bei Kartoffeln 26 kg P ha–1 und 149 kg K ha–1, bei Getreide 26 kg P ha–1 und 100 kg K ha–1. Tab. 3.1.3.2: Organische und mineralische N-Düngung in der Fruchtfolge Düngungskombination Serie A Organ. Düngung [dt FM ha-1]: Mineral. N-Düngung [kg ha-1]: Stufe N0 Stufe N3 Serie B Organ. Düngung [dt FM ha-1 ]: Mineral. N-Düngung [kg ha-1]: Stufe N0 Stufe N1 Stufe N2 Stufe N3 Serie C Organ. Düngung [dt ha-1 FM]: Mineral. N-Düngung [kg ha-1]: * ** Kartoffeln Winterweizen Sommergerste ohne ohne ohne ohne 150 (60 / 90) Stallmist: 300 ohne 60 (60 / - ) 100 (60 / 40) 150 (60 / 90) ohne ohne 160 (60 / 60 / 40) 120 (40 / 50 / 30) ohne ohne ohne ohne 60 (20 / 40 / - ) 40 (40 / - / - ) 110 (40 / 40 / 30) 80 (40 / 40 / - ) 160 (60 / 60 / 40) 120 (40 / 50 / 30) Stroh: 60* + Rübenblatt: 250 Stroh: 60* Gründüngung** N-Stufen wie in Serie B je dt Stroh wird 1 kg Ausgleichs-N zusätzlich gedüngt Stoppelzwischenfrucht (Ölrettich) nach Aufwuchs ohne zusätzliche N-Düngung Die bisher angebauten Sorten waren bei Kartoffeln: Granola (mittelfrüh) (seit 1986), bei Winterweizen: Jubilar (1986-1988), Ares (1989-2000), Flair (seit 2001), bei Sommergerste: Aramir (1986-1991), Baronesse (1992-2004), Auriga (seit 2005). Die Bodenbearbeitung wird in konventioneller Form unter Einsatz von Pflug und herkömmlichen Methoden der Saatbettbereitung und Bestandespflege durchgeführt, die Pflanzenschutzmaßnahmen, die chemische Unkrautbekämpfung eingeschlossen, entsprechen aktuellem ortsüblichen Standard. Das allgemeine Untersuchungsspektrum an Boden und Pflanze ist weitgefasst. Die in unmittelbarer Nähe gelegene agrarmeteorologische Station gestattet darüber hinaus eine detaillierte Erfassung wesentlicher Witterungsgrößen. 51 Abb. 3.1.3.1: Gesamtansicht des IOSDV Berlin-Dahlem Ergebnisse Trotz der für einen Dauerfeldversuch noch relativ kurzen Versuchsdauer haben sich im Boden bereits deutliche Veränderungen vollzogen. Die C- und N-Gehalte sind insbesondere im Düngungssystem Stroh-/Grün-/Rübenblattdüngung (C) deutlich höher im Vergleich zum System ohne organische Düngung (A), aber auch im Vergleich zum System Stallmistdüngung (B) (Tab. 3.1.3.3). Diese Rangigkeit ist für alle untersuchten C- und N-Gehalte gleichermaßen festzustellen und Ausdruck für die Hochwertigkeit der Stroh-, Grün- und Blattdüngung nach Quantität und insbesondere auch Qualität. Die mineralische N-Düngung hat sich weniger eindeutig auf den C- und NHaushalt ausgewirkt. In den Systemen A und B sind fast immer Zuwächse bei allen C- und N-Fraktionen (Ausnahme Nhwl im System A) in der Stufe N3 zu verzeichnen, im System C hingegen nur bei Chwl und Nhwl. Hieraus kann ein positiver Einfluss der Stroh-, Grün- und Blattdüngung im Verbund mit mineralischer N-Düngung vor allem auf den umsetzungsaktiven Anteil der organischen Bodensubstanz abgeleitet werden. Insgesamt lässt sich feststellen, dass kombinierte Stroh-, Grün- und Blattdüngung auf dem Sandboden sehr gut in der Lage ist, die Stallmistdüngung in ihrer Wirkung auf den Humushaushalt nicht nur zu ersetzen, 52 sondern sogar zu übertreffen. Tab. 3.1.3.3: C- und N-Gehalte sowie mikrobiologische Parameter im Boden (ausgewählte Varianten, bearbeitete Krume) (KAUTZ 2004) Ausgangswerte 1984: Corg: 656 mg, Nt: 62,0 mg 100 g-1 Boden Corg Nt Chwl Nhwl MB DHA CA Stufe N0 600 72,0 19,3 5,90 187 19,9 142 Stufe N3 710 84,0 23,7 4,80 192 22,3 221 Stufe N0 677 78,7 24,1 5,26 210 26,3 188 Stufe N3 700 82,0 24,9 5,54 246 27,5 264 Stufe N0 777 92,0 26,9 5,90 247 37,2 391 Stufe N3 757 87,3 28,0 6,17 270 32,9 407 Düngungssystem A) ohne organ. Düngung B) Stallmistdüngung C) Stroh-/Grün-/Blattdüngung Corg, Nt, Chwl, Nhwl in mg 100 g-1 Boden, Probeentnahme 2001 (Schicht 0-30 cm) MB = Mikrobielle Biomasse in μg 100 g-1 Boden DHA = Dehydrogenaseaktivität in μg TPF g-1 24 h-1 CA = Cellulaseaktivität in μg Glukose g-1 24 h-1 Probeentnahme für alle mikrobiologischen Parameter: Juli 2002 (Schicht 0-15 cm) Die mikrobiologischen Merkmale wurden durch die organischen Dünger des Systems Stroh-, Grün- und Blattdüngung ebenfalls am stärksten erhöht. Besonders die Cellulaseaktivität hat auf die cellulosehaltigen Einträge dieses Systems stark reagiert. Die Stallmistdüngung wiederum nimmt eine Mittelstellung zwischen dem nicht organisch gedüngten System A und dem System C ein. Die Auswirkungen der mineralischen N-Düngung auf die mikrobielle Aktivität des Sandbodens sind trotz des erhöhten Aufkommens an Ernte- und Wurzelrückständen deutlich geringer ausgeprägt als durch die organische Düngung. Die drei geprüften Nutzpflanzenarten Kartoffeln, Winterweizen und Sommergerste haben auf die differenzierte organisch mineralische N-Düngung in ihrer Ertragsleistung sehr ähnlich reagiert (Abb. 3.1.3.2). Im Mittel der Versuchsperiode 1986-2006 war die größte Ertragssteigerung durch die mineralische N-Düngung erwartungsgemäß von Stufe N0 nach Stufe N1 zu verzeichnen. Im System Stroh-/Grün/Blattdüngung fällt diese Differenz geringer aus, hauptsächlich weil in diesem System auch in Stufe N0 Ausgleichs-N in Höhe von 60 kg ha-1 zur Strohdüngung verabreicht wird. Der relativ größte Ertragszuwachs durch mineralische N-Düngung war bei fehlender organischer Düngung festzustellen. Zwischen den N-Düngungsstufen N1 und 53 N2 (40 oder 60 kg N ha-1) und N2 (80, 100 oder 110 kg N ha-1) wurde nur noch ein Ertragszuwachs von 6 % bis 14 % erzielt, wobei der Winterweizen - wahrscheinlich aufgrund der guten N-Versorgung durch das zu Weizen verabreichte Rübenblatt - am schwächsten auf die N-Steigerung reagiert hat. In der höchsten Stufe N3 (120-160 kg N ha-1) wurden im Vergleich zu Stufe N2 maximal 7 % mehr Korn oder Knollen geerntet, im System Stroh-/Grün-/Blattdüngung waren bei allen Kulturen, insbesondere beim Winterweizen, infolge des Überangebots an Stickstoff sogar Mindererträge zu verzeichnen. Die Effekte der organischen Düngung traten erwartungsgemäß am stärksten bei fehlender mineralischer N-Düngung in Erscheinung. Besonders die Kartoffel reagierte auf die Stallmistdüngung und auf die Stroh-/Grün-/Blattdüngung in Stufe N0 mit deutlichen Ertragssteigerungen (+33 % bzw. +76 %). Im Vergleich der beiden organischen Düngungssysteme zeigten sich bis auf eine Ausnahme (Winterweizen - Stufe N3) stets Ertragsvorteile für die Stroh-/Grün-/Blattdüngung in Höhe von +5 % bis +33 %, wodurch die günstige Wirkung dieses Systems auf die Merkmale der Bodenfruchtbarkeit (vgl. Tab. 3.1.3.3) auch in der besseren Ertragsleistung im Vergleich zur Stallmistdüngung bestätigt wird. 120 100 dt TM ha-1 (Knollen bzw. Korn) ohne organ. Düngung 120 Stallmistdüngung Stroh-/Grün-/Blattdüngung 100 80 80 60 60 40 40 20 20 0 N0 N3 N0 Kartoffeln Abb. 3.1.3.2: N1 Winterweizen N2 N3 N0 N1 N2 N3 0 Sommergerste Knollen- und Kornerträge von Kartoffeln, Winterweizen und Sommergerste bei differenzierter organisch-mineralischer N-Düngung (Mittel 1986-2006) 54 Im langfristigen Ertragstrend zeichnet sich im Variantenmittel ein Anstieg vor allem bei den Kartoffeln und abgeschwächt auch bei Sommergerste ab, beim Winterweizen hingegen stagniert der Ertrag. Die Zunahme der ertragsfördernden Wirkung organischer Düngung wird besonders bei unterlassener mineralischer N-Düngung (Stufe N0) deutlich, hier dargestellt am Beispiel der Kartoffel (Abb.3.1.3.3). Während das Ertragsniveau bei fehlender organischer (und mineralischer) N-Düngung über den Versuchszeitraum im Wesentlichen konstant geblieben ist, sind durch die Stallmist-, besonders aber durch die kombinierte Stroh-/Grün-/Blattdüngung systembedingt kumulierende Ertragszuwächse zu verzeichnen. Bei zusätzlicher mineralischer NDüngung sind diese Effekte nur noch angedeutet. Bei Winterweizen und Sommergerste ergibt sich ein im Vergleich zur Kartoffel ähnlicher Ertragstrend für die drei organischen Düngungsstufen, allerdings mit geringeren Ertragszuwächsen (Werte hier nicht dargestellt). Abb. 3.1.3.3: Entwicklungstrends der Knollenerträge von Kartoffeln in der Periode 1986–2006 in Abhängigkeit von unterschiedlicher organischer Düngung (Stufe N0) Am Beispiel der Backqualität von Winterweizen (B-Sorte Flair) des Jahres 2004 wird verdeutlicht, dass nur in den mineralischen N-Stufen N2 und N3 gute Ergebnisse zu erzielen waren (Tab. 3.1.3.4). Dies traf für den Rohproteingehalt im Korn ebenso zu wie für den Feuchtglutengehalt (Klebermenge) und den Sedimentationswert (Kleberqualität, insbesondere seine Quellfähigkeit), die sämtlich stark positiv auf die höhere 55 N-Düngung reagiert haben. Beim Glutenindex als Maß für die Kleberqualität zeigte sich in den Stufen N1 bis N3 die häufig beobachtete Negativkorrelation zu ansteigenden mineralischen N-Gaben. Die Fallzahl, die Hinweise auf die Stärkequalität hinsichtlich der Aktivität stärkeabbauender α-Amylase gibt, wies ebenfalls nur in den Stufen N2 und N3 (Ausnahme System C / Stufe N3) das gewünschte Niveau von minimal etwa 220 s auf, wurde insgesamt aber nicht so stark durch die mineralische N-Düngung beeinflusst. Die organische N-Düngung wirkte sich weniger prägnant auf die Backqualität aus als die mineralische N-Düngung. Im dargestellten Jahr 2004 zeigten sich Vorteile für die Stallmistdüngung, die aufgrund andersartiger Befunde in früheren Untersuchungen zugunsten der Stroh-/Grün-/Blattdüngung allerdings nicht überbewertet werden dürfen. Auch im System ohne organische Düngung war bisher bei hoher Mineral-NDüngung (Stufe N3) keine Minderung der Backqualität festzustellen. Tab. 3.1.3.4: Backqualität von Winterweizen, Sorte Flair (B), bei differenzierter organisch-mineralischer N-Düngung (Erntejahr 2004) (EREKUL et al. 2005) Düngungssystem Rohprotein Feucht(Korn) gluten [%] [%, 86%] Gluten Index [%] Sedimentationsw. [ml] Fallzahl [s] ≥12 >28 >75 ≥20 220250 A) ohne organ. Düngung Stufe N0 Stufe N3 9,4 13,5 18,9 28,6 40,9 92,5 23 31 201 233 B) Stallmistdüngung Stufe N0 Stufe N1 Stufe N2 Stufe N3 10,7 10,2 13,0 14,2 23,1 22,2 31,4 34,3 95,6 98,0 88,1 75,6 25 24 33 34 209 198 217 229 C) Stroh-/Grün/Blattdüngung Stufe N0 Stufe N1 Stufe N2 Stufe N3 10,0 10,6 12,4 13,1 24,0 22,1 28,0 29,6 84,1 94,9 94,1 91,8 25 25 30 31 198 208 216 205 Sollwerte: 56 Unter ökologischem Blickwinkel interessieren vorrangig N-Überschüsse, die insbesondere in den stark mit Stickstoff gedüngten Düngungssystemen zu erwarten sind. Eine vereinfachte N-Bilanz der dreijährigen Gesamtrotation, die die N-Zufuhr durch organische und mineralische Düngung sowie den N-Entzug durch die Pflanze gegenüberstellt, weist im Mittel der Jahre 1986-2005 nur für die überhaupt nicht mit N gedüngte Variante (Serie A / Stufe N0) einen Negativsaldo von -44 kg N ha-1 jährlich aus (Abb. 3.1.3.4) In dem rein mineralisch mit N versorgten Prüfglied (Serie A / Stufe N3) und in den nur organisch gedüngten Varianten (Serien B und C / Stufe N0) waren die ermittelten Rotations-Überschüsse mit jährlich 12–24 kg N ha-1 moderat, in allen kombiniert organisch/mineralisch mit N versorgten Düngungssystemen erhöhten sich die N-Überschüsse und damit die Gefahr von N-Auswaschungsverlusten mit N kg ha-1 300 Serie B Serie A 200 Serie C DÜNGUNG organ. 100 mineral. 0 Knolle/ Korn ENTZUG -100 Kraut/Stroh/ Gründüngung -200 N0 N3 N0 Jährlicher N-Saldo [kg ha-1]: - 44 +12 +17 Abb. 3.1.3.4: N1 N2 N3 N0 N1 N2 N3 +39 +56 +80 +24 +47 +63 +89 Jährliche N-Bilanz der Gesamtrotation bei differenzierter organischmineralischer N-Düngung (Mittel 1986-2005) ansteigender N-Düngung deutlich. Im Extremfall betrugen sie in Stufe N3 der Stroh/Grün-/Blattdüngung, bezogen auf die Gesamtrotation, jährlich 89 kg N ha-1. Insgesamt überstieg der N-Input durch die Düngung den ertragsbedingten Entzug im System Stroh-/Grün-/Blattdüngung stärker als im System Stallmistdüngung, mit der Konsequenz, dass sich hier insgesamt um 16 % höhere N-Überschüsse ergeben haben. 57 Die bisherigen Ergebnisse belegen, dass das Optimum der N-Versorgung geprägt ist von der prioritären Zielvorgabe. So lassen sich auf dem Sandboden gute Erträge bereits auf dem relativ niedrigen N-Düngungsniveau der Stufe N1 (etwa 60 kg N ha-1) erzielen, sofern zusätzlich organisch gedüngt wird. Ansprechende Backqualität beim Weizen können allerdings erst bei N-Gaben von deutlich >100 kg ha-1 (Stufen N2 und N 3) erreicht werden. Die Kombination von organischer und ansteigender mineralischer N-Düngung bewirkt einerseits Verbesserungen wesentlicher Merkmale der Bodenfruchtbarkeit, zum Anderen führt der insgesamt hohe N-Input derartiger Düngungssysteme zu erheblichen und aus ökologischer Sicht bedenklichen Überschüssen in der N-Bilanz. Speziell in einem N-intensiven System wie der Stroh-/Grün/Rübenblattdüngung ist die zusätzliche mineralische N-Düngung maßvoll zu gestalten, wenn Überdüngungsschäden und Ertragsdepressionen vermieden werden sollen. Zusammenfassung Der Internationale Organische Sickstoffdauerdüngungsversuch (IOSDV) in BerlinDahlem ist Teil einer von EDUARD v. BOGUSLAWSKI ins Leben gerufenen Versuchsreihe mit dem Ziel, Unterschiede der Bodenfruchtbarkeit an ökologisch mehr oder weniger stark voneinander abweichenden Standorten im europäischen Raum zu erfassen, Veränderungen durch verschiedenartige, teilweise auch extreme Maßnahmen organischer und mineralischer Stickstoffdüngung zu ermitteln und standortspezifisch sowie standortübergreifend auszuwerten. Versuchsaufbau, Prüffaktoren, Prüfmerkmale und Untersuchungsmethodik sind für alle beteiligten Standorte weitgehend standardisiert. In Berlin-Dahlem werden an drei in Rotation befindlichen Fruchtarten (Kartoffeln - Winterweizen - Sommergerste) Maßnahmen der organischen Düngung (ohne organische Düngung [A], Stallmistdüngung [B] bzw. Stroh/Grün-/Rübenblattdüngung [C]) und der mineralischen Stickstoffdüngung (ohne, niedrig, mittel bzw. hoch) untersucht. Die mineralischen N-Gaben sind fruchtartspezifisch differenziert und reichen von 0-160 kg N ha-1. Bereits nach relativ kurzer Versuchsdauer zeigt sich, dass die C- und N-Gehalte im Düngungssystem Stroh-/Grün-/Rübenblattdüngung deutlich höher sind im Vergleich zum System ohne organische Düngung und zum System Stallmistdüngung. Auch die mikrobiologischen Merkmale im Boden, insbesondere die Cellulaseaktivität, wurden durch Stroh-, Grün- und Blattdüngung am stärksten erhöht. Stallmistdüngung wie58 derum nimmt eine Mittelstellung zwischen dem nicht organisch gedüngten System A und dem System C ein. Die mineralische N-Düngung hat sich weniger eindeutig auf den C- und N-Haushalt und die mikrobielle Aktivität des Bodens ausgewirkt als die organische Düngung. Die bisherigen Ergebnisse unterstreichen, dass kombinierte Stroh-, Grün- und Blattdüngung in der Lage ist, die Stallmistdüngung in ihrer Wirkung auf den Humushaushalt und die mikrobielle Aktivität des Bodens nicht nur zu ersetzen, sondern sogar zu übertreffen. Die Erträge der drei untersuchten Kulturarten verhalten sich in Abhängigkeit von der differenzierten mineralischen N-Düngung ähnlich. Der größte Ertragszuwachs wird jeweils von Stufe N0 nach Stufe N1 erzielt, die Ertragsunterschiede zwischen den Stufen N1 und N2 bzw. N2 und N3 hingegen bleiben gering. Im System Stroh-/Grün/Blattdüngung sind in der höchsten mineralischen N-Stufe bei allen Kulturen, insbesondere beim Winterweizen, infolge des Überangebots an Stickstoff sogar Mindererträge festzustellen. Die positiven Effekte der organischen Düngung auf den Pflanzenertrag sind erwartungsgemäß am stärksten ausgeprägt bei fehlender mineralischer N-Düngung. An der Backqualität von Winterweizen wird verdeutlicht, dass sich merkmalsspezifisch durchaus andere Wirkungsoptima der N-Düngung ergeben können. So werden bei allen Parametern der Backqualität günstige Resultate nur in der mittleren und hohen mineralischen N-Stufe erreicht. Die Stickstoffbilanz der Rotation weist aus, dass nur in den rein mineralisch mit Stickstoff gedüngten bzw. in den ausschließlich organisch gedüngten Varianten geringe jährliche N-Überschüsse vorliegen. In allen kombiniert organisch/mineralisch mit N versorgten Düngungssystemen steigen hingegen die Überschüsse bis auf knapp 90 kg N ha-1 a-1 deutlich an und erhöhen damit die Gefahr von N-Auswaschungsverlusten beträchtlich . Literatur: Ellmer, F., Erekul, O., F.; Köhn, W., Kuldkepp, P., Teesalu, T. 1999: Einfluss der organischen und mineralischen Stickstoffdüngung auf Ertrag und Brauqualität von Sommergerste.-Standortvergleich Berlin (Deutschland) – Tartu (Estland). Arch. Acker- Pfl. Boden. 44, 579-596. Ellmer, F., Erekul, O., Köhn, W. 2001: Einfluss langjährig differenzierter organischmineralischer Düngung auf den Ertrag, die Ertragsstruktur und die Backqualität von Winterweizen. Arch. Acker- Pfl. Boden. 47, 423-444. 59 Erekul, O. 2000: Einfluss langjährig differenzierter Düngung auf Ertrag und Qualität von Winterweizen und Sommergerste. Standortvergleich Berlin (D) – Tartu (EST). Dissertation HU Berlin, 157 S. Erekul, O., Ellmer, F., Köhn, W., Öncan, F. 2005: Einfluss differenzierter Stickstoffdüngung auf Kornertrag und Backqualität von Winterweizen. Arch. Agron. Soil Sci. 51 (5), 523-540. Kautz, T. 2004: Bodenökologische Wirkungen differenzierter organisch-mineralischer Düngung an verschiedenen Standorten. Dissertation HU Berlin, 134 S. Kautz, T., Wirth, S., Ellmer, F. 2004: Microbial activity in a sandy arable soil is governed by the fertilization regime. European J. Soil Biology 40, 87-94. Khalilova, E. 2002: Einfluss und Wechselwirkung ökologischer Faktoren auf die Populationsdichte von Thysanoptera ssp. im Getreide. Dissertation HU Berlin. Köhn, W., Limberg, P. 1996: Der Internationale Stickstoffdauerdüngungsversuch (IOSDV) Berlin-Dahlem nach drei Rotationen. Arch. Acker- Pfl. Boden. 40, 75-95. Köhn, W., Peschke, H., Limberg, P. 1997: Internationaler Organischer Stickstoffdauerdüngungsversuch (IOSDV). Einfluß der Bodennutzung auf die langfristige Entwicklung von Fruchtbarkeit und Ertragsfähigkeit sandiger Böden. Ökol. Hefte Landwirtsch.-Gärtner. Fak. HU Berlin 7, 75-89. Oberdoerster, U., Peschke, H., Mollenhauer, S. 1997: Einfluss mineralischer und organischer Düngung auf bodenmikrobiologische Parameter im Internationalen Organischen Stickstoffdauerdüngungsversuch (IOSDV) Berlin-Dahlem. Arch. AckerPfl. Boden. 42, 11-19. Peschke, H., Mollenhauer, S. 1999: Einjähriger 15N-düngungsseitiger Eingriff in das Düngungssystem des Internationalen Organischen Stickstoffdauerdüngungsversuches (IOSDV) Berlin-Dahlem und die Auswirkungen auf die Weizenerträge 1994 bis 1996. Arch. Acker- Pfl. Boden. 44, 3-23. 60 3.2 Großbeeren, Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau 3.2.1 Kastenparzellenversuch, Großbeeren (1973) J. Rühlmann Zielsetzung Das Ziel des Versuches war es, die Wirkung unterschiedlicher Düngungsstrategien innerhalb einer Gemüsefruchtfolge sowohl auf ausgewählte Pflanzenmerkmale als auch auf die Eigenschaften von drei verschiedenen Böden unterschiedlicher Herkunft zu untersuchen. Aufgabenstellung Untersuchungen zur langfristigen Wirkung differenzierter organischer und mineralischer N-Düngung auf das Ertrags- und Nährstoffaufnahmepotenzial von Gemüsepflanzen sowie zur Effizienz des im System eingesetzten Stickstoffs und Kohlenstoffs. Ausgewählte Fragestellungen: • Quantifizierung der Wirkungen differenzierter organischer und mineralischer Stickstoffdüngung auf Kohlenstoffvorräte und -dynamik im Boden • Quantifizierung des Einflusses unterschiedlicher Stickstoffformen und -mengen auf Pflanzenertrag und Stickstoffentzug • Bestimmung des Einflusses unterschiedlicher Düngungsstrategien auf Diversitätsmerkmale der Bodenmikroflora (RUPPEL et al., 2007). • Bewertung des Kohlenstoffsenkenpotenzials unterschiedlicher Böden und Düngungsstrategien 61 Standort und Bewirtschaftung Der Versuch grenzt sich von vielen anderen Dauerversuchen insbesondere dadurch ab, dass Böden dreier unterschiedlicher Herkünfte verwendet wurden. Die einzelnen Parzellen bestehen aus quadratischen Betonkästen mit einer Größe von 2 x 2 m und einer Tiefe von 75 cm; die Betonwände dieser Kästen sind ca. 10 cm stark. Die o.g. Böden wurden in einer Mächtigkeit von 50 cm auf eine 25 cm starke Drainageschicht aus humusfreiem, schwach schluffigen Sand aufgebracht. Ein wesentlicher Vorteil dieser Versuchsanlage besteht in der Möglichkeit, düngungsbedingte Bodenveränderungen unter gleichem Klima und gleicher Bewirtschaftung untersuchen zu können. Die detaillierte Beschreibung der Versuchsanlage erfolgte bei PASCHOLD (1975). Versuchsfaktoren und Faktorstufen: Faktor: Faktorstufen: A Boden A1: schwach schluffiger Sand (Herkunft: Großbeeren, Grb_KPA D) A2: stark sandiger Lehm (Herkunft: Golzow, Grb_KPA Al ) A3: mittel toniger Schluff (Herkunft: Kleinwanzleben Grb_KPA Lö) B1: niedrig (N0) B2: mittel (N1) B3: hoch (N2) C1: Ohne organische Düngung (ohne org. D.) C2: Stallmist (STM) C3: Kieferntrockenrinde (KTR) C4: Güllefeststoff (GF), ab 3. Rotation: Ernterückstände (ER) B Mineralische N-Düngung C Organische Düngung Tab. 3.2.1.1: N-Zufuhr über die organische und mineralische Düngung Rotation 1 2 3 4 5 6 1) 2) 3) N-Düngung 3) STM KTR GF/ER 2) ---------------------------------- kg N ha-1 Jahr-1 ------------------------------60 60 140/170/170 1) 110/120/120 1) 115 145 35 10 15/20/20 1) 20/25/25 1) 15 15 95 95 105/100/95 75/90/110 40/40/50 25/35/40 195/300/405 185/270/355 175/255/315 0/115/225 0/110/205 0/110/225 Stallmist- (STM) und Kieferntrockenrinde- (KTR) Zufuhr für die Böden: A1/A2/A3 Güllefeststoff (GF) in Rotationen 1 + 2; Ernterückstände (ER) ab Rotation 3 für die Böden: A1/A2/A3 Mineralische N-Düngung: Stufe B1/B2/B3 62 Die über die Düngung dem Boden zugeführten Stickstoff- und Kohlenstoffmengen sind den Tabellen 3.2.1.1 und 3.2.1.2 zu entnehmen. Als mineralischer N-Dünger wurde Kalkammonsalpeter eingesetzt. Die organische Düngung erfolgte jeweils vor Weißkohl und Gurke. Tab. 3.2.1.2: C-Zufuhr über die organische Düngung Rotation STM GF/ER 2) KTR ---------------------------- kg C ha-1 Jahr-1 ---------------------------1 2 3 4 5 6 1) 2) 850 980 1200/1460/1460 1) 1200/1315/1315 1) 1450 2250 1750 1370 1460/1780/1780 1) 1960/2270/2270 1) 2140 2140 1200 1780 1550/1490/1420 1620/1790/1910 810/1000/1090 770/1180/1290 Stallmist- (STM) und Kieferntrockenrinde- (KTR) Zufuhr für die Böden: A1/A2/A3 Güllefeststoff (GF) in Rotationen 1 + 2; Ernterückstände (ER) ab Rotation 3 für die Böden: A1/A2/A3 Anlageschema je Boden: Spaltanlage [B/C]-B (B = mineralische N-Düngung, C = organische Düngung) B1C1 B1C2 B1C3 B1C4 B2C1 B2C2 B2C3 B1C2 C4 B3C1 B3C2 B3C3 B1C3 C4 B1C3 B1C4 B1C1 B1C2 B2C3 B1C2 C4 B2C1 B2C2 B3C3 B1C3 C4 B3C1 B3C2 B1C4 B1C1 B1C2 B1C3 B1C2 C4 B2C1 B2C2 B2C3 B1C3 C4 B3C1 B3C2 B3C3 B1C2 B1C3 B1C4 B1C1 B2C2 B2C3 B1C2 C4 B2C1 B3C2 B3C3 B1C3 C4 B3C1 Fruchtfolge: 1973-1976 ab 1977 Weißkohl - Möhre – Gurke - Porree Weißkohl - Möhre – Gurke – Porree - Sellerie Prüfmerkmale: Nährstoffzufuhr: organische Dünger (FM, TS, N, P, K, Mg) Ertrag: Haupt- und Koppelprodukt Nährstoffabfuhr: Ertrag und Ernterückstände (TS, N, P, K, Mg) Boden: Corg, Nt, P, K, Mg sowie pH-Wert in 0-20 cm Bodenbearbeitung: manuell (Spaten (20 cm tiefes Graben), Hacke, Grubber) 63 Pflegemaßnahmen: kombinierte mechanische und chemische Unkrautbekämpfung, kombinierter Einsatz von Insektenschutznetzen und Insektiziden, Fungiziden entsprechend Notwendigkeit Beregnung: Sprinkleranlage, ca. 150 mm Zusatzwasser pro Jahr, Beregnungssteuerung nach BEREST Ergebnisse Nach dem Ende der dritten Rotation (1988, nach 15 Jahren) wurde das Niveau der mineralischen N-Düngung deutlich heruntergestuft (RÜHLMANN; 2003, 2006). Deshalb erfolgte die Auswertung des Versuches für die Rotationen 1-3 (1973 – 1987, erster Versuchsabschnitt) und die Rotationen 4-6 (1988-2002, zweiter Versuchsabschnitt) getrennt. Die dargestellten Ergebnisse basieren somit für den ersten und zweiten Versuchsabschnitt jeweils auf Mittelwerten aus 15 Jahren. Einfluss der Düngung auf den Ertrag (erster und zweiter Versuchsabschnitt) Der Ertrag wurde durch die Art der N-Zufuhr unterschiedlich beeinflusst (Abb. 3.2.1.1). Während die höchste Stufe der organische Düngung die pflanzliche Biomassebildung um 2,2 Tonnen Trockenmasse je Hektar und Jahr gegenüber dem Prüfglied ohne N-Zufuhr erhöhte (Lehm: 1,0 t; Schluff: 1,6 t), führte die alleinige mineralische N-Düngung mit 4,7 t TM ha-1 Jahr-1 zu einer mehr als doppelt so hohen Steigerung des Pflanzenwachstums (Lehm: 3,2 t; Schluff: 2,5 t). Bei alleiniger Mineraldüngung sind mittlere Aufwandmengen von 165 kg N ha-1 Jahr-1 auf Sand (Lehm: 120 kg N; Schluff: 130 kg N) erforderlich, um die höchste Ertragsklasse (95% des mittleren, bei ausschließlicher mineralischer N-Düngung gemessenen maximalen Ertrages) zu erreichen. Die niedrigsten Erträge wurden für die Nullparzellen (ohne NZufuhr) mit 5,8 t TM ha-1 Jahr-1 ermittelt (Lehm: 7,8 t; Schluff: 8,2 t). Hier wirkte sich die unterschiedliche Fruchtbarkeit der 3 untersuchten Böden (Sand, Lehm, Schluff) deutlich aus. Hingegen lag die maximale, bei kombinierter organisch-mineralischer N-Zufuhr gemessene Biomasseproduktion für alle 3 Böden einheitlich bei ca. 12 t TM ha-1 Jahr-1. Trotz deutlicher von der Bodenart abhängiger Ertragseffekte der alleinigen organischen oder mineralischen N-Düngung, wurde bei kombinierter organischmineralischen Düngung eine annähernd gleich hohe pflanzliche Biomasseproduktion für die drei Böden gemessen. 64 Einfluss der Düngung auf den Stickstoffentzug (erster und zweiter Versuchsabschnitt) Deutlicher noch als beim Ertrag ist für den Stickstoffentzug festzustellen, dass die mineralische gegenüber der organischen N-Düngung eine wesentlich stärkere Wirkung ausübt (Abb. 3.2.1.2). Die niedrigsten N-Entzüge auf Sandboden wurden mit 75 kg N ha-1 Jahr-1 wiederum für die Nullparzellen ermittelt (Lehm: 110 kg N; Schluff: 120 kg N). Diese N-Entzüge sind ein Ausdruck des unterschiedlichen N-Mineralisierungspotenzials der drei Böden. Auf diesen Böden trug im Mittel nur etwa ¼ der über die organische Düngung applizierten N-Mengen zur Erhöhung des N-Entzugs der Pflanze bei. Hingegen trugen die o.g. zur Ertragsbildung optimalen Mineraldünger-N-Mengen mit einem deutlich höheren Anteil zum N-Entzug bei (Sand: 82%; Lehm: 83%; Schluff: 73%). Bei hoher, kombinierter organisch-mineralischer N-Düngung betrug der Stickstoffentzug für die drei Böden mindestens 70% der N-Zufuhr. Bei Prüfgliedern mit geringer NZufuhr stieg dieser Anteil deutlich über 100% - ein Indiz dafür, dass neben der organischen und mineralischen N-Düngung weitere Quellen wie z.B. die Mineralisierung der organischen Substanz im Boden, die atmosphärische Deposition, das Beregnungswasser sowie Saat- und Pflanzgut direkt oder indirekt zur N-Versorgung der Pflanze beitragen. 65 Schluffiger Sand -1 Pflanzliche Biomasse [t TM ha Jahr ] N- Zu fu h r üb e r o rg a n is c h e Dün g e r 14 [kg h a -1 J a h r- 1 ] 200 15 0 10 0 50 0 -1 12 10 8 6 4 2 0 0 50 100 150 200 250 300 -1 350 400 -1 Mineralische N-Düngung [kg ha Jahr ] N-Zufuhr über organische Dünger Pflanzliche Biomasse [t TM ha-1 Jahr-1] 14 [kg ha-1 Jahr-1] 200 150 100 50 0 Sandiger Lehm 12 10 8 6 4 2 0 0 50 100 150 200 250 300 -1 350 400 -1 Mineralische N-Düngung [kg ha Jahr ] N- Zu fu h r üb e r o rg a n is c h e Dün g e r -1 -1 [ kg h a Ja h r ] 200 15 0 10 0 50 0 Tonig er S chluff -1 Pflanzliche Biomasse [t TM ha Jahr ] 14 -1 12 10 8 6 4 2 0 0 50 100 150 200 250 -1 300 350 400 -1 Mineralische N-Düngung [kg ha Jahr ] Abb. 3.2.1.1: Schematische Darstellung der Abhängigkeit der pflanzlichen Biomasseproduktion von der Art und der Höhe der N-Düngung auf den drei verschiedenen Böden. 66 N-Zufuhr über organische Dünger [kg ha-1 Jahr-1] Stickstoffentzug [kg ha-1 Jahr-1] 400 Schluffiger Sand 200 150 100 50 0 350 300 250 200 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Mineralische N-Düngung [kg ha-1 Jahr-1] N- Zu fu h r üb e r o rg a n is c h e Dün g e r -1 -1 [ kg h a Ja h r ] S andig er Lehm 200 15 0 10 0 50 0 350 300 -1 -1 Stickstoffentzug [kg ha Jahr ] 400 250 200 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 -1 350 400 -1 Mineralische N-Düngung [kg ha Jahr ] N- Zu fu h r üb e r o rg a n is c h e Dün g e r -1 -1 [ kg h a Ja h r ] Ton ig e r S c h lu ff 200 15 0 10 0 50 0 350 300 Stickstoffentzug [kg ha -1 -1 Jahr ] 400 250 200 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 -1 350 400 -1 Mineralische N-Düngung [kg ha Jahr ] Abb. 3.2.1.2: Schematische Darstellung der Abhängigkeit des Stickstoffentzugs durch die Pflanze von der Art und der Höhe der N-Düngung – drei verschiedene Böden. 67 Einfluss der Düngung auf den Kohlenstoffgehalt des Bodens Der Prüffaktor „Bodenart“ wirkt sich am stärksten auf den Kohlenstoffgehalt des Bodens aus. Während die Corg-Gehalte im Mittel der sechsten Rotation auf Sandboden zwischen 0,66% und 1,16% lagen, wurden für Lehm und Schluff mit 1,64% - 2,38% deutlich höhere Gehalte gemessen (Tab. 3.2.1.3). Tab. 3.2.1.3: Kohlenstoffgehalt des Oberbodens (Mittelwerte der sechsten Rotation, 25.-29. Versuchsjahr) N-Stufe Organische Düngung B1 B2 B3 Ohne org. Düngung B1 B2 B3 Bodenart ----------------------- Kohlenstoffgehalt des Oberbodens (% tr.B.; 0-20 cm) --------------- Schluffiger Sand 0,66 0,69 0,72 1,04 1,03 1,09 0,96 0,98 0,98 0,80 1,16 1,01 Sandiger Lehm 1,68 1,76 1,82 2,03 2,12 2,11 2,22 2,23 2,28 1,88 2,20 2,20 Toniger Schluff 1,64 1,75 1,78 2,05 2,13 2,18 2,13 2,38 2,35 1,79 2,25 2,28 --------- STM -------- B1 B2 B3 --------- KTR -------- B1 ER B1 ER + STM B1 ER + KTR (ER = Ernterückstände, KTR = Kieferntrockenrinde, STM = Stallmist; B1, B2, B3 = Stufen der Mineralischen N-Düngung mit 0/110/225 kg N ha-1 Jahr-1; Aufwandmengen vgl. Tab. 3.2.1.1 + 3.2.1.2) Die Wirkung der mineralischen N-Düngung auf den Corg-Gehalt des Bodens war mit <0,2% Corg vergleichsweise gering. Deutliche Corg-Gehaltsunterschiede konnten hingegen für die Wirkung der unterschiedlichen organischen Düngung nachgewiesen werden (Tab. 3.2.1.3). Da die einzelnen organischen Dünger mit unterschiedlicher Aufwandmenge ausgebracht wurden, ist es im Hinblick auf die Vergleichbarkeit notwendig, eine einheitliche Bezugsgrundlage herzustellen. Deshalb wurde zunächst die jeweilige Differenz zwischen den Corg-Gehalten der Prüfglieder mit und ohne organische Düngung gebildet (düngungsbedingte C-Akkumulation). Diese Differenz wurde dann in Relation zu der C-Zufuhr über den entsprechenden organischen Dünger gesetzt (Abb. 3.2.1.3). Demnach entsprach die Differenz in der Corg-Menge zwischen den Prüfgliedern „STM“ und „ohne org. D.“ etwa dem 6-fachen der jährlichen C-Zufuhr über die Stallmistdüngung. Mit einem Quotienten von 3,7 war die Reproduktionswirkung der Ernterückstände deutlich kleiner. Da sich dieser Effekt auch in den Kombinationen 68 „ER+STM“ und „ER+KTR“ ausprägte ist zu schlussfolgern, dass im Verlauf des mikrobiellen Abbaus von leicht umsetzbaren frischen Ernterückständen (Gründüngung) zusätzlich auch stabilere C-Verbindungen anderer organischer Düngung zu CO2 umgewandelt werden und den Boden verlassen. C-Akkumulation im Boden [kg kg-1] 7 6 5 4 3 2 1 0 STM KTR ER ER+STM ER+KTR Organische Düngung Abb. 3.2.1.3: Düngungsbedingte C-Akkumulation im Boden [kg] pro Kilogramm jährliche C-Zufuhr im Mittel der Bodenarten und N-Stufen (25.-29. Versuchsjahr) (ER = Ernterückstände, KTR = Kieferntrockenrinde, STM = Stallmist; Aufwandmengen vgl. Tab. 3.2.1.2) Einfluss der Düngung auf die C- und N-Bilanz Die C- und N-Bilanzen wurden nach folgender Gleichung berechnet (RÜHLMANN, 2003): Abfuhr durch Pflanzenmasse + Änderung Bodenvorrat - Zufuhr über Düngung (und sonstige N-Quellen) =Saldo Der Saldo entspricht bei positivem Wert einem C- oder N-Gewinn für das System Boden-Pflanze und bei negativem Wert einem Verlust. In der N-Bilanz wurden neben der N-Zufuhr durch die Düngung auch die N-Mengen aus so genannten sonstigen NQuellen - aus atmosphärischer Deposition mit 50 kg ha-1 Jahr-1 und aus Saat- und 69 Pflanzgut sowie aus dem Beregnungswasser mit 15 kg ha-1 Jahr-1 berücksichtigt. Unter Netto-N-Zufuhr (Abb. 3.2.1.4) ist die Differenz zwischen Gesamt-N-Zufuhr (or- -1 -1 C-Saldo [t ha Jahr ] ganisch + mineralisch) und der Änderung des Boden-N-Vorrates zu verstehen. 6 C-Zufuhr über organische Dünger [t ha-1 Jahr -1] 5 0 4 1 2 3 3 2 4 1 0 0 100 200 300 400 500 -1 -2 -3 -1 -1 Netto- N-Zufuhr [kg ha Jahr ] Abb. 3.2.1.4: C-Bilanz des Systems Boden-Pflanze am Beispiel „Schluffiger Sand“ Hinsichtlich der C-Bilanz wurde festgestellt, dass die N-Zufuhr in dem Bereich steigender pflanzlicher Biomasseproduktion zu einem steigenden C-Gewinn für das System Boden-Pflanze führte. Mit einem Anstieg der C-Zufuhr um 1 t C je Hektar und Jahr war im Mittel der 3 Böden mit einer Verschlechterung der C-Bilanz um ca. 0,9 t C je Hektar und Jahr verbunden, weil die durch organische Düngung bedingte Zunahme an pflanzlichem Biomasse-C nur einen Bruchteil des über die organisch Düngung zugeführten Kohlenstoffs betrug. Mit der Verringerung der Netto-N-Zufuhr, insbesondere beim Verzicht auf mineralische N-Düngung, verminderte sich demzufolge die Höhe der möglichen düngungsbedingten C-Zufuhr, die das Einhalten eines positiven C-Saldos ermöglicht. Für Stickstoff wurde festgestellt, dass jegliche Erhöhung der N-Zufuhr mit einem Anstieg der N-Verluste verbunden war (Abb. 3.2.1.5). 70 50 0 N-Saldo [kg ha-1 Jahr-1] 0 100 200 300 400 -50 -100 0 50 -150 100 150 -200 200 N-Zufuhr über organische Dünger -1 -1 [kg ha Jahr ] -250 Mineralische N-Düngung [kg ha-1 Jahr-1] Abb. 3.2.1.5: N-Bilanz des Systems Boden-Pflanze am Beispiel „Schluffiger Sand“ Unter Einhaltung eines Grenzwertes von max. 50 kg N-Verlust je Hektar und Jahr war es möglich, durch alleinige mineralische N-Düngung etwa 85 % der standorttypischen maximalen pflanzlichen Biomasse zu produzieren. Bei alleiniger organischer Düngung konnten auf den 3 Böden nur etwa 100-150 kg N je Hektar und Jahr appliziert werden, um den Grenzwert von 50 kg N-Verlust nicht zu überschreiten. Mit dieser applizierbaren N-Menge war es möglich, etwa 65 % der fruchtfolge- und standorttypischen maximalen pflanzlichen Biomasse zu erzeugen (RÜHLMANN und ZIMMER, 2006). Fazit zum Einfluss der Düngung im Kastenparzellenversuch in Großbeeren Ertrag Die niedrigsten mittleren Gesamttrockenmasseerträge wurden auf den Nullparzellen (5,8; 7,8 und 8,2 t TM ha-1 Jahr-1 auf Sand; Lehm und Schluff) ermittelt; die höchsten Erträge bei kombiniert organisch-mineralischer N-Düngung lagen für alle 3 Böden einheitlich bei rund 12 t TM ha-1 Jahr-1. Bezogen auf die Nullparzellen führte die alleinige mineralische N-Düngung im Vergleich zur alleinigen organischen Düngung zu einem mehr als doppelt so hohen Ertragszuwachs. 71 Stickstoffentzug Der mittlere jährliche N-Entzug der Nullparzellen betrug 75; 110 und 120 kg ha-1 auf Sand, Lehm und Schluff; er ist ein Ausdruck für Unterschiede im N-Mineralisierungsvermögen der Böden. Die Wirksamkeit der Düngung im Hinblick auf den NEntzug der Pflanze hing stark von der Art der verwendeten Dünger ab. Während die mit den organischen Düngern applizierten N-Mengen nur zu etwa ¼ zum N-Entzug der Pflanze beitrugen, betrug dieser Anteil für Mineraldünger-N mehr als ¾. Kohlenstoffgehalt des Bodens Die mittleren Corg-Gehalte der drei Böden unterschieden sich stärker als die düngungsbedingten Corg-Gehaltsunterschiede je Boden. Mit einem Corg-Gehaltsanstieg gegenüber der Nullparzelle um < 0,2 % Corg waren die Wirkung der mineralischen NDüngung gering. Im Vergleich zu STM wurde für die untersuchten organischen Dünger folgende relative Reproduktionswirkung ermittelt (vgl. Abb. 3.2.1.3): Stallmist 1,00 Kieferntrockenrinde 0,94 Ernterückstände + Stallmist 0,80 Ernterückstände + Kieferntrockenrinde 0,65 Ernterückstände 0,62 C- und N-Bilanz Im Bereich steigender pflanzlicher Biomasseproduktion führte die steigende N-Zufuhr zu einem wachsenden C-Gewinn für das System Boden-Pflanze. Die C-Zufuhr hingegen führte generell zu einer Verschlechterung der C-Bilanz, da der düngungsbedingte Ertragszuwachs immer nur einen Bruchteil der C-Zufuhr betrug. Die Erhöhung der N-Zufuhr zum System Boden-Pflanze war generell mit einer Zunahme der berechneten N-Verluste verbunden. Unter Einhaltung eines Grenzwertes von max. 50 kg N-Verlust je Hektar und Jahr konnten durch alleinige mineralische NDüngung etwa 85% und durch alleinige organische Düngung etwa 65% der fruchtfolge- und standorttypischen maximalen pflanzlichen Biomasse produziert werden. 72 Literatur: Paschold, P.J. (1975): Die Vorbereitung der Verarbeitung von Daten einer Kastenparzellenanlage bei der weitgehend automatischen Messwerterfassung zur Untersuchung von Wachstumsvorgängen bei ausgewählten Feldgemüsearten. Großbeeren, Inst. f. Gemüseproduktion, Akad. Landwirtsch.-Wiss. DDR, Diss. A. Rühlmann, J. (2003): Der Kastenparzellenversuch Grossbeeren nach sechs Rotationen: C- und N-Bilanzen des Dauerversuchs mit gemüsebaulicher Bodennutzung. Arch. Agron. Soil Sci. 49, 511-536. Rühlmann, J. (2006): The Box Plot Experiment Grossbeeren after six rotations. Effect of fertilization on crop yield. Archives of agronomy and soil science 52, 313-319. Rühlmann, J.; Zimmer, J. (2006): N-Effizienz im System Boden-Pflanze unter dem Einfluss von organischer und mineralischer N-Düngung. Abstract, BHGLSchriftenreihe 24, 47. Ruppel, S.; Torsvik, V.; Daae, F.L.; Ovreas, L.; Ruehlmann, J. (2007): Nitrogen availability decreases procariotic diversity in sandy soils. Biol. Fertil. Soils 43,449-459. 3.2.2 Statischer Dauerfeldversuch „Organisch-mineralische N-Düngung“ Großbeeren (1989) J. Rühlmann Zielsetzung Das Ziel des Versuches war es, die Wirkung unterschiedlicher Kombinationen von Stallmist- und mineralischer N-Düngung innerhalb einer Gemüseanbaufolge auf ausgewählte Pflanzen- und Bodenmerkmale zu untersuchen. 73 Aufgabenstellung Untersuchungen zur langfristigen Wirkung differenzierter organischer und mineralischer N-Düngung auf das Ertrags- und Nährstoffaufnahmepotenzial von Gemüsepflanzen sowie zur Effizienz des im System eingesetzten Stickstoffs und Kohlenstoffs. Ausgewählte Untersuchungsschwerpunkte: • Einfluss differenzierter Düngung auf Ertrag, N-Abfuhr und N-Bilanz • Einfluss differenzierter Düngung auf die Nmin-Dynamik im Boden • Einfluss von geomorphologischen Standortbedingungen auf den C-Gehalt des Bodens Standort und Bewirtschaftung Der Standort Großbeeren befindet sich im Gebiet der mittelbrandenburgischen Platten und Niederungen im unmittelbaren Einzugsbereich der Nuthe-Niederung. Angrenzend an das Versuchsgelände befindet sich ein anmooriger Übergangsstreifen, der die Verbindung zum ehemaligen Großbeerener Moorgebiet bildet. In Abhängigkeit von der Menge an Herbst- und Winterniederschlägen kann der Grundwasserspiegel, der im Sommer mehr als 2 m beträgt, in den Frühjahrsmonaten auf < 1 m ansteigen. Daraus resultierend sind in ca. 1 m Tiefe deutliche Vergleyungsmerkmale im Boden nachweisbar. Diese Vergleyungsmerkmale sind sehr heterogen verteilt, weil der im Unterboden anstehende Geschiebelehm ein durch Eiskeilstrukturen geprägtes Relief aufweist. Versuchsfaktoren und Faktorstufen: Faktor: Faktorstufen: A Mineralische N-Düngung A1: ohne mineralische N-Düngung (N0) A2: 50% vom zu erwartenden N-Entzug (N1) A3: 100% vom zu erwartenden N-Entzug (N2) A4: 150% vom zu erwartenden N-Entzug(N3) B1: ohne organische Düngung (ohne org. D.) B2: 30 t Stallmist ha-1 Jahr-1 B3: 60 t Stallmist ha-1 Jahr-1 B Organische Düngung 74 Die über die mineralische Düngung jährlich dem Boden zugeführten Stickstoff- und über die Stallmistdüngung im Mittel dem Boden zugeführten Stickstoff- und Kohlenstoffmengen sind der Tabellen 3.2.2.1 und 3.2.2.2 zu entnehmen. Tab. 3.2.2.1: Anbaufolge und N-Zufuhr über die mineralische Düngung N-Stufe: Jahr 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 N1 N2 -1 N3 ------------ kg N ha Jahr Gemüseart Weißkohl Möhre Einlegegurke Knollensellerie Spinat Kohlrabi Porree Weißkohl Möhre Zucchini Porree Brokkoli Möhre Spinat (3 Sätze) Blattamaranth Knollensellerie Brokkoli Endivie Mangold (4 Schnitte) Artischocke Porree Mittelwert: -1 -------- 235 60 60 70 340 120 120 140 440 180 180 210 60 120 120 60 80 80 100 60 180 60 70 100 65 80 100 80 120 200 240 80 160 160 200 120 360 120 140 200 130 160 200 160 180 320 360 110 240 240 300 180 540 180 210 300 195 240 300 240 97 183 271 Tab. 3.2.2.2: C-Zufuhr über die organische Düngung Faktorstufe organische Mittlere jährliche Zufuhr an Stallmist Frischmasse Trockenmasse [t ha-1 Jahr-1] Düngung Kohlenstoff Stickstoff [kg ha-1 Jahr-1] B2 30 6,5 2000 150 B3 60 13 4000 300 75 Anlageschema je Boden: Randomisierte Blockanlage (A = mineralische N-Düngung, B = organische Düngung) Anlageplan: A4B3 A4B2 A2B3 A2B1 A2B2 A3B1 A3B3 A1B2 A4B1 A1B1 A3B2 A1B3 A1B3 A4B1 A3B2 A2B2 A2B1 A4B3 A4B2 A2B3 A1B1 A3B3 A3B1 A1B2 A3B2 A2B1 A1B2 A1B3 A1B1 A4B2 A3B1 A2B2 A4B3 A2B3 A3B3 A4B1 A1B3 A2B1 A4B1 A3B3 A3B2 A4B3 A2B2 A3B1 A2B3 A1B2 A1B1 A4B2 Wiederholungen: 4 Parzellengröße: 4,5 x 5 m Prüfmerkmale: Nährstoffzufuhr: Stallmist (FM, TS, C, N, P, K, Mg) Ertrag: Haupt- und Koppelprodukt Nährstoffabfuhr: Ertrag und Ernterückstände (TS, N, P, K, Mg) Boden: Corg, Nt, P, K, Mg sowie pH-Wert in 0-25 cm Bodenbearbeitung: maschinell, Pflugtiefe 25 cm Pflegemaßnahmen: kombinierte mechanische und chemische Unkraut- und Insektenbekämpfung, Fungizideinsatz entsprechend Notwendigkeit Beregnung: Sprinkleranlage, ca. 150 mm Zusatzwasser pro Jahr, Beregnungssteuerung nach BEREST Ergebnisse Die nachfolgend dargestellten Ergebnisse zum Einfluss differenzierter organischmineralischer N-Düngung auf Ertrag, N-Abfuhr und N-Bilanz basieren auf entsprechenden Mittelwerten über den Zeitraum von 14 Jahren (1989-2003). 76 Einfluss differenzierter organisch-mineralischer Düngung auf Ertrag, N-Abfuhr und NBilanz Um eine Vergleichbarkeit zwischen den in Tab. 3.2.2.1 genannten Gemüsearten zu erreichen, erfolgte der Bezug auf die gesamte Pflanzentrockenmasse (Haupt- und Koppelprodukt). Durch die differenzierte Mineraldünger- und Stallmist-N-Zufuhr wurde gegenüber dem Ertrag der Nullparzelle (4,6 t TM ha-1 Jahr-1) ein Mehrertrag von bis zu 5,7 t TM ha-1 Jahr-1 ermittelt (Abb. 3.2.2.1). Dabei lag der mittlere Mehrertrag je Kilogramm STM-N bei 5,8 kg TM ha-1 und je Kilogramm Mineraldünger-N bei 13,2 kg TM ha-1. Gesamttrockenmasseertrag [t ha -1 Jahr-1] 10,3 10,0 9,9 12 8 9,3 9,7 9,5 8,0 8,7 8,5 7,9 6,8 4 300 4,6 300 200 200 100 100 00 Mineraldünger-N [kg ha -1 Jahr-1] Stallmist-N [kg ha -1 Jahr-1] Abb. 3.2.2.1: Gesamttrockenmasseertrag in Abhängigkeit von der N-Düngung (1989 – 2003) Während die Erträge bei differenzierter organisch-mineralischer N-Düngung maximal um den Faktor 2,3 gegenüber der Nullparzelle wuchsen, stieg die N-Abfuhr maximal um den Faktor 4,3 (Abb. 3.2.2.2). Bei alleiniger Zufuhr von ca. 300 kg STM-N ha-1 Jahr-1 betrug die N-Abfuhr ca. 140 kg ha-1 Jahr-1. Bei alleiniger Zufuhr von ca. 300 kg Mineraldünger-N ha-1 Jahr-1 hingegen lag die N-Abfuhr mit 250 kg ha-1 Jahr-1 deutlich höher. Ursache dafür ist die unterschiedliche Wirksamkeit dieser beiden N-Quellen im Hinblick auf die N-Abfuhr. Mit steigender N-Zufuhr nahm auch die N-Abfuhr zu um 0,6 kg je Kilogramm Mineraldünger-N bzw. um 0,2 kg je Kilogramm STM-N. 77 N-Abfuhr [kg ha -1 Jahr-1] 282 256 237 300 250 223 186 200 139 161 154 100 137 109 300 200 300 68 100 200 100 00 Mineraldünger-N [kg ha -1 Jahr-1] Stallmist-N [kg ha -1 Jahr-1] Abb. 3.2.2.2: N-Abfuhr in Abhängigkeit von der N-Düngung (1989 – 2003) Die N-Bilanz wurde nach folgender Gleichung berechnet (detailliert dargestellt in Kapitel 4.2.3): Abfuhr durch Pflanzenmasse + Änderung Bodenvorrat - Zufuhr über Düngung (und sonstige N-Quellen) = N-Bilanz Damit entspricht die N-Bilanz rechnerisch dem im System Boden-Pflanze nicht wieder gefundenen N-Anteil der N-Zufuhr und wird demzufolge als N-Verlust interpretiert. Generell stieg der N-Verlust mit der Erhöhung der N-Zufuhr (Abb. 3.2.2.3). Für das Prüfglied mit der höchsten N-Zufuhr (335 kg STM-N + 255 kg Mineraldünger-N = 590 kg N) betrug der N-Verlust 322 kg N ha-1, was 55% der N-Zufuhr entspricht. Jedoch waren die beiden N-Quellen (STM-N und Mineraldünger-N) unterschiedlich „verlustwirksam“. Während von jedem applizierten Kilogramm Mineraldünger-N ca. ⅓ aus dem System Boden-Pflanze verloren ging, war der nicht wieder gefundene Anteil der über Stallmist zugeführten N-Menge mit ca. ⅔ doppelt so hoch. 78 0 N-Bilanz [kg ha -1 Jahr-1] -35 0 -114 -99 -84 -50 -137 -100 -165 -150 -200 -228 -250 -198 -259 -300 -281 0 0 100 100 -322 200 200 300 300 Mineraldünger-N [kg ha -1 Jahr-1] Stallmist-N [kg ha -1 Jahr-1] Abb. 3.2.2.3: N-Bilanz in Abhängigkeit von der N-Düngung (1989 – 2003) Einfluss differenzierter Düngung auf die Nmin-Dynamik im Boden Im Zeitraum 1989-1997 wurde in diesem Versuch jährlich in ausgewählten Prüfgliedern der mineralische Stickstoff- (Nmin-) Gehalt des Bodens in 2- bis 3- wöchigem Abstand kulturbegleitend gemessen. Die innerhalb des 9-jährigen Zeitraums gemessenen mittleren Nmin-Gehalte des Bodens zum Kulturende und zum nachfolgenden Vegetationsbeginn sind in Tabelle 3.2.2.3 dargestellt. Auffallend sind die entgegen vielen Ergebnissen aus der Praxis generell niedrigen Nmin-Gehalte zu beiden Terminen. Die niedrigen Nmin-Restgehalte weisen auf die unter den vorhandenen Versuchsbedingungen erreichte gute Anpassung der NDüngung an den zeitlichen Verlauf des N-Bedarfs der Gemüsepflanzen hin. Diese Nmin-Restgehalte nahmen sowohl in Abhängigkeit mit steigender Stallmistdüngung als auch in Abhängigkeit von der mineralischen N-Düngung zu. 79 Tab. 3.2.2.3: Nmin-Gehalte des Bodens zum Kulturende und zum nachfolgenden Kulturbeginn bei gemüsebaulicher Bodennutzung (Mittelwerte 1989-1997) Var.Nr. Mittlere jährliche N-Zufuhr über: Nmin-Restwert Nmin-Startwert Differenz Rest - Startwert Stallmistdüngung N-Düngung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 [kg ha-1] [kg ha-1] [kg ha-1 60cm-1] [kg ha-1 60cm-1] [kg ha-1 60cm-1] 0 0 0 0 140 140 140 140 280 280 280 280 0 95 160 220 0 85 145 210 0 80 135 200 24 33 50 72 39 37 49 65 43 42 55 71 29 38 36 32 40 44 51 41 56 60 60 59 -5 -5 14 40 -1 -7 2 24 -13 -18 -5 12 Im Gegensatz zu den Nmin-Restgehalten wiesen die Nmin-Gehalte zu Kulturbeginn nur deutlichere Unterschiede in Abhängigkeit von der Stallmistdüngung auf. Dies deutet darauf hin, dass beim Vergleich der Nmin-Gehalte zu beiden Terminen die Überlagerung von N-Verlust- und N-Mineralsierungsprozessen zu berücksichtigen ist. Die zeitliche Dynamik der gemessenen Nmin-Gehalte im Boden wurden zur Validierung des C-N-Modells CANDY für einen Sandboden mit gemüsebaulicher Bewirtschaftung genutzt (FRANKO und RÜHLMANN, 1991). Beispielhaft für diese Modellvalidierung ist in der Abbildung 3.2.2.4 der Vergleich der gemessenen und der simulierten Nmin-Dynamik des Bodens dargestellt. Der Nmin-Gehalt der Nullparzelle betrug über die gesamte Kulturdauer hinweg 20-30 kg ha-1 60cm-1. Der simulierte Trend des 80 Abb. 3.2.2.4: Vergleich der gemessenen und der simulierten Nmin-Dynamik des Bodens unter Porree (1994) 100 90 n = 266 80 Meßwertanzahl 70 60 50 40 30 20 10 0 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 Klasseneinteilung (kg N/ha) Abb. 3.2.2.5: Häufigkeitsverteilung der Differenzen zwischen Nmin-Mess- und Simulationswerten (0-60 cm) 81 gedüngten Prüfglieds zeigt deutlich die 4 N-Düngungstermine (je 30 kg N ha-1) zwischen Mai und Juli. Insgesamt erfolgte die Validierung in den folgend angegebenen Wertebereichen der einzelnen N-Haushaltskomponenten: Nmin-Gehalte zu Kulturbeginn 25-80 kg ha-1 60cm-1, mineralische N-Düngung 0 bis 150-400 kg ha-1 je nach Gemüseart, N-Abfuhr von Prüfgliedern ohne mineralische N-Düngung als Kriterium für die N-Mineralisierung aus der organischen Bodensubstanz 40-180 kg ha-1, NAbfuhr von Prüfgliedern mit mineralischer N-Düngung 100-350 kg ha-1. Im Ergebnis des Vergleichs von 266 Nmin-Mess- und Simulationswerten wurde festgestellt, dass 83% aller Messwerte mit einer Genauigkeit von ± 20 kg ha-1 60 cm-1 durch das Modell reproduziert werden konnten (Abb. 3.2.2.5). Diese hohe Genauigkeit wird zum großen Teil darauf zurückgeführt, dass die bei der Ernte erfolgte generelle Abfuhr der oberirdischen pflanzlichen Biomasse von der Versuchsfläche den Einfluss der Ernterückstände eliminierte, der in gesonderten Untersuchungen geprüft wurde. Detaillierte Ergebnisse zur Modellvalidierung im Gemüsebau wurden bei FRANKO und RÜHLMANN (1991), RÜHLMANN et al. (1992), RÜHLMANN und GEYER (1993) und RÜHLMANN (1994) vorgestellt. Untersuchungen zum Abbauverhalten von Gemüseernterückständen sind bei KUZYAKOV et al. (1997) beschrieben. Einfluss von geomorphologischen Standortbedingungen auf den Corg-Gehalt des Bodens Neben der Bewirtschaftung haben auch geomorphologische Standortbedingungen, wie z.B. das Relief und die Mächtigkeit von Substratschichten einen Einfluss auf den C-Gehalt des Bodens. So wies die ca. 65 m × 25 m großen Versuchsfläche trotz einheitlicher Vorgeschichte (Bewirtschaftung) zum Versuchsbeginn eine deutliche räumliche Variabilität im Corg-Gehalt des Ap-Horizontes auf (Abb. 3.2.2.6). Die Spanne im Corg-Gehalt reicht von 0,5 bis 1,2%. Zum Vergleich - typische Corg-Gehalte von grundwasserfernen Sandböden mit Tongehalten < 5% liegen um 0,5 – 0,6% Corg. Es sollte untersucht werden, ob diese räumliche Variabilität im Corg-Gehalt im Zusammenhang mit den geomorphologischen Standortbedingungen steht. Der Standort weist eine unterschiedlich mächtige Schmelzwassersanddeckschicht über anstehendem Geschiebelehm auf. Die Oberfläche des Geschiebelehms ist durch ein ausgeprägtes, eiszeitlich bedingtes Relief (Unterbodenrelief) charakterisiert. Das Relief der Geländeoberfläche (Oberflächenrelief) wurde mittels eines Tachymeters in einem 82 Raster von 5 × 5 m vermessen (Abb. 3.2.2.7). Der innerhalb der Versuchsfläche festgestellt Höhenunterschied betrug ca. 0,7 m. Das Unterbodenrelief des anstehenden Geschiebelehms wurde mittels Georadar im Raster von 50 cm × 4 cm (Abb. 3.2.2.8) ermittelt. Die Kalibrierung der Radar-Messwerte erfolgte anhand von etwa 50 Bohrstockbeprobungen. Die Oberfläche des anstehenden Geschiebelehms befindet sich im Mittel ca. 1,0-1,2 m unter Flur (Abb. 3.2.2.8). Die beiden Objekte (rot), in denen dieser Abstand bis zu 3,3 m beträgt, sind durch Eiskeilstrukturen verursacht. Diese Eiskeilstrukturen sind bevorzugte Sammelstellen für Decksand-Dränwasser. Die Jahresamplitude des Stauwasserspiegels beträgt dort > 2,5 m. Ziel der Untersuchungen war es, die Abhängigkeit des Corg-Gehaltes von Oberflächen- und Unterbodenrelief zu quantifizieren (KUZYAKOV et al., 1998, RÜHLMANN et al., 1998). Das in die Abbildungen 3.2.2.6 – 3.2.2.10 eingezeichnete Raster stellt die Einzelparzellen dar (12 Prüfglieder mit je 4 Wiederholungen). Im Ergebnis der Untersuchungen wurde festgestellt, dass ca. 35% der Varianz des Corg-Gehaltes durch den Einfluss der Düngung und ca. 65% durch düngungsunabhängige Einflüsse bestimmt waren. Von diesen 65% nicht erklärter Varianz ließen sich wiederum ca. 79% durch die beiden geomorphologischen Größen „Oberflächenrelief“ (74%) und „Decksandmächtigkeit“ (5%) erklären. In den Abbildungen 3.2.2.9 und 3.2.2.10 sind die räumlichen Verteilungen von Korrelationskoeffizienten dargestellt, die sich auf nach 10jähriger Versuchsdauer gemessene Corg-Gehalte beziehen. Auffallend ist, dass es für die beiden dargestellten Zusammenhänge Areale mit positiver und mit negativer Korrelation gibt. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass 87% der Varianz des CorgGehaltes dieser Versuchsfläche durch die Düngung (35%) und durch geomorphologische Standortbedingungen (52%) erklärt werden konnten, wobei letztere den deutlich stärkeren Einfluss hatten. 83 Abb. 3.2.2.6: Kohlenstoffgehalt des Decksandes vor Versuchsbeginn (1987), [% tr. B.] 20 15 10 5 0 Abb. 3.2.2.7: Oberflächenrelief des Decksandes [Meter unter höchstem Messpunkt] 20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80 20 15 10 5 0 Abb. 3.2.2.8: Unterbodenrelief des anstehenden Geschiebelehms [Meter unter Geländeoberfläche] 20 15 10 5 0 Abb. 3.2.2.9: Zusammenhang zwischen dem CorgGehalt des Bodens und dem Oberflächenrelief (1997). Korrelationskoeffizienten zwischen –0,3 und +0,3 sind nicht signifikant (α=0,05). 25 20 15 10 5 0 Abb. 3.2.2.10: Zusammenhang zwischen dem CorgGehalt des Bodens und der Decksandmächtigkeit (1997). Korrelationskoeffizienten zwischen –0,3 und +0,3 sind nicht signifikant (α=0,05). 25 20 15 10 5 0 84 Fazit • Durch differenzierte Mineraldünger- und Stallmist-N-Zufuhr konnte der Gesamttrockenmasseertrag, bezogen auf die Nullparzelle, mehr als verdoppelt werden. Dabei lag der mittlere Mehrertrag je Kilogramm STM-N bei 5,8 kg TM ha-1 und je Kilogramm Mineraldünger-N bei 13,2 kg TM ha-1. • Die N-Abfuhr variierte in Abhängigkeit von der Düngung zwischen 68 kg N ha-1 (Nullparzelle) und 282 kg N ha-1 (271 kg ha-1 Mineraldünger-N + 300 kg ha-1 STM-N). Mit steigender N-Zufuhr nahm die N-Abfuhr um 0,6 kg je Kilogramm Mineraldünger-N sowie um 0,2 kg je Kilogramm STM-N zu. • Generell stieg der N-Verlust mit der Erhöhung der N-Zufuhr. Während von jedem applizierten Kilogramm Mineraldünger-N ca. ⅓ aus dem System BodenPflanze verloren ging, war der nicht wieder gefundene Anteil der über Stallmist zugeführten N-Menge mit ca. ⅔ doppelt so hoch. • Der Versuch wurde zur Validierung eines C-N-Modells genutzt. Ausdruck der hohen Leistungsfähigkeit des Modells ist, dass beim Vergleich von 266 NminMess- und Simulationswerten 83% aller Messwerte mit einer Genauigkeit von ± 20 kg ha-1 60 cm-1 durch das Modell reproduziert werden konnten. • Durch die Anwendung geophysikalischer Untersuchungsverfahren (Radar) und geostatistischer Auswertungsverfahren gelang es nachzuweisen, dass die geomorphologischen Standortbedingungen mit 52% einen deutlich höheren Anteil in der räumlichen Varianz der Corg-Gehalte der Versuchsfläche erklären als die Düngung (36%). Literatur: Franko, U; Rühlmann, J. (1991): Simulation der C- und N-Dynamik eines gemüsebaulich genutzten Sandbodens. Gartenbauwiss. 56, 174-179. Kuzyakov Y.; Kuzyakova, I.; Rühlmann, J.; Schuler, M. (1998): Räumliche Abhängigkeit des Ct-Gehaltes eines Decksandes von Mikrorelief und Tiefe des anstehenden Geschiebemergels. Mitt. Deutsch. Bodenkdl. Gesell., 88, 437-440. Kuzyakov, Y.; Rühlmann, J.; Geyer, B. und Gutezeit, B. (1997): Kinetik und Parameter des Abbaus von Gemüserückständen bei deren Inkubation im Boden. Gartenbauwiss. 62, 151-157. Rühlmann, J, (1994): Beschreibung des Einflusses differenzierter organischmineralischer N-Düngung auf Ertrag, N-Entzug und C-N-Dynamik im Boden. Jahresber. IGZ Großbeeren. Rühlmann, J.; Geyer, B.; Leppers, S.; Anschütz, K. (1992): Zum Einfluss des NAngebotes auf Ertrag, N-Entzug und N-Dynamik in einem Versuch mit Speisemöhre. Wiss. Zeitschrift Humboldt-Universität zu Berlin, R. Agrarwiss. 41, 59-64. 85 Rühlmann, J.; Geyer, B. (1993): Validation of a simulation model for carbon and nitrogen dynamics in soil in a field trial. Acta Horticulturae 339, 75-84. Rühlmann, J.; Kuzyakov, Y.; Schuler, M. (1998): Der Ct-Gehalt eines Decksandes in Abhängigkeit von seiner Mächtigkeit über anstehendem Geschiebemergel. In: Geo-Berlin ´98. Tag.-Ber. 6.-9.Okt. Berlin. P 157. 3.3 Groß Kreutz und Güterfelde, Landesamt für Verbraucherschutz, Landwirtschaf und Flurneuordnung 3.3.1 Dauerfeldversuch M4, Groß Kreutz (seit 1967) Kombinationsversuch (Mineral-N mit Stalldung-N) J. Zimmer Abb. 3.3.1.1: Nulldüngungsparzelle mit Winterroggen (Prüfglied 1.1) Zielsetzung Erarbeitung, Aktualisierung und Weiterentwicklung der fachlichen Grundlagen des landwirtschaftlichen Bodenschutzes im Land Brandenburg und von Richtwerten, Handlungsanleitungen und Empfehlungen zur Umsetzung der Guten fachlichen Praxis der landwirtschaftlichen Bodennutzung (§ 17 BBodSchG). Aufgabenstellung Untersuchungen zu nachhaltigen Auswirkungen von unterschiedlichen Mengen organischer und mineralischer Stickstoffdüngung auf das Pflanzenertragsniveau, den Bodenhumusgehalt, die Humusreproduktion, die Nährstoffeffizienz und weitere stoffliche Bodeneigenschaften: 86 Ausgewählte Fragestellungen: • Quantifizierung der Auswirkungen differenzierter organischer und mineralischer Stickstoffdüngung auf Bodenhumusgehalt und dessen Reproduktion • Bestimmung des Einflusses steigender Stickstoffgaben in organisch gebundener (Stalldung) und mineralischer Form jeweils allein und in Kombination auf den Pflanzenertrag und den Nährstoffentzug • Bewertung von Wechselwirkungen zwischen organischer und mineralischer Düngung • Bestimmung des Einflusses der Düngung auf die stofflichen Bodeneigenschaften • Bewertung der C- und N-Bilanzen Standort/Bewirtschaftung Lage: Gemeinde/Gemarkung Groß Kreutz Bodenform: Fahlerde über Sand (Geschiebedecksand) über Lehm (Geschiebemergel) (KÜHN und HANNEMANN, 2005) Bodenart: kryoturbater Lehmsand aus Geschiebedecksand (Su2, AZ 40/42) Vorbewirtschaftung: ackerbauliche Nutzung Fruchtfolge: Hackfrucht: Silomais (bis 1993 Kartoffeln) Halmfrucht: Winterroggen (bis 2000 Winterweizen) Hackfrucht: Silomais (bis 1991 Zuckerrüben, 1969 Markstammkohl) Halmfrucht: Winterroggen (bis 1998 Sommergerste) Prüffaktoren: Prüffaktor A: organische N-Düngung mit Stalldung zur Hackfrucht Prüffaktor B: mineralische N-Düngung mit KAS Tab. 3.3.1.1: Organisch-mineralische N-Düngung in den Prüffaktoren (kg N ha-1) Prüfglied Prüffaktor A (kg Stalldung-N zur Hackfrucht) 1 2 3 4 5 1 Prüfglied 0 100 1 200 2 300 3 400 4 -1 2 -1 3 Prüffaktor B 1 2 3 4 5 -1 4 -1 (kg Mineral-N zur Hackfrucht) (kg Mineral-N zu G etreide) 0 60 120 180 240 0 40 80 120 (80/40) 160 (80/80) 18 t FM ha , 37 t FM ha , 54 t FM ha , 74 t FM ha (jeweils bei 25% TS) Prüfglieder: 25 87 Tab. 3.3.1.2: Organisch-mineralische N-Düngung der Prüfglieder (Fruchtfolgemittel, kg N ha-1a-1) Prüffaktor B mineralische N-Düngung Prüffaktor A organische Düngung Anlage: (kg N ha-1a-1) mit Stalldung 1. 2. 3. 4. 5. (kg N ha-1a-1) (0) (50) (100) (150) (200) 1 (0) 0 50 100 150 200 2 (50) 50 100 150 200 250 3 (100) 100 150 200 250 300 4 (150) 150 200 250 300 350 5 (200) 200 250 300 350 400 Zweisatzgitter mit 4 Wiederholungen Parzellengröße: 3,75 m x 9,00 m Parzellenanzahl: 100 Anlageplan: Block A Block B Block C Block D 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 3.5 4.5 5.5 1.5 2.5 3.2 3.1 3.3 3.5 3.4 4.3 1.3 5.3 2.3 3.3 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 2.4 1.4 5.4 3.4 4.4 2.5 2.2 2.4 2.1 2.3 4.2 2.2 1.2 5.2 3.2 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 5.3 2.3 3.3 1.3 4.3 1.2 1.5 1.4 1.1 1.3 5.1 4.1 1.1 2.1 3.1 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 1.2 3.2 4.2 5.2 2.2 4.5 4.3 4.1 4.4 4.2 5.5 2.5 1.5 4.5 3.5 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 3.1 5.1 2.1 1.1 4.1 5.3 5.5 5.2 5.4 5.1 2.4 4.4 1.4 3.4 5.4 Abb. 3.3.1.2: Anlage der Prüfglieder Düngung: N: organisch (Stalldung) und mineralisch (KAS) prüfgliedbezogen entsprechend Versuchsplan P, K: - keine Düngung des Prüfglieds 1.1 (Nullvariante) - sonstige Prüfglieder: 1967-1988: mineralisch zur Hackfrucht entsprechend der mit Stalldung verabreichten organischen P- bzw. K-Menge 88 ab 1989: mineralisch zur Hackfrucht entsprechend der mit Stalldung bei 200 kg Stalldung-N (Prüffaktor A, Prüfglied 3) verabreichten P- bzw. K-Menge Mg: Kalkung: im Rahmen der Kalkung (Mg-haltiger Kalkdünger) Erhaltungskalkung im Rahmen der Fruchtfolge (vierjährig: 40 dt CaO ha-1) Bodenbearbeitung: wendend mit Pflug (Pflugtiefe: 1967-1979: 25 cm, ab 1980: 30 cm) Pflegemaßnahmen: je nach Bedarf, an Standort-, Witterungs- und Bodenverhältnisse, Fruchtart und Unkrautentwicklung angepasst. Untersuchungen: Nährstoffzufuhr: Stalldung (TS, N, P, K, Mg) Ertrag: Haupt- und Koppelprodukt (FM) Nährstoffabfuhr: Haupt- und Koppelprodukt (TS, N, P, K, Mg) Boden: organische Substanz (Corg., Norg.), pH-Wert, P, K, Mg (0-30 cm: vierjährig, 30-60/60-90 cm: achtjährig) Begleitende Untersuchungen: Kontinuierliche Bodennährstoffuntersuchung (jährlich: Nmin, Smin; vierjährig: pH-Wert, P, K, Mg) ausgewählter Versuchsparzellen im Rahmen des Nährstoffmonitoring-Programms des Landes Brandenburg. Spezifische Aufgaben • Bemessung und Ausbringung von Stalldung nach definierten Stalldung-NMengen auf Grundlage des unmittelbar vor der Ausbringung bestimmten Stalldung-N-Gehaltes • abgestuft steigende N-Gaben in organisch gebundener (Stalldung) und mineralischer Form jeweils allein und in Kombination • seit Versuchsbeginn nur geringe Veränderung der Fruchtarten in der Hackfrucht-Halmfrucht-Fruchtfolge 89 Ergebnisse • Ausschließliche mineralische Stickstoffdüngung erbringt gegenüber der Nullvariante bis zu einem Düngungsniveau von 100 kg N ha-1a-1 einen deutlichen Ertragszuwachs, der sich nachfolgend abschwächt und ab 150 kg N ha-1a-1 stagniert (Tab. 3.3.1.3). Mit alleinigem Stalldungeinsatz fällt der Ertragszuwachs bis zu einer Ausbringmenge von 150 kg Stalldung-N ha-1a-1 deutlich geringer aus. Bei Applikation von 200 kg N ha-1a-1 werden mit beiden Düngungsformen identische Ertragsleistungen erzielt. Tab. 3.3.1.3: Mittlere Ertragsleistung (M4, Groß Kreutz, 1967-2004, dt TM ha-1a-1) organische Düngung mit Stalldung • mineralische N-Düngung (kg N ha-1a-1) (kg N ha-1 a-1) 0 50 100 150 200 0 34,7 65,5 75,8 80,4 80,2 50 57,2 76,9 84,2 87,5 87,6 100 68,1 83,6 86,7 88,6 91,5 150 73,9 86,8 90,2 90,5 92,2 200 79,6 88,8 91,8 91,0 93,3 Die Kombination von organischer Düngung und mineralischer N-Zufuhr führt bei gleichem N-Einsatz zu deutlich höheren Erträgen als bei jeweils alleiniger Anwendung, wobei der Mehrertragseffekt in stärkerem Maße von der Höhe der mineralischen N-Düngung beeinflusst wird. Der Ertragszuwachs nimmt bis zum Düngungsniveau von 150 kg N ha-1a-1 deutlich zu. Mit weiter steigendem N-Einsatz sind dagegen nur noch geringe Mehrerträge zu erzielen. Der standortspezifisch optimale Fruchtfolgeertrag kann folglich mit 150 kg N ha-1a-1 aus der Kombination von Stalldung und Mineraldüngung realisiert werden. • Differenzierte organisch-mineralische N-Düngung führt zu unterschiedlichen Humusgehalten im Boden. Ohne Düngung verminderte sich der Humusgehalt von zu Versuchsbeginn 0,653 auf aktuell 0,418 % Corg. bzw. von 0,056 auf 0,044 % Norg., bei höchster Düngungsintensität (200 kg Stalldung-N ha-1a-1 plus 200 kg Mineral-N ha-1a-1) stieg er auf 1,000 % Corg. bzw. 0,093 % Norg. an (Tab. 3.3.1.4). 90 • Im Zeitraum von 38 Versuchsjahren ohne organisch-mineralische N-Düngung vollzog sich in der Ackerkrume ein Humusabbau von zu Versuchsbeginn 27,7 t Corg. ha-1 bzw. 2,6 t Norg. ha-1 auf aktuell 19,8 t Corg. ha-1 bzw. 2,1 t Norg. ha-1. Die verbleibende Humusmenge entspricht dem standportspezifischen Vorrat an Dauerhumus (Tab. 3.3.1.5). • Durch Stalldungeinsatz wird eine Mehrung der Humusvorräte erzielt. Gegenüber alleinigem Stalldungeinsatz liegen bei Kombination von Stalldung mit NMineraldüngung höhere Humusvorräte vor. • Die Erhaltung bzw. Reproduktion der Bodenhumusvorräte wird mit einem mittleren jährlichen Stalldungeinsatz von 50 bis 100 kg N ha-1 bei gleichzeitig bedarfsgerechter N-Mineraldüngung sichergestellt. Höhere Stalldungmengen ermöglichen eine Humusmehrung, geringere führen zum Humusabbau. Tab. 3.3.1.4: Humusgehalte in der Ackerkrume1 (M4, Groß Kreutz, 2004, Corg. % / Norg. %) organische Düngung mit Stalldung (kg 1 • N ha-1 a-1) mineralische N-Düngung (kg N ha-1a-1) 0 50 100 150 200 0 0,418 / 0,042 0,560 / 0,054 0,592 / 0,055 0,565 / 0,054 0,574 / 0,055 50 0,592 / 0,055 0,660 / 0,063 0,601 / 0,059 0,724 / 0,068 0,621 / 0,060 100 0,684 / 0,066 0,776 / 0,074 0,775 / 0,072 0,949 / 0,088 0,923 / 0,082 150 0,870 / 0,080 1,017 / 0,092 0,945 / 0,086 0,929 / 0,089 0,984 / 0,091 200 0,952 / 0,088 1,187 / 0,111 0,919 / 0,088 1,043 / 0,096 1,000 / 0,093 Mittelwerte aus den Bodenuntersuchungen 2002/04, Krumentiefe 30 cm In Bilanzierung der organisch-mineralischen N-Zufuhren, der N-Abfuhren mit dem Pflanzenertrag, dem atmosphärischen N-Eintrag und der Änderungen im N-Bodenvorrat zeigt sich, dass bis zu einem Gesamt-N-Einsatz von 150 kg N ha-1a-1 mit alleiniger Mineral-N-Düngung und Düngerkombination N-Salden von unter 60 kg N ha-1a-1 realisiert wurden, während sich bei Einsatz von 150 kg Stalldung-N ha-1a-1 der N-Überschuss auf 75 kg N ha-1a-1 erhöht (Tab. 3.3.1.6). Die N-Ausnutzung beträgt 57-71 %. Ein geringes N-Düngungsniveau 91 (≤ 50 kg N ha-1a-1) führt zum Abbau des organischen N-Bodenvorrats, höhere N-Düngung (≥ 150 kg N ha-1a-1) dagegen zu beträchtlichen N-Verlusten. Tab. 3.3.1.5: Humusvorräte in der Ackerkrume (M4, Groß Kreutz, 2004, t Corg. ha-1 / t Norg. ha-1)1 organische Düngung mit Stalldung (kg 1 N ha-1 a-1) mineralische N-Düngung (kg N ha-1a-1) 0 50 100 150 200 0 19,8 / 2,0 25,9 / 2,5 27,3 / 2,5 26,2 / 2,5 26,7 / 2,5 50 27,3 / 2,5 30,4 / 2,9 27,8 / 2,7 33,1 / 3,1 28,6 / 2,8 100 31,2 / 3,0 35,2 / 3,4 35,0 / 3,2 41,7 / 3,9 40,9 / 3,7 150 38,8 / 3,6 44,7 / 4,0 41,9 / 3,8 41,1 / 3,9 43,2 / 4,0 200 41,6 / 3,9 51,4 / 4,8 40,7 / 3,9 45,9 / 4,2 44,2 / 4,1 berechnet aus Mittelwerten der Bodenuntersuchungen 2002/04 und der Lagerungsdichte nach Rühlmann (2007), Krumentiefe 30 cm Tab. 3.3.1.6: N-Bilanz und agronomische N-Effizienz (M4, Groß Kreutz, 1967-2004, kg N ha-1a-1 / %)1 organische Düngung mit Stalldung 1 mineralische N-Düngung (kg N ha-1a-1) (kg N ha-1 a-1) 0 50 100 150 200 0 -14 / 150 -5 / 106 +20 / 84 +49 / 73 +89 / 61 50 6 / 93 +26 / 80 +51 / 71 +84 / 63 +127 / 54 100 +39 / 69 +61 / 66 +94 / 59 +129 / 54 +168 / 49 150 +74 / 58 +99 / 56 +129 / 53 +171 / 48 +210 / 44 200 +113 / 50 +146 / 48 +176 / 46 +219 / 42 +258 / 40 N-Bilanz = N-Zufuhr - N-Abfuhr +/- Änderung im N-Bodenvorrat + N aus sonstigen Quellen; Agronomische N-Effizienz = N-Abfuhr/ (N-Zufuhr + N aus sonstigen Quellen) * 100 Literatur: Asmus, F. (1995). Ergebnisse aus einem langjährigen Dauerfeldversuch zur organisch-mineralischen Düngung auf Tieflehm-Fahlerde. Arch. Acker- Pfl. Boden 39: 359-367. Asmus, F. (1990). Versuch M4 Groß Kreutz – Wirkung organischer und mineralischer Düngung und ihrer Kombination auf Pflanzenertrag und Bodeneigenschaften. IN: Dauerfeldversuche – Übersicht, Entwicklung und Ergebnisse von Feldversuchen mit mehr als 20 Jahren Versuchsdauer. Akad. d. Landwirtschaftswiss. : 245-250. Kühn, D. und Hannemann, J. (2005). Soil profile in the long-term test area of Groß Kreutz near Potsdam. Arch. Acker-Pflanzenbau Bodenkd. 51: 125-134. 92 Zimmer, J., Roschke, M. und Schulze, D. (2006). Ermittlung des Bedarfs an organischer Substanz zur Humusreproduktion auf diluvialen Sandboden im Dauerfeldversuch M4 (Groß Kreutz, 1967-2004). Jahresbericht 2005 Landwirtschaft und Gartenbau.- Schriftenreihe des LVLF, Reihe Landwirtschaft, Band 7, Heft III, S. 49-51. Zimmer, J. und Prystav, W. (2004). Aktualisierte Evaluierung von Humusbilanzmethoden am Dauerfeldversuch M4 (Groß Kreutz). Jahresbericht 2004 Landwirtschaft und Gartenbau.- Schriftenreihe des LVLF, Reihe Landwirtschaft, Band 6, Heft 6, S. 47-49. Zimmer, J. und Roschke, M. (2001). Einfache Reproduktion der organischen Bodensubstanz auf Sandstandorten – Erfahrungen aus Dauerversuchen im Land Brandenburg. 113. VDLUFA-Kongress „Landwirtschaft in mittel- und osteuropäischen Ländern – Potenziale und deren Nutzung“ vom 17. bis 21 September 2001 in Berlin. Kongressband. VDLUFA-Schriftenreihe 57/2001. Teil II. CD-ROM. S. 481489. 3.3.2 Dauerfeldversuch P60, Groß Kreutz (seit 1959) Organisch-mineralische Düngung J. Zimmer Abb. 3.3.2.1: Nulldüngungsparzelle mit Silomais (Prüfglied 1) Zielsetzung Erarbeitung, Aktualisierung und Weiterentwicklung der fachlichen Grundlagen des landwirtschaftlichen Bodenschutzes im Land Brandenburg und von Richtwerten, Handlungsanleitungen und Empfehlungen zur Umsetzung der guten fachlichen Praxis der landwirtschaftlichen Bodennutzung (§ 17 BBodSchG) 93 Aufgabenstellung Untersuchungen zu den nachhaltigen Auswirkungen verschiedener Formen und Mengen organischer (Stroh, Gründüngung, Gülle, Stalldung) und mineralischer Düngung einschließlich ihrer Kombinationen auf den Pflanzenertrag, den Bodenhumusgehalt, die Humusreproduktion, die Nährstoffeffizienz und weitere stoffliche Bodeneigenschaften im Vergleich zur alleinigen Mineraldüngung: Ausgewählte Fragestellungen: • Bestimmung und Bewertung der Ertrags- und Humusreproduktionswirkung von Stroh- und Gründüngung auf leichtem Sandboden • Quantifizierung der Auswirkungen verschiedener Kombinationen und Mengen organischer und mineralischer Düngung auf den Ertrag, die Humusreproduktion und den Nährstoffausnutzung • Bestimmung des Einflusses von verschiedenen Formen organischer und mineralischer Düngung auf die stofflichen Bodeneigenschaften • Bewertung der C- und N-Bilanzen Standort/Bewirtschaftung Lage: Gemeinde/Gemarkung Groß Kreutz Bodenform: Tieflehm-Fahlerde/Bändersand-Braunerde, FAO: Albic Luvisol/ Luvic Arenosol (Asmus, 1990) Bodenart: anlehmiger Sand (Sl, AZ 33/31) Vorbewirtschaftung: ackerbauliche Nutzung Fruchtfolge: Hackfrucht: Silomais (bis 1993 Kartoffeln) 1. Halmfrucht: Winterroggen (bis 1978 Hafer, 1990 Erbsen) 2. Halmfrucht: Winterroggen Versuchsanlage: Blockanlage mit 4 Wiederholungen Parzellengröße: 5,1 m x 8,0 m Parzellenanzahl: 72 94 Versuchsumstellungen: 7 16.... 6 9 2 13.. 10 8 1 12 11 5 4 3 14 15 18 17 1959-70: Dreifachanlage des Versuchs 1971: Änderung der Düngerausbringmengen in ausgewählten Prüfgliedern und Umstellung der Düngung in den Prüfgliedern 16-18 Block D 18 1 11 3 9 13... 16... 14.. 8 17 10 5 12 15 7 6 2 4 1980: Änderung der Mineraldüngerausbringmengen Block C 6 4 7 2 ...13 ...14 9 16.. 3 5 15 10 12 11 17 1 8 18 12 17 8 15 1 18 10 11 5 2 14... 16... 4 9 3 7 13 6 Block B N Block A Abb. 3.3.2.2: Anlageplan der Prüfglieder Prüfglieder: Tab. 3.3.2.1: Organische Düngung der Prüfglieder (dt FM ha-1) Nr. neu (alt1) organische Düngung ohne Düngung - 1 (14) 2 (1) Stalldung (ohne NPK) 500 dt Stalldung zur Hackfrucht 3 (6) Stroh ohne N-Ausgleich 50 dt Stroh 4 (4) Mineraldünger - 5 (18) Gründüngung Gründüngung 6 (9) Gründüngung mit Stroh Gründüngung + 50 dt Stroh zur Hackfrucht 7 (7) Stroh mit N-Ausgleich 50 dt Stroh zur Hackfrucht 8 (12) 0,5 Stalldung 250 dt Stalldung zur Hackfrucht 9 (13) Mineraldünger (N erhöht) - 2 3 10 (16) Gülle I mit Stroh 11 (17) Gülle II mit Stroh 2 100 m3 Gülle + 50 dt Stroh zur Hackfrucht 12 (10) 0,5 Stalldung (N erhöht) 250 dt Stalldung zur Hackfrucht 50 m Gülle + 50 dt Stroh zur Hackfrucht 13 (8) 2 x Stroh ohne N-Ausgleich je 50 dt Stroh zu Hackfrucht und Getreide 14 (2) Stalldung 500 dt Stalldung zur Hackfrucht 15 (5) Mineraldünger (N hoch) 16 1 Prüfglied (seit 1959) 3 (3) Mineraldünger (N sehr hoch) 17 (11) 2 x Stroh mit N-Ausgleich 3 je 50 dt Stroh zu Hackfrucht und Getreide 18 (15) Gülle I 3 50 m3 Gülle zur Hackfrucht 1959-2003, 2 seit 1966, 3 - seit 1980 95 Tab. 3.3.2.2: N-Mineraldüngung der Prüfglieder seit 1980 (KAS, kg N ha-1) Nr. neu (alt1) Prüfglied (seit 1959) Hackfrucht (Silomais) 1. Halmfrucht (WRoggen) 2. Halmfrucht (WRoggen) ohne Düngung - - - 1 (14) 2 (1) Stalldung (ohne NPK) - - - 3 (6) Stroh ohne N-Ausgleich 120 90 90 4 (4) Mineraldünger 120 90 90 5 (18) Gründüngung 120 90 90 6 (9) Gründüngung mit Stroh 120 90 90 7 (7) Stroh mit N-Ausgleich 150 90 90 8 (12) 0,5 Stalldung 120 90 90 9 (13) Mineraldünger (N erhöht) 180 120 120 10 (16) Gülle I mit Stroh 2 120 90 90 11 (17) 2 Gülle II mit Stroh 12 (10) 120 90 90 0,5 Stalldung (N erhöht) 150 120 120 13 (8) 2 x Stroh ohne N-Ausgleich 120 90 90 14 (2) Stalldung 120 90 90 15 (5) Mineraldünger (N hoch) 150 120 120 16 (3) Mineraldünger (N sehr hoch) 3 210 150 150 120 90 90 120 90 90 17 (11) 2 x Stroh mit N-Ausgleich Gülle I3 18 (15) 1 1959-2003, 2 seit 1966, 3 3 seit 1980 Düngung: N: - organisch: prüfgliedbezogen entsprechend Versuchsplan (Tab. 3.2.2.1) - mineralisch: 1959-1979: prüfgliedbezogen 40-120 kg N ha-1a-1 ab 1980: entsprechend Versuchsplan (Tab. 3.2.2.2) P: - organisch: prüfgliedbezogen entsprechend Versuchsplan (Tab. 3.2.2.1) - mineralisch: keine Düngung der Prüfglieder 1 und 2 Sonstige Prüfvarianten: 1959-1979: prüfgliedbezogen 15-30 kg P ha-1a-1 ab 1980: prüfgliedbezogen 30-40 kg P ha-1a-1 K: - organisch: prüfgliedbezogen entsprechend Versuchsplan (Tab. 3.2.2.1) - mineralisch: keine Düngung der Prüfglieder 1 und 2 Sonstige Prüfvarianten: 1959-1979: prüfgliedbezogen 40-100 kg K ha-1a-1 ab 1980: prüfgliedbezogen 100-160 kg K ha-1a-1 Mg: - im Rahmen der Kalkung (Mg-haltiger Kalkdünger) Kalkung: Erhaltungskalkung im Rahmen der Fruchtfolge (dreijährig: 30 dt CaO ha-1) 96 Bodenbearbeitung: wendend mit Pflug (Pflugtiefe: 1959-1979: 20 cm, ab 1980: 30 cm) Pflegemaßnahmen: je nach Bedarf, an Standort-, Witterungs- und Bodenverhältnisse, Fruchtart und Unkrautentwicklung angepasst. Untersuchungen: Nährstoffzufuhr: - Stroh (TS, N, P, K, Mg) - Rindergülle (TS, org. Substanz, pH-Wert, N, P, K, Mg) - Stalldung (TS, org. Substanz, pH-Wert, N, P, K, Mg) Ertrag: - Haupt- und Koppelprodukt (FM) Nährstoffabfuhr: - Haupt- und Koppelprodukt (TS, N, P, K, Mg) Boden: - organische Substanz (Corg., Norg.), pH-Wert, P, K, Mg, (0-30 cm: dreijährig, 30-60 und 60-90 cm: neunjährig) Begleitende Untersuchungen: Kontinuierliche Bodennährstoffuntersuchung (jährlich: Nmin, Smin; vierjährig: pH-Wert, P, K, Mg) ausgewählter Versuchsparzellen im Rahmen des Nährstoffmonitoring-Programms des Landes Brandenburg. Spezifische Aufgaben • Langjährige Strohdüngung und Kombination mit Rindergülle-, Grün- und NAusgleichsdüngung bei unabhängig vom Strohertrag jeweils konstanten Strohdüngungsmengen • Gülle- und Gründüngung jeweils allein und in Kombination mit Strohdüngung • Bemessung und Ausbringung von Gülle entsprechend der mit Stalldung ausgebrachten N-Menge an Hand des unmittelbar vor Ausbringung bestimmten Gülle-N-Gehaltes • Langjähriger direkter Vergleich von exakt definierten Kombinationen organisch-mineralischer N-Düngung 97 Ergebnisse • Das standortspezifisch optimale Ertragsniveau (64-70 dt TM ha-1a-1) wird bei Kombination von organisch-mineralischer Düngung und alleiniger N-Mineraldüngung mit einem mittleren jährlichen Gesamt-N-Einsatz von 81-101 kg N ha-1 erreicht (Tab.3.3.2.3). Bei resultierenden N-Salden von weniger als 60 kg N ha-1a-1 beträgt die mittlere N-Abfuhr im Ertrag ca. 78-87 kg N ha-1a-1. Dies entspricht einer Ausnutzung der organisch-mineralischen N-Dünger-Zufuhr (inklusive sonstiger N-Quellen) von 63-74%. Mit höherem Gesamt-N-Einsatz an organisch-mineralischer und alleiniger mineralischer Düngung (126-201 kg N ha-1a-1) werden wenn, dann nur geringe Mehrerträge erzielt. Gleichzeitig ist die Mehrung im N-Bodenvorrat, auch bei sehr hoher Düngung mit Stalldung und Gülle-StrohKombination, auf 2,4-2,9 t N ha-1 (8-20 kg N ha-1a-1) begrenzt, so dass eine erhöhte N-Zufuhr nahezu vollständig als unproduktiver N-Bilanzüberschuss verbleibt. • Stroh mit N-Ausgleich, Gründüngung mit Stroh und 2 x Stroh in Kombination mit bedarfsgerechter N-Mineraldüngung (84-90 kg N ha-1a-1) sind auf Grund der erzielten Erträge, der nahezu unveränderten C- und N-Bodenvorräte, der geringen N-Überschüsse (41-51 kg N ha-1a-1) und der hohen agronomischen N-Effizienz eindeutige Vorzugsvarianten aller geprüften Düngerkombinationen. • Die Humusreproduktion kann mit der jährlichen Zufuhr von 19-30 dt TM ha-1 aus organischen Düngern (ca. 0,8-1,2 t C ha-1) abgesichert werden. Dies entspricht dem Stalldunganfall bei einem Viehbesatz von ca. 1 GV ha-1 bzw. dem Verbleib von mindestens 50 % des Strohanfalls zur Düngung auf dem Feld. Eine Mehrung der C- und N-Bodenvorräte wird wenn, dann nur mit höherem Aufwand an organisch-mineralischer Düngung erzielt und ist gleichzeitig mit einer Abnahme der Humusreproduktionsleistungen der organischen Dünger, nach DüV unzulässig hohen N-Überschüssen (> 60 kg N ha-1a-1) und einer geringeren agronomischen N-Effizienz (< 60%) verbunden. • Stalldungeinsatz führte im Vergleich zum Versuchsbeginn zu einer deutlich Mehrung der C- und N-Vorräten in der Ackerkrume (von 22,5 auf 26,9-31,4 t C ha-1 bzw. von 2,2 auf 2,5-2,9 t N ha-1). Die Humusreproduktionsleistung von Stalldung 98 wird wesentlich vom Einsatz oder Verzicht auf mineralische N-Düngung (Prüfglieder 2 und 14) und der Menge an ausgebrachtem Stalldung (Prüfglieder 8 und 14) beeinflusst. • Strohdüngung führte in allen Prüfgliedern zu einer Humusmehrung. Bei gleichen Strohmengen wurde mit Erhöhung des N-Mineraldüngung von 73 (Prüfglied 3) auf 87 kg N ha-1a-1 (Prüfglied 7) eine deutliche Verbesserung der Humus-C-Mehrung (von 23,1 auf 24,7 t C ha-1) erzielt. Höhere Strohgaben (Prüfglieder 13 und 17) in Verbindung mit leicht erhöhtem Mineral-N-Einsatz (bis 113 kg N ha-1a-1) erbrachten höhere C-Bodenvorräte (24,6 bzw. 26,5 t C ha-1). Die Humuswirkung von Stroh wird folglich durch die verabreichten Strohmengen und bei geringem Gesamt-N-Düngungsniveau auch durch die Höhe der N-Mineraldüngung mitbestimmt. • Bei Kombination von Gründüngung mit N-Mineraldüngung (Prüfglied 5) verminderte sich der C-Bodenvorrat von zu Versuchsbeginn 22,5 auf aktuell 21,0 t C ha-1. Dieser Humus-C-Verlust übertrifft damit sogar den der vergleichbaren Intensitätsstufe alleiniger N-Mineraldüngung (Prüfglied 4: aktuell 22,0 t C ha-1). Im Gegensatz hierzu erbrachte die Kombination von Grün- und NMineraldüngung mit Strohdüngung (Prüfglied 6) eine C-Mehrung auf 24,3 t C ha-1. Zu schlussfolgern ist, dass mit Gründüngung allein, d.h. ohne ergänzende TM-Zufuhr, die Humusreproduktion auf diluvialen Standorten nicht abzusichern ist. • Bei vergleichbaren Mengen an organischem Dünger und N-Mineraldüngung erbringen die Gülle-Stroh-Kombination (Prüfglied 10) und der Stalldung allein (Prüfglied 8) nahezu identische Bodenhumusvorräte. Folglich wurden mit Gülle und Stroh bzw. Stalldung gleiche Humusreproduktionsleistungen erzielt. Bei weiterer Erhöhung der Gülleausbringmenge (Prüfglied 11) trifft dies gegenüber Stalldung (Prüfglied 14) zwar noch auf den N-Vorrat, nicht mehr jedoch auf den CVorrat zu. Für steigende Güllegaben wäre somit analog zu steigenden Stalldung(siehe Prüfglied 4) und Strohgaben (siehe Prüfglied 5) von einem Rückgang der Humus-C-Wirkung auszugehen. 99 Tab. 3.3.2.3: Mittlere Ertragsleistung, aktuelle Humusgehalte und -vorräte, N-Abfuhr, N-Bilanz und agronomische N-Effizienz P60, 1959-2003 Düngungsvariante organ. min. Nr. Bezeichnung kg N ha-1a-1 vor Versuchsbeginn 6 1 ohne Düngung 0 0 1 TM-Ertrag gesamt 1 dt TM Humusgehalt 2 % Corg. % Norg. Humusvorrat 3 tC tN Abfuhr NBilanz 4 Effizienz 5 kg N kg N % ha-1 32,6 0,497 0,041 22,5 20,7 ha-1a-1 2,2 1,9 37 0 100 2 Stalldung (ohne NPK) 81 0 51,9 0,600 0,056 27,8 2,6 63 54 54 3 Stroh ohne N-Ausgleich 8 73 64,1 0,493 0,045 23,1 2,1 78 39 67 4 Mineraldünger 0 82 65,6 0,468 0,043 22,0 2,0 81 38 68 5 Gründüngung 0 83 67,7 0,445 0,044 21,0 2,1 86 34 74 6 Gründüngung mit Stroh 8 84 69,8 0,519 0,050 24,3 2,3 87 41 71 7 Stroh mit N-Ausgleich 8 87 67,7 0,528 0,044 24,7 2,0 85 48 63 8 0,5 Stalldung 42 82 74,0 0,578 0,055 26,9 2,5 93 72 56 9 Mineraldünger (N erhöht) 0 94 66,2 0,452 0,040 21,3 1,9 84 48 64 12 0,5 Stalldung (N erhöht) 42 120 71,8 0,535 0,056 27,6 2,6 98 100 50 13 2 x Stroh 12 90 69,9 0,527 0,049 24,6 2,3 87 51 63 14 Stalldung 73 51 63,2 0,685 0,064 31,4 2,9 81 81 50 15 Mineraldünger (N hoch) vor Versuchsbeginn 7 - 129 68,7 0,486 0,045 22,8 21,6 2,1 2,1 94 72 57 10 Gülle I mit Stroh 42/8 90 70,1 0,565 0,052 26,3 2,4 92 84 52 11 Gülle II mit Stroh 1979 (vor Versuchsbeginn) 8 76/8 90 72,5 0,583 0,055 27,0 24,1 2,6 3,1 98 114 46 16 Mineraldünger (N sehr hoch) - 198 74,5 0,512 0,047 24,0 2,2 113 130 46 17 18 2 x Stroh mit N-Ausgleich Gülle I 15 103 113 96 65,8 70,3 0,570 0,569 0,052 0,052 26,5 26,4 2,4 2,4 86 101 87 143 50 41 2 , 3 aus jährlich n=4 für jeweils Haupt- und Koppelprodukt, Ausreißertest nach Dean und Dixon; Bodenuntersuchung 2003, n=4, Ausreißertest nach Dean und Dixon; berechnet aus Boden4 untersuchung 2003 und Lagerungsdichte nach Rühlmann (2007), Ackerkrumentiefe 30 cm; N-Bilanz = N-Zufuhr - N-Abfuhr +/- Änderung im N- Bodenvorrat + N aus sonstigen Quellen; 5 6 7 agronomische N-Effizienz = N-Abfuhr/(N-Zufuhr + N aus sonstigen Quellen) * 100; Mittelwert aus Bodenuntersuchungen 1958/62; Mittelwert aus Bodenuntersuchungen 1964/65, n=4; 8 Mittelwert aus Bodenuntersuchungen 1979/82, n=6 100 Literatur: Asmus, F.; Görlitz, H. und Blütchen, G. (1990). Ergebnisse aus einem 30jährigen Dauerversuch zu Fragen der organischen Düngung auf Tieflehm-Fahlerde in Groß Kreutz. Arch. Acker- Pflanzenbau Bodenkd. 34 (5): 329-336. Asmus, F. (1990). Versuch P60 Groß Kreutz – Prüfung verschiedener Möglichkeiten der organischen Düngung. IN: Dauerfeldversuche: Übersicht, Entwicklung und Ergebnisse von Feldversuchen mit mehr als 20 Jahren Versuchsdauer. 2. Auflage, Akad. d. Landwirtschaftswiss: 231-243. Völker, U., Asmus, F. und Görlitz, H. (1984). Wirkung von Stalldung, Gülle und Stroh auf die Reproduktion der organischen Substanz von Tieflehm-Fahlerde und Sandlehm-Parabraunerde. Arch. Acker-Pflanzenbau u Bodenkd. 25:595-601. Zimmer, J. und Roschke, M. (2005). Humusreproduktion von Stalldung, Stroh und Gülle-Stroh-Kombination auf humusarmen diluvialen Sandböden. 117. VDLUFAKongress „Kreislaufwirtschaft in der Landwirtschaft – quo vadis?“ vom 27. bis 30. September in Bonn, Kongressband, Bonn, VDLUFA-Schriftenreihe 61, CD-ROM, 441-449. Zimmer, J., Roschke, M. und Schulze, D. (2005): Influence of different treatments of organic and mineral fertilization on yield, soil organic matter and N-balance of diluvial sandy soils – results after 45 years long-term field experiment P60 (Groß Kreutz, 1959-2003) (in German). Arch. Agron. Soil Sci. 51(2): 135-149. 3.3.3 Fazit aus den Dauerfeldversuchen P60 und M4 (Groß Kreutz, 1959-2004) J. Zimmer • Die Humusreproduktion kann auf humusarmen diluvialen Ackerböden Brandenburgs durch eine mittlere jährliche Zufuhr von ca. 75 kg Stallmist-N ha-1 (ca. 150 dt Stalldung ha-1a-1) bei gleichzeitig bedarfsgerechter mineralischer NDüngung (50-100 kg N ha-1a-1) gesichert werden. Hierzu wäre ein Viehbesatz von ca. 1,5 GV ha-1 erforderlich. Die Viehbesatzdichte liegt in Brandenburg jedoch bei 0,4 GV ha-1 Ackerfläche. Folglich kann die Humusreproduktion allein durch Zufuhr organischer Dünger aus der heimischen Tierproduktion nicht abgesichert werden. • Insbesondere mit Strohdüngung, aber auch der Kombination von Stroh- und Gründüngung, stehen jedem Landwirt zur Humusreproduktion dennoch ausreichend eigene Möglichkeiten zur Verfügung. Eine Zufuhr betriebsfremder organischer Dünger ist nicht erforderlich. In getreidebetonten Fruchtfolgen kann dies bereits durch eine jährliche Strohdüngung von 20 - 30 dt TM ha-1a-1 erreicht werden. 101 • Humusmehrung ist auf typisch Brandenburger Böden kaum möglich und würde unabhängig von der Wahl der Düngerkombination stets mit gemäß DüV unzulässig hohen Stickstoffüberhängen verbunden sein. Eine derart gestaltete praktische Bodenbewirtschaftung steht ökologischen Zielen entgegen, wäre ökonomisch nicht sinnvoll und widerspricht der guten fachlichen Düngungspraxis (Abb. 3.3.3.1). Düngerzufuhr TM-Ertrag N-Bilanz Corg. % < + 10 % 1,0 0,9 > 60 kg N > 140 kg org.- min.-N 0,8 (35 t C) 0,7 85 dt TM 90 - 140 kg org.- min.-N < 60 kg N (20 - 30 dt org. Dünger-TM) 0,6 (28 t C) 0,5 67 dt TM < 90 kg org.- min.-N 0,4 (21 t C) > - 50 % Dauerhumus 0 10 20 30 40 Jahre Abb. 3.3.3.1: Nachhaltige Humusreproduktion auf diluvialen Ackerböden Brandenburgs unter Berücksichtigung von Ertrag, Düngung und N-Bilanz (P60/M4, ha-1a-1) 102 3.4 Müncheberg und Paulinenaue, ZALF 3.4.1 Müncheberger Nährstoffsteigerungsversuch, V140 D. Barkusky Problem- und Zielstellung Um die Wirkung von mineralischer und organischer Düngung auf Ertrag und Bodenfruchtbarkeit untersuchen und Algorithmen für Düngungsempfehlung ableiten zu können, sind Langzeituntersuchungen erforderlich. Die gegenwärtig geführte Diskussion zur Nachhaltigkeit wirft aber auch Fragen zu umwelt- und klimarelevanten Auswirkungen der Bodennutzung, zum Erhalt der Regelungs-, Nutzungs- und Kulturfunktionen der Böden, zur Belastbarkeit von Agrarökosystemen sowie Balance von Ökonomie und Ökologie bei landwirtschaftlicher Produktion auf. Der Müncheberger Nährstoffsteigerungsversuch bietet zur Klärung dieser aktuellen Probleme eine fundierte Datenbasis. Versuchsfrage Die Forschungen konzentrierten sich in jüngerer Zeit auf die Untersuchung des Einflusses der Bodennutzung auf die C- und N-Bilanz sowie auf die Emission klimarelevanter Spurengase. Standortbeschreibung: Lage: Gemarkung Müncheberg Bodenform: Rosterde, Braunerde, Fahlerde Bodenart: schwach schluffiger, schwach lehmiger Sand (Su2, Sl2) Vorbewirtschaftung: einheitlich bewirtschaftete Versuchsfläche Versuchsbeschreibung Versuchsbeginn: 1963 Versuchsschema: zweifaktorielle Blockanlage (A x B) - Bl, vollständig randomisiert, ohne Landwechsel Prüffaktor A – mineralische Düngung: 5 Steigerungsstufen und Nullvariante (vgl. Tab. 3.4.1.1) 103 Tab. 3.4.1.1 :Faktorenkombinationen und Düngermengen (Mittel der Fruchtfolge) Varianten PK NPK1 NPK2 NPK3 NPK4 NPK5 NPK1 + Stm1 NPK2 + Stm1 NPK3 + Stm1 NPK4 + Stm1 NPK5 + Stm1 NPK1 + Stm2 NPK2 + Stm2 NPK3 + Stm2 NPK4 + Stm2 NPK5 + Stm2 NPK1 + Stroh NPK2 + Stroh NPK3 + Stroh NPK4 + Stroh NPK5 + Stroh N 0 49 86 115 154 189 32 68 114 138 168 8 49 75 115 148 56 87 119 139 164 Düngung 1963 bis 1998 Stalldung/Stroh mineralisch, kg·ha-1·a-1 t·ha-1·a-1 TM P K 11 38 0 30 121 0 35 136 0 37 145 0 42 163 0 46 177 0 27 105 1,2 30 121 1,2 36 140 1,2 38 150 1,2 41 159 1,2 25 102 3,2 30 120 3,2 31 124 3,2 36 144 3,2 41 157 3,2 29 106 2,0 33 121 2,0 37 137 2,0 39 140 2,0 40 146 2,0 Prüffaktor B – organische Düngung: b1 - ohne organische Düngung b2 - 1,2 t·ha-1·a-1 Stalldung (Stm1) b3 - 3,2 t·ha-1·a-1 Stalldung (Stm2) b4 - 2,0 t·ha-1·a-1 Strohdüngung Anzahl Prüfglieder: 21 Anzahl Wiederholungen: 8 Die Fruchtfolgen wechselten über die Jahre. Angebaut wurden: 1963 - 1970: Mais - WR - KAR - WR - KAR – SW- ZR - SG 1971 - 1980: Mais - WR - KAR - WW - ZR - SG - ZR - SG - ZR - SG 1981 - 1990: ZR - SG - Kart. - WW - ZR - SG - KAR - WW 1991 - 1998: KAR - WW - ZR - WW – Mais - WR - Öllein - WR ab 1999: Öllein - WR (P) - KAR - SG - Futtererbsen - WW – Mais - WR (H) 104 Die mineralische N-Düngung erfolgte in Form von Kalkammonsalpeter (KAS). Stalldung wurde zu Zuckerrüben, Kartoffeln und Mais ausgebracht. Nach Getreide wurde den Varianten entsprechend Stroh gedüngt. Die Phosphor- und Kaliumdüngung wurde bis 1993 analog den N-Düngungsstufen gesteigert (Tab. 3.4.1.1) und ab 1994 einheitlich über alle Düngungsvarianten in Höhe des mittleren Entzugs der Feldfrüchte vorgenommen. Verwendet wurden Superphosphat, Kamex, Kali 60, Re-Ka-Phos und Thomasphosphatkali. Die Nullvariante erhielt keine Grunddüngung, ausgenommen in den Jahren 1977 bis 1982. Gekalkt wurde auf der gesamten Versuchsfläche einheitlich nach Bedarf. Gepflügt wurde jährlich zur Hauptfrucht 20 bis 25 cm, in Einzeljahren vor Zuckerrüben bis 30 cm tief. Aussaat und Bestandesführung erfolgten einheitlich nach guter fachlicher Praxis. Untersuchungs- und Prüfmerkmale Erträge: Haupt- und Koppelprodukt (FM, TM) Nährstoffentzug: N, P, K, Mg, in ausgewählten Jahren Ct Boden: Corg, Nt, pH, PDL, KDL, Mg (bis 1998 alle 2 Jahre 0 bis 25 cm, 25 bis 50 cm Tiefe) Ergebnisse Pflanze Im Mittel der Jahre 1963 bis 1998 wurden bei optimaler Nährstoffversorgung Erträge von 6,8 bis 7,0 t·ha-1 GE (Getreideeinheit) erzielt. Eine deutliche Ertragsdifferenzierung der untersuchten Prüfgliedkombinationen war nach 15 Jahren sichtbar (Abb. 3.4.1.1). Die über die C-Konzentration in der Pflanzentrockenmasse von Haupt- und Nebenprodukt berechnete temporäre CO2-Bindung erreichte Optimalwerte von 14 bis 15 t·ha-1·a-1 CO2 (Rogasik u.a., 1999). In der Variante mit nahezu ausschließlicher organischer Düngung (NPK1+ Stm2) war die GE-Leistung der Fruchtfolge um mehr als 30 % und auf den nicht mit Stickstoff gedüngten Parzellen (Nullvariante) um mehr als 50 % geringer als bei kombinierter mineralisch-organischer Düngung. Dementsprechend war auch die C-Bindung im Boden geringer. Das Ziel einer nachhaltigen Landnutzung sollte es jedoch sein, ein hohes Ertragsniveau bei gleichzeitig geringen C- und N-Verlusten zu erreichen. Die N-Optima der 105 -1 250 t·ha GE, kumulativ 200 150 100 50 0 1963 1968 1973 ohne Düngung NPK1 + Stm2 1978 1983 NPK4 NPK4 + Stm2 Jahre 1993 1998 1988 NPK4 + Stm1 NPK4 + Stroh Abb. 3.4.1.1: Einfluss der Düngung auf den GE-Ertrag (1963 bis 1998, kumulativ) Getreideeinheitenschlüssel (GE) aus „Faustzahlen…“ (1993) mineralischen N-Düngung für die Sicherung hoher Erträge und einer hohen temporä- Corg, mg [100 g Boden]-1 ren CO2 -Senke betrugen im Mittel der Jahre bei ausschließlich mineralischer 630 600 570 540 510 480 450 420 390 Jahr 1963 1966 1970 1973 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2004 ohne Düngung NPK4 + Stm2 NPK4 NPK4 + Stroh NPK4 + Stm1 NPK1 + Stm2 Abb. 3.4.1.2: Einfluss mineralischer und organischer Düngung auf den Corg- Gehalt im Boden in 0 bis 25 cm Tiefe (1963 bis 1998) 106 Düngung 157 kg·ha-1 N, bei NPK+Stm1 125 kg·ha-1 N, bei NPK+Stm2 103 kg·ha-1 N und bei NPK mit Strohdüngung 119 kg·ha-1 N. Boden Die Zufuhr von organischer Substanz hat auf Sandboden entscheidenden Einfluss auf die Humusanreicherung (Abb. 3.4.1.2, Tab. 3.4.1.2). Nur mit ausgewogener mineralisch-organischer Düngung war es möglich, ein Absinken des Humusgehaltes im Boden zu verhindern. Dagegen führte die Reduzierung organischer Düngung bis hin zu rein mineralischer N-Düngung auf Dauer zu Corg-Verlusten. Tab. 3.4.1.2: Differenzierung der organischen Bodensubstanz (0-50 cm) in Abhängigkeit von der Düngungsintensität nach 35 Versuchsjahren (Rogasik u.a. 1999) Variante NPK2 NPK3 NPK4 NPK2+Stroh NPK3+Stroh NPK4+Stroh NPK2+ Stm1 NPK3+ Stm1 NPK4+ Stm1 NPK2+ Stm2 NPK3+ Stm2 NPK4+ Stm2 N-Düngung mineralischorganisch kg·ha-1·a-1 88 117 156 111 148 171 100 144 169 124 152 192 Corg-Pool t.ha-1 C 25,2 23,6 24,4 24,4 27,6 27,5 25,8 25,9 27,9 30,1 28,9 30,4 Neben der direkten Zufuhr von Nährstoffen aus organischer und mineralischer Düngung werden durch Ernte- und Wurzelrückstände dem Boden C- und N-Mengen gemäß Tabelle 3.4.1.3 zugeführt. Der Gehalt an organischer Substanz im Boden korreliert eng mit den N-Bilanzsalden (Abb. 3.4.1.3). Für die Aufrechterhaltung des Humusvorrates im Boden ist ein N-Bilanzüberschuss von 30 bis 40 kg·ha-1 notwendig. Darüber hinaus steigende N-Salden entsprechen steigenden N-Verlusten. 107 Tab. 3.4.1.3: C- und N-Eintrag in den Oberboden durch Wurzel- und Ernterückstände nach Winterroggen 1996 (ROGASIK 1999) Wurzeln, kg·ha-1 Düngung mineral. N kg·ha-1·a-1 Stalldung t·ha-1·a-1 TM 70 105 1,2 3,2 Ernterückstände, kg·ha-1 Bodenschicht 0 bis 20 cm N 7,3 15,8 C N C 455 655 0.5 0.9 12 17 Fazit Nachhaltig im Sinne der Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit und Erhaltung der CSenkenfunktion des Bodens bedeutet, eine am Bedarf der Pflanze orientierte Nährstoffversorgung zu sichern. Eine Minderung der Bewirtschaftungsintensität durch kostenbedingte Reduzierung des Düngeraufwandes führt zu verringerter Biomasseproduktion und Corg-Verlusten im Boden. ∆ Corg., mg [100 g Boden]-1 80 60 40 20 0 y = -37,3 + 1,12 x r = 0,72 ungedüngt NPK NPK+Stm1 NPK+Stm2 NPK+Stroh -20 -40 -60 -80 -100 -120 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 Abb. 3.4.1.3: Veränderungen der organischen Bodensubstanz (Δ Corg) als Funktion der N-Bilanz (1992/94 gegenüber 1963, Profiltiefe 0-25 cm) (Rogasik u.a. 1999) Literatur: Rogasik, J.; Schroetter, S.: Der Müncheberger Nährstoffsteigerungsversuch : Effekte kombinierter organisch-mineralischer Düngung auf Nährstoffbilanzen und Entwicklung der Bodenfruchtbarkeit. UFZ-Bericht / UFZ-Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle 24 (1999). - S. 33-36 108 Faustzahlen für Landwirtschaft und Gartenbau (). Herausgegeben von Hydro-Agri Dülmen GmbH. 12. überarbeitete, ergänzte und erweiterte Auflage. Gesamtherstellung: Landwirtschaftsverlag GmbH Münster-Hiltrup. (1993). - 618 S. 3.4.2 Bewirtschaftungsversuch V760 Untersuchung von Anbausystemen unterschiedlicher Bewirtschaftungsintensität hinsichtlich ihrer Ertragsfähigkeit und Klimarelevanz D. Barkusky Problem- und Zielstellung Intensive landwirtschaftliche Produktion ist mit erheblichen Aufwendungen für Bodenbearbeitung, Düngung und Pflanzenschutzmittel verbunden, die wiederum ein erhebliches Risiko durch Schadverdichtungen und Bodenerosion, laterale Auswaschung und oberflächige Verlagerung von Nährstoffen und Pflanzenschutzmitteln mit sich bringen. Ziel des Versuches war die Entwicklung aufwandsverminderter, boden- und umweltschonender Landnutzungssysteme, die gleichzeitig ein hohes Ertragsniveau und eine gute Qualität des Erntegutes sichern. Im Weiteren ging es um die Klärung des Einflusses der Bodenbearbeitung auf die temporäre C-Senke des Bodens und die Emission klimarelevanter Gase. Der Schwerpunkt lag in der Reduzierung der Bodenbearbeitung bis hin zum weitgehenden Verzicht auf das Pflügen. Um die Auswirkungen reduzierter Bodenbearbeitung auf Boden und Pflanze besser verstehen zu können, waren die Faktoren mineralische N-Düngung, organische Düngung und Beregnung wichtige ergänzende Versuchsfaktoren. Versuchsfrage Entwicklung aufwandsreduzierter, nachhaltiger Anbausysteme auf grundwasserfernen Sandböden. Standortbeschreibung Lage: Gemarkung Müncheberg Bodenform: lessivierte Braunerde Bodenart: schwach lehmiger Sand Vorbewirtschaftung:Versuchsfläche, 1974 bis 1977 einheitlich bewirtschaftet 109 Versuchsbeschreibung Versuchsbeginn: 1978 Versuchsende: 2005 Versuchsschema: 4-faktorielle Streifen-Spaltanlage A + B / C / D - Bl, 24 Prüfglieder, 4 Wiederholungen (Abb. 3.4.2.1, Tab. 3.4.2.1 und Tab. 3.4.2.2). Großteilstücke Faktor A: a1 ohne Berega2 beregnet Mittelteilstück C: N-Düngung B: Bodenbearbeitung c1: N - 1 c2: N - 2 b1 konventionell b2 reduziert Kleinteilstück b3 reduziert D: Org. Düngung d1 d2 Abb. 3.4.2.1: Teilstückdifferenzierung Versuch V760 Fruchtfolge: 1978 bis 1990 wurde jede Fruchtart jedes Jahr angebaut: 1. KAR, 2. WW, 3. ZR, 4. SG (Zwischenfrüchte Ölrettich, einjähriges Weidelgras und Lupinen vor Hackfrüchten). 1991 bis 2005 wurde jede Fruchtart jedes zweite Jahr angebaut: 1. WG, 2. KAR, 3. Triticale, 4. Silomais (Zwischenfrüchte Ölrettich, Gelbsenf und Gelbsenf + Knaulgras vor Kartoffeln und Mais). Bis 1990 unterschied sich die reduzierte von der konventionellen Bearbeitung dadurch, dass halb so viel und flacher gepflügt wurde. Dagegen wurde die Saatbettbereitung intensiviert. Die Arbeitstiefensumme war bei reduzierter Bodenbearbeitung um ¼ geringer als bei konventionellem Wirtschaften (KUNDLER u.a. 1991). Zur Kartoffel wurde im Frühjahr statt wie sonst üblich im Herbst gepflügt. Ab 1991 wurde nur noch zur Kartoffel, d.h. jedes vierte Jahr eine Pflugfurche gezogen. Die N-Düngermengen zu den einzelnen Fruchtarten sind in Tabelle 3.4.2.2 dargestellt. 110 Tab. 3.4.2.1: Beschreibung der Prüffaktoren Faktor A: Beregnung B: Bodenbearbeitung C: mineralische N-Düngung D: organische Düngung Stufen bis 1990 Stufen ab 1991 a1: ohne a2: mit b1: PF bis 35 cm b1: PF 22-25 cm b2: reduziert: flache, weniger b2: reduziert: Grubbern 12häufige PF 15-20 cm, Tieflo15 cm, 1 x in 4 Jahren ckerung 40 cm Pflügen 16-22 cm, ohb3: reduziert: flache, weniger ne Herbizid häufige PF 15-25 cm b3: wie b2, mit Herbizideinsatz c1: normal (100% der bilanzierten Menge) c2: reduziert (60% der bilanzierten Menge) Bis 1991 AHL, KAS, Harnstoff, 1992-99 AHL, ab 2000 AHL+S (NTS) d1: hohe Gabe 4,5 t·ha-1 Güllefeststoff (= 1,2 GV·ha- 1) d2: geringe Gabe 3,0 t·ha-1 Güllefeststoff (= 0,8 GV·ha- 1) d1: hohe Gabe 40 t·ha-1 FM Stalldung d2: geringe Gabe 20 t·ha-1 FM Stalldung Tab. 3.4.2.2: N-Düngung 1978 bis 2005 Fruchtart Winterweizen Zuckerrüben Sommergerste Kartoffel Wintergerste Silomais Triticale Mineralische N-Düngung kg·ha-1 c1 c2 160 100 160 100 120 70 100 60 120 70 150 90 120 70 Die organische Düngung wurde vor Kartoffeln und Zuckerrüben eingepflügt. In der Variante mit geringer organischer Düngung wurde zusammen mit der Stoppelfruchtgründüngung und den Ernterückständen eine ausgeglichene Humusbilanz kalkuliert. Grunddüngung, Kalkung und Pflanzenschutz erfolgten über den gesamten Versuchszeitraum einheitlich nach guter fachlicher Praxis, ausgenommen Variante b2 (Tab. 3.4.1.1), bei der ab 1991 keine Herbizidbehandlung vorgenommen wurde. Prüfmerkmale Pflanze: Ertrag (Hauptprodukt und Nebenprodukt), Inhaltstoffe (N, P, K), Stärkegehalt bei Kartoffeln, Zuckergehalt bei Zuckerrüben Boden: Corg., Nt, pH, PDL, KDL, Mg 111 Ergebnisse Pflanze Reduzierte Bodenbearbeitung sicherte in der unberegneten Variante bei einer am Entzug der Pflanzen orientierten Düngung im langjährigen Mittel bis 1990 stabile Getreide- und Hackfruchterträge (Tab. 3.4.2.3) (KUNDLER u.a. 1991). Bilanzierte und erhöhte organische Düngung waren in ihrer Wirkung ohne Unterschiede. Eine Reduzierung der N-Düngung um 40% verursachte bei natürlicher Wasserversorgung im Mittel der Jahre Ertragsminderungen um ca. 5% im Vergleich zur vollen N-Düngung. In Einzeljahren waren beim Getreide keine signifikanten Ertragsdifferenzen zwischen den N-Düngungsvarianten festzustellen. Dagegen zeigte die Reduzierung der N-Düngung unter Beregnung beim Getreide eine deutlich negative Ertragswirkung. Bei weitgehendem Verzicht auf den Pflug ab 1991 war tendenziell ein höherer Ertrag gegenüber jährlichem Pflügen erzielt worden (Tab. 3.4.2.4) (BARKUSKY u.a. 2004). In Einzeljahren waren die Ertragssteigerungen signifikant. Tab. 3.4.2.3: Einfluss reduzierter Bodenbewirtschaftungsintensität auf die Erträge (dt·ha-1) von Getreide und Hackfrüchten, 1978 bis 1990 Wechselwirkungen W.Weizen So.Gerste Kartoffeln Zuckerrüben dt·ha-1 FM Düngung Bodenbearb. dt·ha-1 86% TM bilanziert org. Düngung (3,0 t·ha-1 TM Gülle) erhöhte org. Düngung (4,5 t·ha-1 TM Gülle) 100% N (143 kg·ha-1·a-1) 60% N (98 kg·ha-1·a-1) bilanziert org. Düngung (3,0 t·ha-1 TM Gülle) erhöhte org. Düngung (4,5 t·ha-1 TM Gülle) konventionell reduziert 60,6 61,0 50,2 50,1 425 444 510 522 konventionell reduziert konventionell reduziert konventionell reduziert 100% N 60% N 61,2 61,4 63,9 63,4 58,0 59,1 63,8 57,8 51,2 50,4 53,3 53,1 47,1 47,4 52,9 47,1 422 446 431 451 416 440 441 427 509 524 510 514 510 531 513 517 63,8 59,0 53,0 48,5 439 432 513 523 100% N 60% N 112 Tab. 3.4.2.4: Einfluss reduzierter Bodenbewirtschaftungsintensität auf die Erträge (dt ha-1) von Getreide und Hackfrüchten, unberegnet 1991 bis 2005 (gemittelt) Wechselwirkungen Düngung* Bodenbearbeitung -1 20 t·ha FM Stm 40 t·ha-1 FM Stm. 100% N 60% N 20 t·ha-1 FM Stm 40 t·ha-1 FM Stm 100% N 60% N Triticale W.Gerste dt·ha-1 86% TM konventionell reduziert konventionell reduziert konventionell reduziert konventionell reduziert 70,5 73,9 69,1 72,6 72,1 72,8 67,5 73,7 konventionell reduziert konventionell reduziert konventionell reduziert konventionell reduziert 84,3 82,3 83,7 80,1 88,0 85,8 80,0 76,6 Kartoffeln dt·ha-1 FM unberegnet 59,9 386 63,8 399 61,1 396 64,7 402 63,7 403 65,1 408 57,3 378 63,3 393 beregnet 69,3 472 68,8 465 71,3 482 68,7 472 74,7 493 72,1 475 65,9 461 65,3 462 Silomais dt·ha-1 TM 152 157 159 156 158 156 153 156 165 173 171 173 169 174 166 173 * organische Düngung alle vier Jahre zur Kartoffel Das Wasser ist mit 260 mm Niederschlag in der Hauptvegetationszeit von April bis August der entscheidende ertragsbegrenzende Faktor. Beregnung steigerte den Ertrag von Kartoffeln und Zuckerrüben um 20 bis 25%. Bei reduzierter Bodenbearbeitung reagierten die Kulturen auf die optimierte Wasserversorgung deutlich verhaltener mit Ertragszuwachs im Vergleich zum Standard. In Einzeljahren waren bei Silomais, Kartoffeln und Triticale signifikante Ertragsabfälle eingetreten. Boden Die reduzierte Bodenbearbeitung bewirkt eine deutliche Differenzierung des Kohlenstoffgehalts im Bodenprofil. In 20 Jahren stieg der Corg-Gehalt in 0-12 cm Tiefe an, in der darunter liegenden Schicht (12-24 cm) sank er (Abb. 3.4.2.2). In der Krume (0-30 cm) zeichnete sich im Verlauf von 20 Jahren reduzierter Bodenbearbeitung im Trend eine Erhöhung des Corg-Gehaltes verglichen mit konventioneller Bewirtschaftung ab (Abb. 3.4.2.3). 113 Profiltiefe 0 bis 12 Profiltiefe 12 bis 24 reduzierte Bodenbear- konventionelle Bodenbear- 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Corg 0,7 [%] Abb. 3.4.2.2: Corg-Gehalt im Oberboden nach 20 Jahren reduzierter Bodenbearbeitung im Vergleich zur konventionellen Bodenbewirtschaftung (nach Rogasik, J.) Die jährliche Netto-CO2-Emission war hingegen bei beiden Bodenbearbeitungsvarianten gleich und mit gemessenen 3 bis 5 t·ha-1·a-1 in einer für andere Standorte der gemäßigten Zone vergleichbaren Größenordnung (AUGUSTIN u.a. 1999). Daraus folgt, dass langfristig bei reduzierter Bodenbearbeitung mit einer geringen C-Akkumulation gerechnet werden kann. 700 mg C -1 org., [100g Boden] 673 680 660 640 620 600 580 606 617 62 656 659 640 643 640 611 584 572 558 560 584 konventionelle Bodenbearb. reduzierte Bodenbearb. (b3) logarithmisch (konventionell) logarithmisch (reduziert (b3) 540 520 500 523 505 1977 1979 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1997 Jahre Abb. 3.4.2.3: Langzeiteffekte reduzierter Bodenbearbeitung auf den organischen Kohlenstoffgehalt im Oberboden (0-30 cm) verglichen mit konventioneller Bodenbearbeitung 114 Fazit Eine Reduzierung der Bodenbearbeitungsintensität bis hin zum weitgehenden Verzicht auf das Pflügen ist unter natürlichen Niederschlagsbedingungen ohne Ertragsverluste möglich. Eine Anreicherung von organischer Substanz im Oberboden, insbesondere in der obersten Bodenschicht bis 15 cm Tiefe, ist nachweisbar. Die Untersuchungen lassen die Schlussfolgerung zu, dass Bodenbearbeitung auf sandigen Ackerbaustandorten als Quelle anthropogen bedingter Emissionen von Treibhausgasen wahrscheinlich von untergeordneter Bedeutung ist. Wesentlich stärkere Wirkungen gehen von der Intensität der N-Düngung aus (AUGUSTIN u.a. 1999) Literatur: Augustin, J.; Rogasik, J.; Ellerbrock, R.H.; Höhn, W.: Einfluss der konservierenden Bodenbearbeitung auf C/N-Umsetzungsprozesse und den Austrag umweltrelevanter C/N-Verbindungen. In Seyfarth, W. u.a.: Bodenökologische und pflanzenbauliche Effekte konservierender Bodenbearbeitung auf sandigen Böden. Müncheberg, ZALF-Berichte 39 (1999). – S. 52-60 Barkusky, D.; Roth, R.; Höhn, W.; Rogasik, J.: Höhere Ertragsstabilität bei Pflugverzicht. Reduzierte Bodenbearbeitung auf einem Sandboden mit und ohne Beregnung. Landwirtschaft ohne Pflug 2004 (5). - S. 10-14. Kundler, P.; Smukalski, M.; Rogasik, J.: Ergebnisse von Dauerversuchen im nordostdeutschen Tiefland zu Auswirkungen der Faktorreduzierung im Ackerbau. In: Mitt. Ges. für Pflanzenbauwissenschaften, Bd. 4 (1991) – S. 95-98. 35. Jahrestagung vom 26.-28.September 1991 in Braunschweig-Völkenrode. Wissenschaftsverlag Vauk Kiel KG 1991. 3.4.3 Grünlanddauerversuch V102, Paulinenaue H. Käding Zielsetzung Nachweis der Auswirkungen jahrzehntelanger unterschiedlich hoher N-Düngung des Niedermoorstandortes auf Bodenkennwerte, Ertragsparameter, Nährstoffstatus, Nährstoffumsetzung und Entwicklung der Pflanzenbestände. Aufgabenstellung Langjährige variierte N-Düngung und deren Einflüsse auf Bodenentwicklungsprozesse wie Moormineralisation und Moorschwund über die Laufzeit des Versuches und in verschiedenen Bodentiefen wurden erfasst. Die Bodenentwicklung wird in der 115 vorliegenden Arbeit unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit der Landschaftsnutzung bewertet. Niedermoorböden mit fortgeschrittener Bodenentwicklung und entsprechend hohem Volumengewicht, wie auf dem Versuchsstandort, besitzen einen hohen Stickstoffvorrat. Die Wirkung der mineralischen N-Düngung auf die Ertragshöhe, den Ertragsverlauf, die Erzeugungsleistung des Stickstoffdüngers sowie die Entwicklung der Pflanzenbestände gibt wichtige Hinweise zur Standortbewirtschaftung. Die Langzeituntersuchung variierter N-Düngung bei konstanter Grunddüngung sowie Düngung nach Nährstoffentzug an Phosphor und Kalium gibt Auskunft über Nährstoffgehalte bzw. Gehaltsveränderungen in Boden und Pflanze, Nährstoffentzüge durch Pflanzen und Stoffbilanzen auf Niedermoor. Standort/Bewirtschaftung Lage: Havelländisches Luch nahe Paulinenaue Bodenform: mitteltiefgründiges Moor Der Moorkörper (Versumpfungsmoor) beträgt im Durchschnitt 80 cm und wurde vorwiegend aus Schilf- und Seggentorf gebildet. Die oberste Bodenschicht ist heute vermullt mit mittlerer bis hoher Zersetzung. Zu Versuchsbeginn war sie als vererdet eingestuft worden. Sommergrundwasserstände: 40 und 80 cm unter Flur Klima: Temperaturmittel während der Versuchsperiode April bis September: 14,5 °C und 291 mm Niederschlagmittel Vorbewirtschaftung: Dauergrünland Grunddüngung: 1961-2001 von 32 kg P bzw. 73,3 kg P2O5 ha-1 und 140 kg K bzw. 168,7 kg K2O ha-1 , nach 2002 Änderung s. Tab. 3.4.3.1 Bewirtschaftung: Dreischnittnutzung; jährliche N-Düngung in drei gleich großen Teilgaben als Kalkammonsalpeter verwendet. Fünf Prüfglieder erhielten über die gesamte Versuchsperiode bis 2006 N-Gaben von 0, 60, 120, 240 und 480 kg ha-1 Ab 1991 wurde für fünf weitere Jahre nach zuvor unterschiedlich hoher N-Düngung auf Stickstoffzufuhr ganz verzichtet. 116 Ab 2002 wurden diese Prüfglieder wieder mit gestaffelten Stickstoffmengen versorgt, erhielten aber zusätzlich eine variierte, ertragsorientierte, bedarfsgerechte P und K-Versorgung. Tab. 3.4.3.1: Jährliche Mineraldüngergaben (kg ha-1) in den Versuchsabschnitten N-Düngung Variante P-Düngung K-Düngung 1961- 1991- 2002- 1961- 2002- 1961- 2002- 1990 2001 2006 2001 2006 2001 2006 1 0 0 0 32 32 140 140 2 0 240 0 32 0 140 0 3 60 0 60 32 25,5 140 130 4 60 60 60 32 32 140 140 5 120 0 120 32 27,5 140 140 6 120 120 120 32 32 140 140 7 240 0 240 32 30 140 160 8 240 240 240 32 32 140 140 9 480 0 480 32 35 140 200 10 480 480 480 32 32 140 140 Untersuchungen: Erträge, Nährstoffgehalte der Pflanzen (TS, N, P, K), Boden (Ct, Nt, pH-Wert, Volumenproben) Die Aufnahmen der botanischen Zusammensetzung der einzelnen Grünlandparzellen erfolgten jährlich zu allen drei Aufwüchsen (Ertragsanteilschätzung nach KLAPP & STÄHLIN 1936). Versuchsanlage: Als Versuchsanlage diente eine Blockanlage mit vier Wiederholungen (Abb. 3.4.3.1). Die Parzellengröße betrug von 1961 bis 1990 (30 Jahre) 40 m², die sich später durch Teilung verringerte 117 Lageplan zum Versuch 102 "N-Düngung auf Niedermoor" Faktor A: N-Düngung kg/ha 2 Anlageparzelle für Stufen 1, 3, 5, 7, 9: 3,0 m * 8,0 m = 24,0 m 2 Anlageparzelle für Stufen 2, 4, 6, 8, 10: 2,0 m * 8,0 m = 16,0 m 2 Ernteparzelle: 1,5 m * 8,0 m = 12 m 2 Grö e des Versuches: 50,0 m * 20,0 m = 1000 m Stufe neu 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 240 (80-80-80) 0 60 (20-20-20) 0 120 (40-40-40) 0 240 (80-80-80) 0 480 (160-160-160) Parzellenbreite (m): 8m 2 3 8 7 2 4 3 3 2 3 2 3 2 3 2 10 9 6 5 2 1 10 9 2 8 3 2 3 2 3 2 3 7 6 5 4 3 2 1 r4 r2 r3 r1 20 m 4m 8m 3 6 5 2 1 4 3 8 7 10 9 2 1 4 3 6 5 8 7 10 9 Abb. 3.4.3.1: Versuchsanlage ab 1961 Ergebnisse Trockenmasseerträge und Erzeugungsleistung der N-Düngung Die TM-Erträge unterlagen großen jährlichen und durch die N-Düngungstufen bedingten Schwankungen (Abb. 3.4.3.2). In den Versuchsvarianten 0, 60, 120, 240, 480 kg N ha-1 wurden mittlere TM-Erträge von 78, 88, 96, 105 bzw. 110 dt ha-1 erzielt (Grenzdifferenz: 10,8 dt ha-1, α = 5%). Der durch die N-Düngung bewirkte Ertragsanstieg fällt bis 120kg N ha-1 deutlich höher aus als bei 240 und 480 kg N ha-1. Die extreme N-Erhöhung auf 480 kg N ha -1 ergab keinen statistisch gesicherten Ertragsanstieg. Die waagerechten Linien innerhalb der Kästen des Boxplot geben den Meridian der jeweiligen Wiederholungen an. 118 Abb. 3.4.3.2: Bloxpot zu TM-Erträgen in Abhängigkeit von der N-Düngung (1961-2000) Nach 30 Jahren intensiver Düngung wurde auf jeder Parzellenhälfte die N-Düngung eingestellt. Die Prüfglieder bis 120 kg N ha-1 erzielten schon im ersten Jahr nach Umstellung gegenüber der Null-Variante keine Mehrerträge. Das Prüfglied 240 kg N erbrachte im ersten Jahr noch etwas höhere, aber nicht gesicherte Mehrerträge. Die extrem hohe N-Variante (480 kg ha-1) zeigte bis zum ersten Aufwuchs im zweiten Jahr eine positive Nachwirkung. Als Ursachen der stark schwankenden Ertragsverläufe werden primär Witterungseinflüsse vermutet. Eine Korrelation der Jahrestemperaturen als auch der Temperaturen von April bis September mit den Jahres–TM-Erträgen der 40 Versuchsjahre sowie den Jahresniederschlägen und den Grundwasserständen konnte nicht ermittelt werden. Es bleibt offen, in wieweit die N-Freisetzung aus dem Niedermoor zwischen den Jahren stark schwankt und dadurch die Trendverläufe beeinflusst wurden. 119 Abb. 3.4.3.3: Trendfunktionen der Erträge in Abhängigkeit von der N-Düngung (kg N ha-1) Die agronomische Effizienz der N-Düngung (Abb. 3.4.3.4) zeigen die Trends für die Düngestufen. Mit steigender N-Gabe sinkt die erzeugte TM kg-1 N. Mit steigender N-Zufuhr von 0 bis 480 kg N ha-1 a-1 steigen die N-Entzüge bis auf das Doppelte an. Auf der ungedüngten Versuchsparzelle stellt die N-Mineralisierung (oxydativer Torfverzehr) die entscheidende N-Inputgröße dar. Es kann davon ausgegangen werden, dass sich in den 40 Versuchsjahren nahezu ein Gleichgewicht zwischen NMineralisierung und N-Entzug durch die Aufwüchse eingestellt hat. Woraus sich ableiten lässt, dass der N-Entzug im Mittel von 195 kg N-1 a-1 zum Hauptanteil als ein N-Mineralisierungsprodukt bewertet werden kann. Hierin enthalten sind die atmosphärischen Einträge. 120 Abb. 3.4.3.4: Trendfunktionen der agronomischen N-Effizienz (kg TM kg N-1) Die komplexen kausalen Zusammenhänge konnten bisher nicht ausreichend untersucht werden. Es bleibt auch künftigen Untersuchungen überlassen, diese Zusammenhänge der Stoffkreisläufe weiter zu klären. Tab. 3.4.3.2: N-Entzüge und Rohproteingehalte der Aufwüchse Düngung kg N ha -1 N-Entzug kg ha-1 (1961-2000) Rohproteingehalt g kg-1 TS (1961-1990) 0 60 120 240 480 195 226 260 327 401 161 168 175 203 233 121 GD α=5% 52,9 Einfluss der langjährigen gestaffelten N-Düngung auf Bodenkennwerte Die Kohlenstoff- und Stickstoffuntersuchungen für den Zeitraum 1977-2000 konnten keinen gesicherten Einfluss der Höhe der N-Gaben auf den C-Gehalt des Bodens nachweisen. Der Boden-N-Gehalt der 60 kg N ha-1 –Variante ist signifikant höher als der Prüfvarianten 0, 120, und 480 kg N ha-1. Das C:N –Verhältnis schwankt in sehr engen Grenzen (Tab.3.4.3.3). Tab. 3.4.3.3: Bodenkenndaten bei gestaffelter N-Düngung (x̄ 1977-2000; 0-10cm Tiefe) N-Düngung (kg N ha-1) GD 0 60 120 240 480 α 5% Ct (%) 28,1 30,5 28,7 29,9 28,7 2,40 Nt (%) 2,26 2,52 2,21 2,43 2,33 0,18 C:N 12,43 12,10 12,99 12,30 12,27 - Ein gerichteter Einfluss der N-Düngung auf den Ct-Gehalt über den geprüften Zeitraum (1977 - 2000) auf dem Niedermoorstandort konnte nicht nachgewiesen werden. Die Nt–Gehalte weisen zwischen den Prüfjahren Differenzen auf, die jedoch ebenfalls keine gesicherten Veränderungen zur Folge hatten (Abb. 3.4.3.5). Abb. 3.4.3.5: Ct- und Nt-Gehalte im Zeitraum 1977 - 2000 (x̄ aller N-Düngungsstufen) 122 Veränderungen der Pflanzenbestände Als Hauptbestandsbildner auf dem Versuchsstandort fungieren Gemeine Quecke (Elymus repens), Wiesenrispe (Poa pratensis), Gemeine Rispe (Poa trivialis) und verschiedene Kräuter (Löwenzahn - Taraxacum officinale, Ampfer – Rumex obtusifolius und crispus, Kriechender Hahnenfuß – Ranunkulus repens, Disteln – Cirsium arvense und oleraceum). Veränderungen in der Zusammensetzung des Pflanzenbestandes lassen sich am Beispiel der Quecke darstellen (Tab. 3.4.3.4). Im Verlauf der 40 Versuchsjahre nahm der Anteil der Quecke (Elymus repens) durch die N-Gabe von 120 kg ha-1 signifikant im Vergleich zur Null-Parzelle zu. Insgesamt zeigt sich, dass in den Versuchsparzellen, insbesondere mit N-Gaben, der Queckenanteil zwischen den Fünfjahresabschnitten deutlich schwankt. Auffällig ist der ansteigende Trend mit Beginn der 90er Jahre. Tab. 3.4.3.4: Ertragsanteile der Quecke (Elymus repens) in % der TM (x̄ von je 5 Jahren) Jahre N-Düngung (kg N ha-1) 0 60 120 240 480 x̄ 1961-1965 23 27 34 42 53 36 1966-1970 25 26 33 42 56 36 1971-1975 17 23 29 39 59 33 1976-1980 16 21 26 36 55 31 1981-1985 14 19 23 38 59 31 1986-1990 14 16 18 37 56 28 1991-1995 24 28 38 47 77 43 1996-2000 27 34 44 54 79 48 x̄ 1961-2000 20 24 31 42 62 36 Zusammenfassung • In den Versuchsvarianten 0, 60, 120, 240, 480 kg N ha-1 wurden mittlere TMErträge von 78, 88, 96, 105 bzw. 110 dt ha-1 erzielt (Grenzdifferenz: 10,8 dt ha-1, α = 5 %). Gegenüber der Variante ohne N-Düngung wurde mit N123 Düngung jeweils ein gesicherter Mehrertrag ermittelt. Die langjährige NDüngung führte im Untersuchungszeitraum zu keiner Verschlechterung der Ertragsfähigkeit des Niedermoorstandortes. • Die agronomische Effizienz der N-Düngung verschlechtert sich mit steigender N-Applikation. Mit zunehmender N-Gabe sinkt die erzeugte Trockenmasse je Kilogramm Stickstoff von ca.14 kg TM kg-1 N bei 60 und 120 kg N ha-1 auf ca. 6 kg TM kg-1 N bei 480 kg N ha-1. • Ein gerichteter Einfluss der N-Düngung auf den Ct-Gehalt über den geprüften Zeitraum (1977 - 2000) auf dem Niedermoorstandort konnte nicht nachgewiesen werden. Die Nt–Gehalte weisen zwischen den Prüfjahren Differenzen auf, die jedoch ebenfalls keine gesicherten Veränderungen zur Folge hatten. • Hohe N-Gaben bewirkten Pflanzenbestandsveränderungen durch starke Zunahmen der Gemeinen Quecke (Agropyron repens) und Abnahme von Wiesenrispe (Poa pratensis), Gemeiner Rispe (Poa trivialis) und Kräutern. Im Verlauf der 40 Versuchsjahre nahm der Anteil der Quecke (Elymus repens) durch die N-Gabe von 120 kg ha-1 signifikant im Vergleich zur Null-Parzelle zu. Literatur: Käding, H. (1994): Ökologische Bewirtschaftung von Niedermoorgrünland unter Berücksichtigung der Nährstoffbilanzen. Arch. für Nat.- Landschaftsf. 33, 187 – 194. Käding, H., Schmidt, W. (1995): Extensivierung von Niedermoorgrünland nach 30 Jahren intensiver N-Düngung. Arch. Acker- Pfl. Boden 39, 69 – 74. Käding, H., Werner, A. (1997): Ergebnisse eines 35jährigen N-Düngungsversuches auf Niedermoor in Paulinenaue. Arch. Acker- Pfl. Boden 42, 137-147. Käding, H., Augustin, J., Münchmeyer, U., Leipnitz, W. (2000): Stickstoffentzug durch Pflanzen als Bewertungskriterium für den Grad der Torfmineralisation. Arch. Acker- Pfl. Boden 45, 557-572. Käding, H. (2002): Langzeitdüngungsversuch auf Niedermoorgrünland - Auswirkungen auf Standort, Erträge, Nährstoffgehalte und Vegetation. Mitt. Ges. Pflanzenbauwiss. 14, 78-79. Käding, H., Werner, A., Schalitz, G. (2003): Auswirkungen langjähriger N-Düngung auf Standorteigenschaften, Erträge, Stoffgehalte und Vegetationszusammensetzung des Niedermoorgrünlandes. Pflanzenbauwissenschaften, 7 (1) 13 bis 20. Käding, H., Petrich, G. (2006): Jährliche Schwankungen der Grünlanderträge. 50. Jahrestagung der AGGF - Ges. Pflanzenbauwiss. 18, 50-53. Klapp, E. und Stählin, A. (1936): Standorte, Pflanzengesellschaften und Leistung des Grünlandes, Ulmer Verlag, Stuttgart. 124 3.5 Thyrow, HU 3.5.1 Statischer Nährstoffmangelversuch Thyrow M. Baumecker, F. Ellmer und W. Köhn Problemstellung und Zielsetzung Ziel bei Anlage des Statischen Nährstoffmangelversuches (D IV) im Jahr 1937 durch OPITZ war es festzustellen, welche Veränderungen sich an Boden und Pflanze zeigen, wenn die Makronährstoffe N, P und K auf dem leichten Boden ins Minimum gelangen und welche Modifikationen sich bei zusätzlichem Einsatz von organischem Dünger und bei unterschiedlicher Kalkversorgung des Bodens ergeben. Im Jahr 1949 wurde eine Unterteilung des Versuches in zwei Teilstücke vorgenommen. Teilstück 1 blieb in seiner Durchführung bis heute unverändert. Teilstück 2 wurde mit P, K und Kalk so weit aufgedüngt, dass die Sollwerte (Tab. 3.5.1.3) erreicht wurden. Danach erfolgte eine erneute Mangeldüngung und 1971 eine wiederholte Aufdüngung in Kombination mit der Einführung veränderter Düngungsvarianten. Die nachfolgende Versuchs- und Ergebnisdarstellung bezieht sich ausschließlich auf Teilstück 1. In Abbildung 3.5.1.1 ist dieses Teilstück durch den in der Mitte erkennbaren lückenhaften Silomaisstreifen gekennzeichnet. Abb. 3.5.1.1: Gesamtansicht des Statischen Nährstoffmangelversuches Thyrow 125 Versuchsanstellung Der Versuch ist als monofaktorielle Blockanlage mit eingeschränkter Randomisation angelegt. Der Prüffaktor organisch-mineralische Düngung ist achtfach gestuft (Tab. 3.5.1.1), die Anzahl der Wiederholungen beträgt vier. Tab. 3.5.1.1: Prüfglieder im Statischen Nährstoffmangelversuch Thyrow Prüfglied Prüfglied Prüfglied Prüfglied 1 ungedüngt (ohne Kalk) 5 NPK (ohne Kalk) 2 Stallmist (ohne Kalk) 6 NP mit Kalk* 3 NPK mit Stallmist mit Kalk* 7 NK mit Kalk* 4 NPK mit Kalk* 8 PK mit Kalk* * Kalkdüngung nach Bedarf (Ziel pH 5,5 ) Die Fruchtfolge lautet: Kartoffeln - Sommergerste - Silomais - Sommergerste. Die organisch-mineralische Düngung gestaltet sich wie folgt (Tab. 3.5.1.2): Tab. 3.5.1.2: Organisch-mineralische Düngung im Statischen Nährstoffmangelversuch Thyrow Fruchtart N [kg ha-1] P [kg ha-1] K [kg ha-1] Stallmist [dt ha-1] Kartoffeln 90 24 100 300 Silomais 90 24 100 300 Sommergerste 60 24 100 - Die Bewirtschaftung erfolgt konventionell. Pflanzenschutzmittel werden entsprechend der Schaderregerüberwachung nach Bekämpfungsrichtwerten eingesetzt. 126 Anlageplan: Statischer Nährstoffmangelversuch (D IV) 2006 Teilstück 1 N Teilstück 2 r1 r2 r3 r4 r1 r2 r3 r4 8 3 6 1 4 7 2 5 7 2 5 8 3 6 1 4 6 1 4 7 2 5 8 3 5 8 3 6 1 4 7 2 4 7 2 5 8 3 6 1 3 6 1 4 7 2 5 8 2 5 8 3 6 1 4 7 1 4 7 2 5 8 3 6 D VII 10,0m D VI 7,2 m D I Ergebnisse Im Ergebnis der unterschiedlichen Düngung haben sich stark differenzierte Humusund Nährstoffgehalte sowie pH-Werte eingestellt. So schwankt der aktuelle pH-Wert zwischen 4,1 in der Kalk-Mangelvariante (5) und 6,4 in der P-Mangelstufe (7) (Tab. 3.5.1.3). Der pflanzenverfügbare P-Gehalt ist nach mehr als sechs Jahrzehnten unterlassener P-Düngung auf 2,1 mg 100 g-1 Boden gesunken, während in der organisch-mineralisch gedüngten Variante (3) mit 12,8 mg ein guter Versorgungszustand erhalten wurde. Ohne Kaliumdüngung sind die K-Gehalte im Boden ebenfalls stark reduziert. Sie liegen in der K-Mangelvariante (6) mit 2,6 mg 100 g-1 Boden um das Sechsfache unter denen des organisch-mineralisch gedüngten Prüfgliedes (3) mit 15,3 mg 100 g-1 Boden. 127 Tab. 3.5.1.3: Nr. pH-Wert sowie Nährstoff*- und C-Gehalte* im Statischen Nährstoffmangelversuch Thyrow (Schicht 0-20 cm, Herbst 2005) Prüfglied Sollwert** pH PDL KDL MgCaCl2 -1 [mg 100 g Boden] Corg 5,4-5,8 5,6-8,0 6,0-9,0 3,6-5,0 580-870 1 Ungedüngt (ohne Kalk) 4,1 3,4 2,4 0,3 360 2 Stallmist (ohne Kalk) 4,6 6,4 7,3 2,2 563 3 NPK + Stallmist + Kalk 6,0 12,8 15,3 5,3 677 4 NPK + Kalk 6,0 7,3 10,7 3,1 425 5 NPK - (ohne Kalk) 4,1 6,1 6,1 1,3 454 6 NP - (Kalimangel) + Kalk 5,5 6,2 2,6 2,2 387 7 N - K (P-Mangel) + Kalk 6,4 2,1 11,2 3,2 404 8 - PK (N-Mangel) + Kalk 6,3 9,8 12,1 3,6 343 * Gehalte in mg 100 g-1 Boden ** lt. Rahmenempfehlung zur Düngung 2000 im Land Brandenburg Im Humusgehalt des Bodens haben sich entsprechend der Zufuhr von organischer Primärsubstanz aus Stallmist und Ernterückständen spezifische Fließgleichgewichte eingestellt. Bei ständigem Unterlassen jedweder Düngung (1) ist der Gehalt an organischem Kohlenstoff von einem mittleren Ausgangsniveau um 500 mg 100 g-1 Boden (1937) auf 360 mg 100 g-1 (2005) zurückgegangen (Tab. 3.5.1.3). Gleiches hat auch der Verzicht auf die mineralische N-Düngung bewirkt. In diesem Prüfglied (8) ist der Corg-Gehalt sogar auf 343 mg gesunken, was einem absoluten Humusverlust von fast einem Drittel entspricht. Mit der zweijährlich verabreichten Stallmistdüngung (2) in Höhe von 300 dt ha-1 ist der Ausgangszustand im Wesentlichen erhalten worden (563 mg 100 g-1 Boden). Demgegenüber hat die kombinierte organisch-mineralische Düngung (3) in Folge des Anfalls größerer Pflanzenrückstandsmengen im Vergleich zu ausschließlicher Stallmistdüngung (2) den Kohlenstoffgehalt um etwa 20 % auf 677 mg anwachsen lassen. Die alleinige Mineraldüngung (4) vermochte dagegen nicht, die Humusersatzwirkung des Stallmistes zu erreichen. Hier liegt der Gehalt an organischem Kohlenstoff mit 425 mg 100 g-1 Boden 15 % unter dem Ausgangsniveau von 1937. Jährliche Untersuchungen des Gehaltes an organischer Bodensubstanz über die letzten vierzig Versuchsjahre belegen, dass in allen Prüfgliedern, also unabhängig von der Art der Düngung, eine Abnahme dieses für die Bodenfruchtbarkeit wesentli- 128 chen Merkmals stattgefunden hat (Abb. 3.5.1.2). Hauptsächliche Ursache hierfür dürfte der mittlere Anstieg der Temperatur in Luft und Boden sein, der im Untersuchungszeitraum 1965-2000 bei der Lufttemperatur rund +0,3 °C pro 10-JahresAbschnitt am Standort Thyrow betragen hat. Umfangreiche Berechnungen haben ergeben, dass alle Tage mit einer mittleren Bodentemperatur (Tiefe -20 cm) von minimal 6 °C umsetzungswirksam sind und die Anzahl dieser Tage im Untersuchungszeitraum um durchschnittlich 3,8 Tage je 10 Jahre zugenommen hat. Abb. 3.5.1.2: Entwicklung der organischen Kohlenstoffgehalte (Schicht 0-20 cm) im Statischen Nährstoffmangelversuch Thyrow (Periode 1965-2005) Zugleich nahm der C-Gehalt an den umsetzungswirksamen Tagen in den organischmineralisch gedüngten Prüfgliedern um 1,69 mg 100 g-1 Boden und in den nicht organisch gedüngten Prüfgliedern um 1,31 mg C 100 g-1 Boden ab, ein Vorgang, der für Bodenfruchtbarkeit und Klima negativ zu bewerten ist. Insgesamt sind im Versuchszeitraum 1965 bis 2005 zwischen 2,5 bis 5,0 t C ha-1 bzw. etwa 10 % des Kohlenstoffs der Krume verloren gegangen. In dem Prüfglied mit kombinierter organischmineralischen Düngung werden gegenwärtig noch etwa 32,5 t C ha-1 gespeichert. 129 160 % 148 Sommergerste (n=7) 140 128 122 120 Kartoffeln (n=4) Silomais (n=4) NPK+Kalk Sommergerste = 22,5 dt/ha Korn BB Silomais = 72,7 dt/ha TM (Kolben+Restmais) 100% Kartoffeln = 219,9 dt/ha Knollen 100 100 100 100 86 92 92 85 82 80 75 74 68 60 38 40 32 37 42 29 18 20 0 33 14 10 0 ungedüngt Abb. 3.5.1.3: Stallmist+NPK+Kalk Stallmist NPK+Kalk NPK N K+Kalk NP +Kalk PK+Kalk Relativerträge im Mittel der Jahre 1990-2005 von Silomais , Sommergerste und Kartoffeln im Statischen Nährstoffmangelversuch Thyrow (NPK + Kalk = 100 %) Die im Ergebnis der Düngungsbehandlungen stark differenzierte Bodenfruchtbarkeit hat sich gravierend auf die Erträge der drei geprüften Fruchtarten ausgewirkt. In der fortdauernd ungedüngten Kontrolle ist das Pflanzenwachstum vor allem bei Sommergerste und Kartoffeln fast vollständig zum Erliegen gekommen (Abb. 3.5.1.3). Die Sommergerste hat stark negativ auf den niedrigen pH-Wert in den ungekalkten Varianten (1), (2) und abgeschwächt auch in (5), aber insbesondere auch auf N-Mangel (8) und K-Mangel (6) mit deutlichen Ertragsverlusten von 26-100 % reagiert. Der Ertragszuwachs durch Stallmistdüngung in der Volldüngungsvariante (3) betrug fast 30 %. Bei den Kartoffeln war der Negativeffekt des versauerten Bodens auf den Knollenertrag weniger stark ausgeprägt als bei der Sommergerste. K-Mangel (6) wirkte sich stärker ertragsreduzierend aus als bei der Gerste. Volldüngung in Verbindung mit Stallmist (3) rief bei Kartoffeln die vergleichsweise größte Ertragssteigerung aller drei Versuchsfrüchte hervor. Silomais wies ebenfalls die stärksten Ertragseinbußen bei Kalk-, N- und K-Mangel auf, allerdings in geringerem Ausmaß als die beiden anderen Versuchsfrüchte. Jahrzehntelange P-Mangeldüngung hat inzwischen unabhängig von der Fruchtart eine Ertragsminderung von knapp 20 % bewirkt. 130 Die in Abb. 3.5.1.4 dargestellten langjährigen Ertragsverläufe verdeutlichen, dass starke Veränderungen im relativen Ertragsniveau der mangelhaft mit den einzelnen Makronährstoffen gedüngten Varianten im Vergleich zum mineralisch vollgedüngten Prüfglied NPK + Kalk vor allem in den ersten 15-20 Versuchsjahren stattgefunden haben. Danach haben sich die Ertragsverluste in den Mangelvarianten verringert. Insgesamt nehmen die mittleren Effekte der Ertragsminderung bei unterlassener Düngung von Makronährstoffen und Kalk in der Reihenfolge Phosphor (etwa -20 %) Kalk (etwa -58 %) - Kalium (etwa -68 %) - Stickstoff (etwa -75 %) zu, wobei allerdings fruchtartspezifische und witterungsbedingte Verschiebungen auftreten. Beim Unterlassen jeglicher Düngung werden immer noch rund 10 % des Volldüngungsertrages erzielt, wobei selbst nach einer derart langen Versuchsdauer insbesondere der Silomais noch bodenbürtige und atmosphärische Nährstoffe zu erschließen vermag. % 150 Stallmist + NPK + Kalk 125 NPK +Kalk = 100 % 100 NK + Kalk 75 Stallmist NPK 50 NP + Kalk PK + Kalk 25 ungedüngt seit 1937 Abb. 3.5.1.4: 2005 2000 1995 1990 1985 1980 1975 1970 1965 1960 1955 1950 1945 1940 0 Ertragsverläufe der Düngungsvarianten im Statischen Nährstoffmangelversuch Thyrow (NPK + Kalk = 100 %) (Relativerträge Gesamt-TM 1937-2006) Mit der mineralischen Volldüngung zusätzlich applizierte Stallmistdüngung hat zu einem mittleren Ertragszuwachs von rund 27 % geführt. Ausschließliche Stallmistdüngung, also der Verzicht auf jegliche mineralische Düngung einschließlich Kalk, hat eine Ertragsminderung von >40 % bewirkt, die während der gesamten Versuchsdauer weitgehend konstant geblieben ist. 131 Zusammenfassung Die seit mehr als 70 Jahren andauernde differenzierte Düngung hat starke Veränderungen der pH-Werte, der Makronährstoff- und der Kohlenstoffgehalte in der Krume bewirkt. Danach sind uneingeschränkt günstige Bodenwerte, die den Düngungsempfehlungen des Landes Brandenburg entsprechen, nur bei mineralischer Volldüngung in Verbindung mit organischer Düngung zu gewährleisten. Der Verzicht auf einzelne Makronährstoffe, Kalk, organische und/oder mineralische Düngung hat hingegen zu mehr oder weniger stark ausgeprägten Mangelsituationen im Boden geführt. Dementsprechend betragen die Ertragsausfälle im Mangelfall fruchtart- und witterungsspezifisch bis zu 100 %. Insgesamt haben im Versuchsverlauf die Minimumeffekte unterlassener Düngung von Makronährstoffen und Kalk in der Reihenfolge Phosphor < Kalk < Kalium < Stickstoff zugenommen Der in den letzten Jahrzehnten feststellbare Temperaturanstieg in der Luft, aber auch im Boden hat in allen Varianten, also weitgehend düngungsunabhängig, kontinuierlich zu verstärkter Umsetzung der organischen Substanz im Boden und in der Periode 1965 bis 2000 zu einem auch aus ökologischer Sicht bedenklichen C-Verlust von rund 10 % geführt. Dieser Trend hält bis heute weiter an. Literatur: Baumecker, M., Ellmer, F., Chmielewski, F.-M. 2002: Langfristige Entwicklung der Humusgehalte eines Sandbodens unter dem Einfluss von Düngung und Klima. Arch. Acker- Pfl. Boden. 48, 533-542. Benkenstein, H., Krüger, W., Pagel, H. 1996: Einfluß langjährig differenzierter Düngung auf die Tiefenverteilung von pH, C, N, P und K im Boden Thyrower Dauerfeldversuche. Mitt. Dt. Bodenkundl. Ges. 79, 223-226. Benthin, M. 1992: Der Einfluss langjährig differenzierter Düngung auf einige wichtige chemische und physikalische Eigenschaften eines Sandbodens. Diplomarbeit HU Berlin. Ellmer, F., Baumecker, M. 2005: Der Statische Nährstoffmangelversuch Thyrow Ergebnisse nach 65 Versuchsjahren. Archives of Agronomy and Soil Science 51, 151-161. Ellmer, F.; Baumecker, M. 2006: Soil organic matter of a sandy soil influenced by agronomy and climate. In: The role of long-term field experiments in agricultural and ecological sciences & Practical solutions for managing optimum C and N content in agricultural soils. Czech University of Agriculture, 58-65. 132 Jahn-Deesbach, W. 1961: Einfluß unterschiedlicher Düngungsmaßnahmen auf Boden und Pflanze im langjährigen Nährstoffmangelversuch in Thyrow bei Berlin. Z. Acker- Pflanzenbau 114, 121-156. Körschens, M. et.al. 1990: Dauerfeldversuche - Übersicht, Entwicklung und Ergebnisse von Feldversuchen mit mehr als 20 Jahren Versuchsdauer. Akad. Landwirtschaftswiss. DDR, 205-229. Langer, U., Klimanek, E.-M. 2006. Soil microbial diversity of four German long-term field experiments (Diversität von Bodenmikroorganismen in vier deutschen Langzeitversuchen). Archives of Agronomy and Soil Science 52, 507-523. Opitz, K. 1947: Düngungsversuche auf Sandboden. Z. Pflanzenern. Düng., Bodenkde. 38, 111-131. Pagel, H., Benkenstein, H., Krüger, W. 1981: Vereinfachte Ermittlung von PSorptionsisothermen und ihre Bedeutung für die Erfassung des P-Zustandes und der P-Dynamik im Boden. Arch. Acker- Pfl. Boden. 25, 755-765. Pagel, H., Benkenstein, H., Krüger, W., Baumecker, M. 1996: P- bzw. K-Status des Bodens in P- bzw. K-Mangelvarianten des Thyrower Statischen Nährstoffmangelversuches nach 55jähriger Versuchsdauer. Mitt. Dt. Bodenkundl. Ges. 79, 271-274. Schnieder, E. 1976: Entwicklung der Ernterträge und des Humusgehalts im Thyrower Nährstoffmangel-Dauerversuch. Wiss. Z. HU Berlin, Math.-Nat. Reihe XXV 4, 447-456. 3.5.2 Statischer Bodenfruchtbarkeitsversuch Thyrow M. Baumecker, F. Ellmer und W. Köhn Problemstellung und Zielsetzung Die Anlage des Statischen Bodenfruchtbarkeitsversuches (D VI) erfolgte 1938 durch OPITZ als „Dauerversuch zur Steigerung der Bodenfruchtbarkeit durch Zufuhr organischer und sonstiger Stoffe“. Es wurde angestrebt, Fruchtbarkeit, Ertragsleistung und -stabilität des schwach schluffigen Sandbodens durch den Einsatz von verschiedenen organischen Düngern bzw. durch Melioration mittels Tonboden aus dem Oderbruch nachhaltig zu verbessern. Wegen fehlender Bereitstellung der als „sonstige Stoffe“ bezeichneten organischen Ersatz(dünger)stoffe wurden diese im Versuchsverlauf verstärkt auf die differenzierte Anwendung von Stallmist umgestellt. Im Jahr 1961 kam es außerdem zu einer Umstellung auf verschiedene Strohdüngungsvarianten (Prüfglieder 8, 9 und 10). Bemerkenswert ist in diesem Versuch die mehrfache Änderung des StickstoffDüngungsniveaus in den letzten 50 Jahren. Sie ist Ausdruck einer sich immer wieder verändernden Auffassung hinsichtlich einer angemessenen und effizienten Stick133 stoffdüngung auf Sandboden. 1977 kam es zur Einführung einer dreifachen Abstufung mit 60/80/120 kg N ha-1 zu Getreide, 80/100/120 kg N ha-1 zu Kartoffeln und Mais sowie 160/240/360 kg N ha-1 zu Zuckerrüben. Ab 1995 erfuhr die Höhe der NGaben eine Absenkung auf maximal 120 kg ha-1 bei gleichzeitiger Einführung einer N0-Stufe. Außerdem wurde eine Variante mit ausschließlich organischer Düngung (Prüfglied b1) in den Versuch eingeführt und die vorher siebenfeldrige Fruchtfolge vereinfacht. Im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten stehen die kontinuierlichen Untersuchungen zur C-Dynamik bei stark differenziertem Corg-Niveau in der Ackerkrume. Versuchsanstellung Der Versuch ist als Langparzellenanlage mit Standardausgleich angelegt. Der Prüffaktor A) Mineralische N-Düngung ist dreifach, der Faktor B) Organisch-mineralische Düngung elffach gestuft (Tab. 3.5.2.1), die Anzahl der Wiederholungen beträgt zwei. Tab. 3.5.2.1: Prüffaktoren und Faktorenstufen im Statischen Bodenfruchtbarkeitsversuch Thyrow Prüffaktoren A Mineralische Faktorenstufen a1 Stufe N0 (ohne N) a2 Stufe N1 (60 kg N ha-1) a3 Stufe N2 (120 kg N ha-1) b1 ohne NPK-Düngung - Stallmist 1 (200 dt ha-1) mineralische b2 PK - ohne organische Düngung Düngung b3 NPK - ohne organische Düngung b4 NPK + Stallmist 1 (200 dt ha-1) b5 NPK + Stallmist 2 (400 dt ha-1) b6 NPK + Gründüngung b7 NPK + Stallmist 1 + Gründüngung b8 NPK + Stroh mit N-Ausgleich + Gründüngung b9 NPK + Stroh mit N-Ausgleich b10 NPK + Stroh ohne N-Ausgleich b11 NPK + Stallmist 1 + Oderbruchboden* N-Düngung B Organisch- 1937 und 1940 Ausbringung von je 3470 dt ha-1 Tonboden aus dem Oderbruch (Schichthöhe 5 cm); Stallmistdüngung in jedem 2. Jahr zu Kartoffeln bzw. Silomais; Höhe der Strohdüngung nach Anfall, N-Ausgleich: 0,7 kg N je dt Stroh; Gründüngung: Winterrübsen jedes 2. Jahr nach Halmfrucht, N-Düngung: 50 kg N ha-1; PK-Düngung: 17,5 kg P ha-1 und 100 kg K ha-1 einheitlich zu allen Fruchtarten; Kalkung nach Bedarf (Ziel pH 5,5) 134 Die Fruchtfolge war von 1995 bis 2004 zweigliedrig und enthielt die Fruchtfolgefelder Kartoffeln - Winterroggen - Silomais - Winterroggen. Seit 2005 werden Silomais und Winterroggen im Wechsel angebaut. Die Bodenbearbeitung erfolgt konventionell. Pflanzenschutzmittel werden im Rahmen der Schaderregerüberwachung entsprechend der Bekämpfungsrichtwerte eingesetzt. Einen Überblick über den Statischen Bodenfruchtbarkeitsversuch in Thyrow vermittelt Abbildung 3.5.2.1. Abb. 3.5.2.1: Ansicht des Statischen Bodenfruchtbarkeitsversuches Thyrow Ergebnisse Unter dem Einfluss langjährig differenzierter Bewirtschaftung haben sich folgende Veränderungen im pH-Wert und Nährstoffgehalt des Bodens ergeben (Tab. 3.5.2.2): Tab. 3.5.2.2: Nr. pH-Wert sowie P- und K-Gehalte* im Statischen Bodenfruchtbarkeitsversuch Thyrow (Mittel der N-Stufen, Schicht 0-20 cm, Herbst 2005) Organisch-mineralische Düngung pH PDL KDL [mg 100 g-1 Boden] 1 Stallmist 1 6,0 11,9 10,7 2 PK – ohne organische Düngung 6,0 8,4 11,9 3 NPK – ohne organische Düngung 5,9 7,2 10,4 4 NPK + Stallmist 1 5,8 12,1 13,2 5 NPK + Stallmist 2 6,0 20,3 18,3 6 NPK + Gründüngung 5,8 6,8 10,1 7 NPK + Stallmist 1 + Gründüngung (GD) 5,7 13,6 14,7 8 NPK + Stroh mit N-Ausgleich + GD** 5,5 6,3 10,3 9 NPK + Stroh mit N-Ausgleich 5,8 7,4 11,0 10 NPK + Stroh ohne N-Ausgleich 6,3 10,5 13,0 11 NPK + Stallmist 1 + Oderbruchboden 6,3 21,2 20,9 135 Die pH-Werte liegen bei einer Schwankungsbreite von 5,5 bis 6,3 bei sämtlichen Prüfgliedern in einem für die vorliegende Bodenart günstigen Bereich. Eindeutige variantenbedingte Differenzierungen sind nicht erkennbar. Bei den P- und KGehalten haben sich hingegen wesentlich größere Veränderungen herausgebildet. Gemessen an der nur mineralisch gedüngten Variante (3) zeigten sich beim P-Gehalt besonders deutliche Zunahmen bei sämtlichen stallmistgedüngten Prüfgliedern in Verbindung mit mineralischer Düngung. Bei der hoch mit Stallmist gedüngten Variante (5) und bei der zusätzlich mit Oderbruchboden angereicherten Variante (11) beträgt der P-Gehalt mit mehr als 20 mg 100 g-1 Boden inzwischen rund das Dreifache im Vergleich zum rein mineralisch gedüngten Prüfglied. Hauptursache für die PAnreicherung dürfte die regelmäßige P-Zufuhr durch den Stallmist selbst sein, die wesentlich höher ist als durch Stroh- oder Gründüngung. Dementsprechend unterscheiden sich die Prüfglieder mit Stroh- und Gründüngung nur wenig (Variante 10) oder gar nicht (Varianten 6, 8 und 9) von der Vergleichsvariante (3). Die K-Gehalte wurden durch die organisch-mineralische Düngung etwas weniger stark modifiziert als die P-Gehalte. Auffällig ist die Verdoppelung des K-Gehaltes in der texturverbesserten und damit relativ sorptionsstarken Variante mit Bodeneinmischung aus dem Oderbruch (11). Nur vom Prüfglied mit doppelter Stallmistgabe (5) wird annähernd das gleiche Niveau erreicht. Generell wirkte sich auch bei diesem Nährstoff die Stallmistdüngung in Verbindung mit NPK (4 und 7) stärker gehaltssteigernd aus als die Strohdüngung mit NPK (8, 9 und 10); die Gründüngung mit NPK (6) hingegen hatte im Vergleich zur rein mineralisch gedüngten Variante (3) keinen Steigerungseffekt. Bei der Strohdüngung ist auffällig, dass die Variante ohne Ausgleichs-N (10) etwas höhere Gehaltswerte an P und K aufgewiesen hat als die beiden Strohdüngungsvarianten mit Ausgleichs-N (8 und 9). Die organische Substanz des Bodens hat in allen Düngungsvarianten im Untersuchungszeitraum 1996-2005 um etwa 8 % niedriger gelegen als im Referenzzeitraum 1966-1975. Dieses Ergebnis deckt sich mit den Befunden aus dem Statischen Nährstoffmangelversuch. Im Übrigen haben sich entsprechend der Zufuhr von organischer Primärsubstanz aus Stallmist-, Stroh- und Gründüngung sowie Ernterückständen spezifische Veränderungen beim Humusgehalt eingestellt (Tab. 3.5.2.3). Bei ausschließlich mineralischer Düngung (3) ist in Stufe N0 trotz erheblicher Ernterückstände ein C-Gehalt von nur noch rund 350 mg 100 g-1 Boden festzustellen, eine Größenordnung, die in etwa dem inerten C-Anteil des Thyrower Bodens entspricht. 136 Hieraus wird deutlich, dass der Verzicht auf organische Düngung die Fruchtbarkeit des Sandbodens nachhaltig mindert. Die regelmäßige Stallmistdüngung in Höhe von durchschnittlich 100 dt ha-1 a-1 (Variante 4) hat in Stufe N0 den Erhalt des standorttypischen C-Niveaus, in Stufe N1 und N2 darüber hinaus sogar einen leichten Anstieg bewirkt. Eine aus ökologischer Sicht bedenkliche und nicht empfehlenswerte Überversorgung des Bodens mit Stallmist in Höhe von 200 dt ha-1 a-1 (Variante 5) hat im Vergleich zur standortüblichen Stallmistgabe (4) zu einem mittleren Anstieg an Corg um rund 30 % und im Vergleich zur ausschließlichen Mineraldüngung (3) sogar zu einer Verdopplung des Corg-Gehaltes geführt. Die eingeklammerten Werte des erst 1995 eingeführten Prüfgliedes Stallmistdüngung (1) sind noch durch Nachwirkungen der Vorgängervariante verzerrt und werden deshalb nicht interpretiert. Tab. 3.5.2.3: Nr. Corg-Gehalte [mg 100 g-1 Boden] im Statischen Bodenfruchtbarkeitsversuch Thyrow (Schicht 0-20 cm, Mittel 1996-2005 und Mittel 19661975) Organisch-mineralische Düngung Mittel*) mineralische N-Düngung **) 1966-75 N0 N1 N2 1 ohne NPK-Düngung - Stallmist 1*** - (498) (520) (548) 2 PK – ohne organische Düngung *** 421 339 352 358 3 NPK – ohne organische Düngung 434 350 394 433 4 NPK + Stallmist 1 640 529 615 626 5 NPK + Stallmist 2 867 721 800 803 6 NPK + Gründüngung 510 423 495 523 686 609 689 666 7 NPK + Stallmist 1 + Gründüngung (GD) 8 NPK + Stroh mit N-Ausgleich + GD 611 486 578 599 9 NPK + Stroh mit N-Ausgleich 654 476 556 589 10 NPK + Stroh ohne N-Ausgleich 601 535 614 662 11 NPK + Stallmist 1 + Oderbruchboden 954 750 856 911 *) einheitliche Stickstoffdüngung; **) N-Abstufung seit 1995; ***) keine N-Abstufung (einheitlich N0) Gründüngung in Verbindung mit NPK (6) hat zwar gegenüber ausschließlicher Mineraldüngung (3) zu einem leichten Anstieg der C-Gehalte geführt, eine ausreichende Humusreproduktion konnte hierdurch aber nicht bewirkt werden. Als zusätzliche organische Düngung war sie in Verbindung mit Stallmist (7) effektiver als mit Stroh (8). Von den Strohdüngungsvarianten war erstaunlicherweise das Prüfglied Strohdün137 gung ohne N-Ausgleich (10) eher in der Lage, das C-Niveau der standorttypischen Stallmistdüngung (4) zu erreichen, als die Prüfglieder Strohdüngung mit N-Ausgleich (8 und 9). Die stärkste Steigerung hat der Corg-Gehalt durch die Texturverbesserung erfahren, wie sie in Variante 11 durch Aufbringung von feinerdereichem Boden aus dem Oderbruch stattgefunden hat. Sie beträgt im Mittel der N-Stufen gegenüber der vergleichbaren Stallmist-Variante (4) mehr als 40 %. Die mineralische N-Düngung hat von Stufe N0 nach Stufe N1 zu einem Anstieg des C-Gehaltes um durchschnittlich 13 % und von Stufe N1 nach Stufe N2 zu einer Erhöhung um weitere 5 % geführt. Die Ertragsleistungen bei Kartoffeln, Silomais und Winterrogen stehen in enger Beziehung zu den Veränderungen der Bodenfruchtbarkeit durch die differenzierte organisch-mineralische Düngung. Als überlegene Düngungssysteme haben sich bei allen Fruchtarten und im Mittel der N-Stufen die Varianten 11 (NPK + Stallmist + Oderbruchboden), 7 (NPK + Stallmist + Gründüngung) und 5 (NPK + Stallmist - doppelte Gabe) herausgestellt (Tab. 3.5.2.4). Dabei haben die Kartoffeln besonders auf die Verbesserung durch den Oderbruchboden (11) und der Silomais auf die hohe Stallmistgabe (5) positiv reagiert. Kombinierte Mineral-, Stallmist- und Gründüngung (7) hat bei allen drei Kulturen gleichermaßen zu hoher Ertragsleistung und Ertragsstabiltät geführt und findet deshalb zu Recht in der landwirtschaftlichen Praxis auf Sandboden immer noch breite Anwendung. In Variante 4 (NPK + Stallmist) war ein mehr oder weniger deutlicher Ertragsabfall gegenüber dem zusätzlich mit Gründüngung versorgten Prüfglied (7) zu verzeichnen, u.a. wohl auch wegen des fehlenden N-Inputs von 50 kg ha-1 zur Gründüngung. Die Wirkung der ausschließlichen Stallmistdüngung (1) ist wegen der kurzen Versuchsdauer dieses Prüfgliedes und möglicher Nachwirkungen noch nicht interpretierbar. Von den strohgedüngten Düngungsvarianten hat sich das System NPK + Stroh mit N-Ausgleich + Gründüngung (8) als am stabilsten erwiesen. Hierzu hat offensichtlich die Gründüngung mit ihrem schnell umsetzbaren Stickstoff beigetragen, da gegenüber dem vergleichbaren Prüfglied ohne Gründüngung (9) bei allen Kulturen deutliche Mehrerträge zu verzeichnen sind. Strohdüngung ohne N-Ausgleich (10) kann nur dann erfolgreich angewendet werden, wenn die Kulturen ausreichend mit mineralischem Stickstoff versorgt werden. Insgesamt haben die Strohdüngungssysteme nicht 138 ganz die Leistungsfähigkeit der vergleichbaren mit Stallmist gedüngten Systeme erreicht. Tab. 3.5.2.4: Prüfglied* Kartoffeln [Knollen dt FM ha-1] n =2 N0 1** Erträge von Kartoffeln, Silomais bzw. Winterroggen im Statischen Bodenfruchtbarkeitsversuch Thyrow (Mittel 1996-2006) N1 N2 Silomais [dt TM ha-1 ] n=3 N0 N1 Winterroggen (Korn dt ha-1 86% TS) n=6 N2 (207,5) (208,7) (193,3) (102,0) (108,4) (107,0) N0 N1 N2 (17,4) (17,9) (20,3) 2** 105,5 127,9 128,8 40,9 43,5 41,4 8,8 10,4 9,1 3 118,8 187,3 205,0 43,7 113,7 130,8 10,0 36,1 48,0 4 215,3 222,0 222,7 109,4 150,9 150,6 20,4 42,9 50,6 5 241,4 211,1 233,0 156,4 168,2 163,3 30,4 47,8 51,7 6 163,0 230,5 221,6 90,6 138,5 141,0 15,8 40,7 49,9 7 222,0 274,7 264,2 142,5 158,9 164,6 25,3 46,2 51,4 8 183,0 247,2 237,6 99,2 150,6 146,0 18,1 44,8 52,1 9 180,0 236,3 265,1 78,8 137,6 148,9 16,0 41,4 48,7 10 165,7 261,2 274,3 64,7 135,5 154,7 14,6 40,4 49,2 11 268,2 309,3 336,3 134,8 163,4 166,2 23,4 45,1 51,0 * Prüfglieder: 1 ohne NPK-Düngung - Stallmist 1 2 PK - ohne organische Düngung 3 NPK – ohne organische Düngung 4 NPK + Stallmist 1 5 NPK + Stallmist 2 6 NPK + Gründüngung 7 8 9 10 11 NPK + Stallmist 1 + Gründüngung (GD) NPK + Stroh mit N-Ausgleich + GD NPK + Stroh mit N-Ausgleich NPK + Stroh ohne N-Ausgleich NPK + Stallmist 1 + Oderbruchboden **) in diesem Prüfglied keine N-Abstufung (einheitlich N0) Gründüngung (6) wies geringere Leistungseffizienz auf als Stallmist- (4) und Strohdüngung (9 und 10), unterstrich aber ihre Bedeutung auf dem leichten Boden durch Mehrerträge gegenüber der allein mineralisch gedüngten Variante (3) in Stufe N0 von bis zu 100 % und in den Stufen N1 und N2 von bis zu 23 %. Auf die positive Kombinationswirkung der Gründüngung in Verbindung mit Stallmist oder Stroh wurde bereits hingewiesen. Pflanzenbau auf Sandboden ohne organische Düngung führt stets zu erheblichen Ertragsverlusten, wie die deutlich geringeren Ertragsleistungen im Prüfglied 3 (NPK ohne organische Düngung) und besonders in der zusätzlich nicht mit mineralischem Stickstoff gedüngten Variante (2) zeigen. Besonders offensichtlich ist die Überlegen139 heit der organisch gedüngten Systeme in Stufe N0, aber auch bei ausreichender Versorgung mit mineralischem Stickstoff (Stufen N1 und N2) wurden Mehrerträge gegenüber rein mineralischer Volldüngung von bis zu 48 % erzielt. Die größten Steigerungseffekte waren in diesem Zusammenhang bei Kartoffeln und Silomais vorhanden. Die Wirkung der mineralischen N-Düngung war bei allen Fruchtarten im Mittel der Düngungssysteme erwartungsgemäß von Stufe N0 zu Stufe N1 mit 22-107 % Mehrertrag wesentlich höher als von Stufe N1 zu Stufe N2 mit 3-41 %. Am stärksten hat der Winterroggen, am wenigsten die Kartoffel auf die Erhöhung der mineralischen Stickstoffgaben reagiert. Zusammenfassung Die P- und K-Gehalte im Boden sind in Abhängigkeit von der unterschiedlich starken Nährstoffzufuhr in den einzelnen organischen Düngungsvarianten erheblich modifiziert worden. So liegen die P-Gehalte in den Prüfgliedern NPK + 200 dt ha-1 a-1 Stallmist sowie NPK + 100 dt ha-1 a-1 Stallmist + Oderbruchboden etwa dreimal, die K-Gehalte etwa doppelt so hoch wie in der rein mineralisch gedüngten Vergleichsvariante. Der pH-Wert reagiert nur wenig auf die verschiedenartigen Formen organischer Düngung. Eine ausreichende Humusreproduktion im schwach schluffigen Sandboden wird am besten durch den Einsatz von Stallmist- oder aber auch Strohdüngung in Verbindung mit mineralischer Düngung erreicht. Eine mittlere Gabe von 100 dt ha-1 a-1 Stallmist ist ausreichend, um standorttypische Corg-Gehalte von etwa 600 mg 100 g-1 Boden zu gewährleisten. Regelmäßige doppelte Stallmistgabe bzw. die zweimalige texturverbessernde Applikation von Oderbruchboden zu Versuchsbeginn haben zu einer überdurchschnittlichen Anhebung des Humusspiegels geführt. Ausschließliche Gründüngung oder der Verzicht auf jegliche organische Düngung genügen nicht zur Aufrechterhaltung des standortüblichen C-Niveaus. Die gestaffelte mineralische Stickstoffdüngung hat den Humusgehalt deutlich erhöht (im Versuchsmittel von Stufe N0 nach Stufe N2 um knapp 18 %). Wie im Statischen Nährstoffmangelversuch ist das C-Niveau in allen Düngungsvarianten in den letzten dreißig Versuchsjahren rückläufig. 140 Die Beeinflussung des Bodenfruchtbarkeitszustandes durch die verschiedenen Formen organischer Düngung spiegelt sich in den Erträgen von Kartoffeln, Silomais und Winterroggen eindeutig wider. Das größte Ertragspotential wird durch den Einsatz von kombinierter Stallmist- und Mineraldüngung erschlossen, besonders bei den Blattfrüchten Kartoffeln und Silomais. Strohdüngung ist ähnlich günstig, wenn sich genügend mineralischer Stickstoff in Form von Ausgleichs-N oder hoher N-Düngung zur Hauptfrucht im System befindet. Ausschließliche mineralische Düngung liegt selbst bei gesteigerter mineralischer N-Düngung zumeist deutlich unter dem Ertragsniveau der zusätzlich stallmist- oder strohgedüngten Varianten. Gründüngung hat vor allem im Verbund mit Stallmist- oder Strohdüngung ertragssteigernde Wirkung. Die zusätzliche Einbringung von feinerdereichem Material in den schwach schluffigen Sandboden ist ähnlich positiv für den Pflanzenertrag zu bewerten wie eine sehr gute Versorgung mit Stallmist. Nicht immer sind Mehrerträge in der hohen Mineral-NDüngungsstufe N2 erzielbar. In allen kombinierten organisch-mineralischen Düngungssystemen mit ihrem hohen N-Input ist deshalb und nicht zuletzt auch aus ökologischen Gründen sorgfältig abzuwägen, ob der hohe mineralische Stickstoffeinsatz immer sinnvoll ist. Literatur: Benkenstein, H., Krüger, W., Pagel, H. 1996: Einfluß langjährig differenzierter Düngung auf die Tiefenverteilung von pH, C, N, P und K im Boden Thyrower Dauerfeldversuche. Mitt. Dt. Bodenkundl. Ges. 79, 223-226. Breunig, W., Schnieder, E. 1966: Der Thyrower Bodenfruchtbarkeitsversuch Wiss. Z. HU Berlin, Math.-Nat. Reihe XV (2), 195-210. Ellmer, F., Baumecker, M., Schnieder, E. 1997: Langfristige Entwicklung des Humusgehaltes in Dauerfeldversuchen am Standort Thyrow. Mitt. Dt. Bodenkundl. Ges. 84, 397-400. Ellmer, F., Baumecker, M., Benkenstein, H., Krüger, W., Pagel, H., Peschke, H., Schnieder, E. 1997: Statischer Bodenfruchtbarkeitsversuch. In: Einfluß der Bodennutzung auf die langfristige Entwicklung von Fruchtbarkeit und Ertragsfähigkeit sandiger Böden. Ökol. Hefte Landwirtsch.-Gärtner. Fak. HU Berlin 7, 93-110. Ellmer, F., Peschke, H., Köhn, W., Chmielewski, F.-M., Baumecker, M. 2000: Tillage and fertilizing effects on sandy soils. Review and selected results of long-term experiments at Humboldt-University Berlin. J. Plant Nutr. Soil Sci. 163, 267-272. Ellmer; F., Baumecker, M. 2005: Soil organic matter of a sandy soil influenced by agronomy and climate. The role of long-term experiments in agriculture and ecological sciences & Practical sulutions for managing optimum C and N in agricultural soils. Czech University of Agriculture, 58-65. Kretschmann, S. 1990: 15N-Anreicherung der organischen Substanz langjährig differenziert gedüngter Dauerversuchsböden. Dissertation HU Berlin. 141 Kretschmann, S., Peschke, H. 1991: Incorporation of 15N-Tracer into organic matter of soils. 10th International Symposium 19. 24.8.1991. Humus et Planta Proceedings, Prague. Kretschmann, S.; Peschke, H., Völker, D. 1993: 15N-An- und -Abreicherung organischer Bodensubstanz. Mitt. Dt. Bodenkundl. Ges. 71, 35-38. Opitz, K. 1949: Düngungsversuche auf Sandboden. Z. Pflanzenern. Düng., Bodenkde 45 (1/3), 232-244. Peschke, H., Schnieder, E. 1986: Stickstoffmineralisation unter dem Einfluß der Düngung in Böden des Thyrower Bodenfruchtbarkeitsversuches. Arch. Acker- Pfl. Boden. 30, 715-721. Peschke, H. 1992: Kohlenstoff- und stickstoffdynamische Untersuchungen in Dauerversuchsböden. Tagungsbericht „Dauerfeldversuche und Nährstoffdynamik“. Symposium 10.-12.06.92 Bad Lauchstädt, 83-87. Peschke, H., Mollenhauer, S. 1995: Vergleichende Untersuchungen zur Stickstoffleistung und -verwertung von Dauerversuchsböden im Brandenburger Raum. VDLUFASchriftenreihe 39. Rocksch, T. 1999: Stickstoffdynamik auf Dauerversuchsflächen – Untersuchungen mit dem Stabilisotop 15N. Dissertation HU Berlin. Schnieder, E. 1974: Über die Auswirkungen einer Sandmelioration mit Tonboden aus dem Oderbruch. Arch. Acker- Pfl. Boden. 18, 375-382. Schnieder, E. 1976: Einfluß der mineralischen und organischen Düngung auf den CGehalt des Bodens in den langjährigen Thyrower Dauerversuchen. Wiss. Z. HU Berlin, Math.-Nat. Reihe XXV (4), 433-4 3.5.3 Statischer Düngungs- und Beregnungsversuch Thyrow M. Baumecker, F. Ellmer und W. Köhn Problemstellung und Zielsetzung Der Statische Düngungs- und Beregnungsversuch (D I) wurde 1937 als einer der ersten Thyrower Dauerfeldversuche von OPITZ als Langparzellenversuch mit vier Düngungsstufen (Stickstoff in Kombination mit organischer Düngung) unter der Bezeichnung “Intensitätsversuch” angelegt und in dieser Form bis 1968 durchgeführt. Im Jahr 1969 erfolgte dann eine Erhöhung des Stickstoffaufwandes, die Einführung der Beregnung als zweiter Prüffaktor und eine dem Beregnungseinsatz entsprechende Abänderung der Fruchtfolge. Dieses Konzept sollte Erkenntnisse darüber vermitteln, inwieweit es durch einen erhöhten inneren Systemumsatz infolge intensiver Beregnung und N-Zufuhr möglich ist, den verstärkten Abbau der organischen Substanz während der Vegetationszeit auszugleichen oder ob unter diesen Bedingungen eine stärkere Versorgung des Bodens mit organischer Substanz erfolgen muss. 142 Versuchsanstellung Der Versuch ist eine zweifaktorielle Langparzellenstandardanlage mit den Prüffaktoren A) Beregnung und B) Organisch-mineralische Düngung und umfasst fünf Großteilstücke (Felder bzw. Fruchtarten). Die Anzahl der Wiederholungen beträgt drei. Eine Gesamtansicht des Versuches vermittelt Abbildung 3.5.3.1. Abb. 3.5.3.1: Gesamtansicht des Statischen Düngungs- und Beregnungsversuches Thyrow Die Prüffaktoren des Versuches sind folgendermaßen abgestuft (Tab. 3.5.3.1): Tab. 3.5.3.1: Prüffaktoren und Faktorenstufen im Statischen Düngungs- und Beregnungsversuch Thyrow Prüffaktoren Faktorenstufen A Beregnung a1 a2 B Organischmineralische Düngung b1 b2 b3 b4 ohne Beregnung mit Beregnung N0 mit Strohdüngung (ohne N-Düngung) N1 mit Strohdüngung (60 kg N ha-1 bzw. 120 kg N ha-1*) N2 mit Strohdüngung (120 kg N ha-1 bzw. 240 kg N ha1* ) N2 ohne Strohdüngung (120 kg N ha-1 bzw. 240 kg N ha-1*) * = 120 bzw. 240 kg N ha-1 nur zu Knaulgras PK-Düngung: 17,5 kg P ha-1 und 100 kg K ha-1 einheitlich zu allen Fruchtarten Kalkung nach Bedarf (Ziel pH 5,5 ) Die organische Düngung erfolgt durch Stroh (nach Aufwuchs) nach Wintergerste und Winterroggen, nach Wintergerste zusätzlich durch eine Gründüngung (Winterrübsen). 143 Zu Versuchsbeginn wurden die Beregnungsmengen gemäß den Beregnungsempfehlungen nach KLATT bemessen. Seit Anfang der 90er Jahre wird das Beregnungsteuerungsprogramm BEREST für die Beregnungssteuerung eingesetzt. Die Zusatzwassermengen betrugen im Mittel der Jahre 2001-2005 78 mm (46-134 mm). Die Fruchtfolge repräsentiert eine breite standorttypische Fruchtartenpalette mit den Fruchtarten Kartoffeln - Wintergerste - Öllein (seit 2007 Winterraps) - Winterroggen Knaulgras. Ergebnisse Unter dem Einfluss langjährig differenzierter Bewirtschaftung haben sich im Boden trotz einheitlicher Grunddüngung erhebliche Veränderungen in den P-, K- und MgGehalten und in der Azidität ergeben (Tab. 3.5.3.2). Tab. 3.5.3.2: Bodennährstoffgehalte und Acidität im Statischen Düngungs- und Beregnungsversuch Thyrow (Schicht 0-20 cm, 1969 und Mittel 2001-2005) Prüfglieder PDL [mg 100 g-1] KDL [mg 100 g-1] Mg [mg 100 g-1] pH STATUS 1969 4,9 7,0 1,1 5,2 unberegnet 7,5 7,1 2,3 5,7 beregnet 9,5 6,7 3,0 6,3 So ist durch die Beregnung gegenüber den unberegneten Varianten eine deutliche Zunahme der pH-Werte (+0,6), der P-Gehalte (+2,0 mg 100 g-1Boden) und der MgGehalte (+0,7 mg) zu verzeichnen, während die K-Gehalte leicht abgenommen haben. Düngung und Beregnung haben auch den Gehalt an organischer Bodensubstanz unterschiedlich stark beeinflusst. Am stärksten hat sich die organische Düngung in Form von Stroh- und Gründüngung ausgewirkt (+22 % im Mittel aller Düngungs- und Beregnungsstufen gegenüber „ohne organische Düngung“, Tab. 3.5.3.3). Durch den Einsatz von Mineral-N-Düngung in Höhe von 60 bzw. 120 kg N ha-1 (Stufe N1) wurde der Corg-Gehalt gegenüber den nur organisch gedüngten Prüfgliedern um mehr als 13 % angehoben und bei Verdoppelung der mineralischen Stickstoffdüngung (Stufe N2) um weitere 3 % erhöht. 144 Tab. 3.5.3.3: Corg-Gehalte [mg 100 g-1 Boden] im Statischen Düngungs- und Beregnungsversuch Thyrow (Status 1969 und Mittel der Jahre 2001-2005) Prüfglieder Status 1969 unberegnet beregnet organische Düngung ohne N-Düngung (Stufe N0) 630 513 554 organische Düngung mit N-Düngung (Stufe N1) 690 589 623 organische Düngung mit N-Düngung (Stufe N2) 687 616 628 ohne organische Düngung mit N-Düngung (Stufe N2) 467 471 489 Zwischen den Beregnungsstufen (ohne bzw. mit Beregnung) sind unabhängig von der Düngungsart keine erheblichen Unterschiede im Corg-Gehalt festzustellen. Die beregneten Prüfglieder weisen im Mittel der Varianten einen nur wenig höheren CorgGehalt auf (<5 %), allerdings mit etwas größerer Differenz bei fehlendem oder geringem mineralischen Stickstoffangebot (ohne N-Düngung bzw. Stufe N1) als bei höherer N-Düngung (Stufe N2). Der Rückgang des C-Gehaltes in den kombiniert organisch-mineralisch gedüngten Varianten, verglichen mit dem Ausgangsstatus von 1969, dürfte mit der intensiven Stallmistdüngung in der davorliegenden Versuchsphase 1937-1969 und der damit verbundenen C-Akkumulation in Zusammenhang stehen und weniger auf Beregnungseffekte zurückzuführen sein. Die positive Wirkung der Beregnung auf den Ertrag steht in enger Beziehung zur organisch-mineralischen Düngung (Tab. 3.5.3.4). So war bei ausschließlich organischer Düngung, also ohne jede zusätzliche mineralische N-Düngung, der ertragssteigernde Effekt der Beregnung relativ unsicher. Mehrerträgen bei Knaulgras und Öllein stehen Mindererträge bei Kartoffeln und Getreide gegenüber. Sobald mineralischer Stickstoff appliziert wurde, sind unabhängig von der Höhe der N-Gabe teilweise erhebliche Ertragssteigerungen durch die Beregnung oder aber zumindest gleich hohe Ertragsleistungen in beiden Beregnungsstufen zu verzeichnen. Von den Fruchtarten haben am stärksten Knaulgras und Öllein positiv auf die Zusatzbewässerung reagiert. In der Summe der Trockenmasseerträge der Rotation zeigt sich, dass die Beregnung im Mittel der organisch gedüngten Stickstoffstufen N1 und N2 etwa 14 % Ertragszuwachs bewirkt hat. Mit einer durchschnittlichen Düngung von 72 kg ha-1 N ist die TM145 Produktion ohne Beregnung um rund 117 dt ha-1 (von 74,5 auf 191,1 dt ha-1 = +157 %), bei weiteren 72 kg ha-1 um zusätzlich rund 55 dt ha-1 (von 191,1 dt ha-1 auf 245,6 dt ha-1 = +29 %) angestiegen. Mit Beregnung hat der TM-Zuwachs von Stufe N0 nach Stufe N1 sogar +143 dt ha-1 (+197 %), im Vergleich der Stufe N1 zu N2 +66 kg ha-1 (=+31%) betragen. Hieraus wird eine deutliche Verbesserung der NDüngungseffizienz durch den Einsatz von Zusatzwasser erkennbar. Tab. 3.5.3.4: Ertragsleistung der fünf Fruchtarten im Statischen Düngungsund Beregnungversuch Thyrow (Mittel 2001-2005) Prüfglieder mit org. Düng. N0 mit org. Düng. N1 mit org. Düng. N2 ohne org. Düng. N2 Beregnung Beregnung Beregnung Beregnung ohne mit ohne mit ohne mit ohne mit 9,5 13,0 51,0 63,8 78,6 104,5 70,2 96,8 100 137 100 125 100 133 100 138 Kartoffeln [dt FM Knollen ha-1] relativ 120 111 239 265 280 272 233 229 100 92 100 111 100 97 100 98 Wintergerste [dt Korn ha-186 % TS] relativ [dt Stroh ha-186 % TS] relativ 17,3 15,6 39,1 42,0 44,9 52,4 41,0 51,0 100 9,7 100 90 9,9 102 100 30,0 100 107 30,7 102 100 33,8 100 117 37,4 111 100 30,8 100 124 36,9 120 Winterroggen [dt Korn ha-1 86 % TS] relativ [dt Stroh ha-186 % TS] relativ 22,2 19,7 45,1 45,1 54,6 62,5 53,8 53,9 100 27,9 100 89 24,3 87 100 57,8 100 100 51,2 89 100 68,1 100 114 76,5 112 100 65,5 100 100 69,5 106 Öllein [dt Korn ha-1 91 % TS] 4,7 5,3 11,9 17,2 12,6 14,4 11,2 13,1 relativ 100 113 100 145 100 114 100 117 74,5 72,8 191,1 216,2 245,6 282,5 220,3 256,3 100 112,1 100 98 107,0 95 100 278,9 100 113 298,0 107 100 347,4 100 115 396,4 114 100 316,6 100 116 362,7 115 Fruchtart: Knaulgras [dt TM ha-1] relativ TM-Ertrag Rotation [dt ha-1] relativ [dt ha-1] mit Stroh relativ * Kursivzahlen = Prozentangaben; * = Summe der TM-Erträge der Rotation (n = 5 Jahre) Die höchsten Erträge wurden in der Regel in der Mineral-N-Stufe N2 in Verbindung mit organischer Düngung erzielt (Ausnahme Öllein). Besonders Knaulgras hat auf die hohe N-Zufuhr positiv reagiert. Bei ausschließlicher Mineral-N-Düngung (Stufe N2) wurden fruchtartabhängig im Mittel der Beregnungsstufen immerhin noch 84-94 % 146 des Maximalertrages (Variante Stufe N2 - mit organischer Düngung), bei ausschließlicher organischer Düngung allerdings vergleichsweise nur noch 12-42 % erzielt. Zusammenfassung Durch die Beregnung wurden im Vergleich zu „unberegnet“ der pH-Wert und die PDLund Mg-Gehalte in der Krume erhöht, der K-Gehalt hingegen leicht gesenkt. Die Humusgehalte erfuhren, gemessen am Corg-Gehalt der Krume, durch die Zusatzwassergaben tendenziell eine Anhebung, besonders bei fehlender (Stufe N0) oder geringer (Stufe N1) mineralischer N-Düngung. Die höchsten Erträge wurden fast immer in Stufe N2 im Verbund mit organischer Düngung erzielt. Die positive Wirkung der Beregnung war besonders deutlich ausgeprägt bei kombinierter organischer und mineralischer N-Düngung, allerdings mit fruchtartspezifisch unterschiedlicher Intensität. Bei ausschließlich organischer oder rein mineralischer N-Düngung waren die Beregnungseffekte bei den verschiedenen Kulturen uneinheitlich. Von den Fruchtarten haben besonders das Knaulgras und der Öllein positiv auf die Beregnung reagiert. Literatur: Baumecker, M., Ellmer, F. 1996: Wirkungen langjähriger Beregnung und differenzierter Düngung auf Bodenzustand und Pflanzenertrag eines marginalen Sandbodens. Mitt. Dt. Bodenkundl. Ges. 79, 329-332. Ellmer, F., Baumecker, M., Schnieder, E. 1997: Statischer Düngungs- und Beregnungsversuch. In: Einfluß der Bodennutzung auf die langfristige Entwicklung von Fruchtbarkeit und Ertragsfähigkeit sandiger Böden. Ökol. Hefte Landwirtsch.-Gärtner. Fak. HU Berlin 7, 127-134. Ellmer, F., Baumecker, M. 2002: 65 Jahre Thyrower Dauerversuche. Ergebnisse für den nachhaltigen Pflanzenbau auf sandigen Böden. Arch. Acker- Pfl. Boden. 48, 521-531. Ellmer, F., Peschke, H., Köhn, W., Chmielewski, F.-M. und Baumecker, M. 2002: Tillage and fertilizing effects on sandy soils. Review and selected results of longterm experiments at Humboldt-University Berlin. J. Plant Nutr. Soil Sci. 163, 267-272. Körschens, M. 1990: Dauerfeldversuche - Übersicht, Entwicklung und Ergebnisse von Feldversuchen mit mehr als 20 Jahren Versuchsdauer. Akad. Landwirtschaftswiss. DDR, 220-224. Peschke, H. 1997: 60 Jahre Statische Versuche in Thyrow – Bedeutung, Ergebnisse und Ausblick. Arch. Acker- Pfl. Boden. 42, 169-179. Peschke, H., Ellmer, F., Baumecker, M. 1998: Einfluß langjährig differenzierter Düngung auf Fruchtbarkeit und Ertragsfähigkeit sandiger Böden - Ergebnisse aus Dauerfeldversuchen. Z. Kulturtechn. Landentwickl. 39, 157-161. 147 Schnieder, E. 1976: Einfluß der mineralischen und organischen Düngung auf den CGehalt des Bodens in den langjährigen Thyrower Dauerversuchen. Wiss. Z. HU Berlin, Math.-Nat. Reihe XXV 4, 433-445. Schnieder, E. 1978: Einfluß der Beregnung und Stickstoffdüngung auf die Erträge und die Nährstoffversorgung einer Tieflehm-Fahlerde. Tagungsber. Akad. Landwirtschaftswiss. 155, 75-84. Schnieder, E. 1985: Über den Einfluß der Beregnung auf den Ertrag und den Humusgehalt in einem Dauerdüngungsversuch auf Tieflehm-Fahlerde. Arch. Acker- Pfl. Boden. 29, 569-574. 4.0 Vergleichende Auswertung der Dauerfeldversuche (Pkt. 3.0) und deren Bedeutung für die Bodennutzung J. Rühlmann und W. von Gagern Auf Böden wird der Großteil der menschlichen Nahrung produziert. Maßnahmen zum Erhalt dieser Nahrungsgrundlage sind permanent Gegenstand einer Vielzahl politischer Aktivitäten und wissenschaftlicher Untersuchungen. In diesem Kontext bieten Dauerdüngungsversuche eine einzigartige Möglichkeit, über Mechanismen der Ertragsbildung hinaus z.B. den Stoffhaushalt des Systems Boden – Pflanze relativ genau zu bilanzieren. Eine Ursache für diese Einzigartigkeit liegt in der Langfristigkeit der Untersuchungen begründet, die es ermöglicht, Änderungen der Bodenvorräte, z.B. an Stickstoff und Kohlenstoff, messbar zu machen. Diese Bodenvorräte machen ein Vielfaches der jährlich im Pflanzenbestand gebundenen Stickstoff- und Kohlenstoffmenge aus. Die Notwendigkeit der Durchführung derartiger Langzeitstudien ergibt sich unter anderem aus der Natur humusdynamischer Prozesse – sie laufen relativ langsam ab. Mit der Humusdynamik verbunden sind jedoch Prozesse von zeitloser Aktualität wie z.B. die Freisetzung von Nährstoffen und Treibhausgasen aus Agrarökosystemen in die Umwelt. Mit der vorliegenden Broschüre sollen erstmals Ergebnisse aus einer Auswahl mehrerer Brandenburger Dauerfeldversuche – aus Dauerdüngungsversuchen – vorgestellt und standortübergreifend betrachtet werden. 148 4.1 Bodennutzung und Erträge Wie aus der klimatologischen Beschreibung ersichtlich, gestaltete sich der Jahresgang der Lufttemperatur und der Niederschläge für alle DFV-Standorte annähernd gleich. Lediglich die Standort Berlin-Dahlem weist vom Trend für beide Parameter die höchsten Werte auf, was sicherlich auf die Stadtlage zurück zuführen ist. Die folgend zu betrachtenden Unterschiede der Prüfergebnisse für die DFV der einbezogenen Standorte lassen sich somit ausschließlich mit der Wirkung der Prüffaktoren und die Bodenreaktionen der Standorte begründen. 4.1.1 Erträge der nicht gedüngten Parzellen (Nullparzellen) Die Erträge der Nullparzellen widerspiegeln den Anteil der Bodenwirkung an der Ertragsbildung am deutlichsten, da kein Düngungseffekt vorhanden ist. Jedoch sind diese Nullparzellen-Erträge von Fruchtfolge und Versuchsdauer beeinflusst. In Tabelle 4.1.1.1 wird das jeweils langjährige mittlere Ertragsniveau mitgeteilt. Die weitestgehend durch Sand geprägten Standorte Groß Kreutz, Berlin-Dahlem und Thyrow sind durch die niedrigsten Erträge im Vergleich der untersuchten Standorte charakterisiert. Tab. 4.1.1.1: Mittleres Ertragsniveau* der Nullparzellen der DFV- Standorte Standort Berlin-Dahlem (IOSDV) Großbeeren schluffiger Sand (Bereg.) Großbeeren sandiger Lehm (Bereg.) Großbeeren toniger Schluff (Bereg.) *Haupt- und Koppelprodukt dt TM/ha 37 58 78 82 Standort Groß Kreutz M 4 Groß Kreutz P 60 Paulinenaue (Grünl.) Thyrow (D1; D4) dt TM/ha 36 34 78 7; 15 Dem besonders niedrigen Ertragsniveau am Standort Thyrow kommt besonders für die leichteren landwirtschaftlichen Nutzflächen in Brandenburg eine hohe Repräsentanz zu. Die beregnete Gemüsefruchtfolge in Großbeeren erreicht ein wesentlich höheres Niveau im Trockenmasseertrag. Auch auf dem grundwasserbeeinflussten Grünland werden bei P- und K-Versorgung ohne N-Ergänzung ähnlich hohe TM Erträge erreicht wie unter Beregnungsbedingungen. Die Erträge der „Nullparzellen“ liegen in den genannten Versuchen (Tab.4.1.1.2) zwischen 50 und 80 % unter den jeweiligen Vergleichsparzellen mit angegebener Düngung. Bei Beregnung fallen in den Kastenparzellenversuchen die Ertragsdefizite der „Nullparzellen“ wesentlich niedriger aus. Auch das Dauergrünland auf Niedermoor 149 bringt ohne N-Düngung, aber P- und K- Gaben nur Ertragsausfälle von max. 35 %. Vergleicht man die Erträge der „Nullparzellen“ jedoch mit denen der nur organisch gedüngten Parzellen, fallen die Defizite geringer aus, weil die nur organisch gedüngten Flächen deutlich niedrigere Erträge erreichten. Aussagen zum N- und C-Haushalt der jeweiligen DFV folgen im Punkt 4.2. Tab. 4.1.1.2: Versuchstandort Ertragsniveau der „Nullparzellen“ der ausgewählten Dauerfeldversuche in Brandenburg/Berlin Bodenart*) Ackerzahl Bedingungen ohne STM., ohne Kalk BerlinDahlem, BDa_ D3 Su2 AZ 29 (Pkt.: 3.1.2) n. >60 Jahren, TM 20 % n.> 35 Jahre, WR 75 % Hafer 65 % Kart. 42 % n. > 20 Jahren Kart. 47 % ohne mineral.. u. ohne organ. Düngung Kart. 43 % (N-Bilanz -44kg/ha) n. 35 Jahren, ohne mineral.. u. ohne organ. Düngung, + TM 87 % TM 54 % n. 35 Jahren, TM 94 % TM 70 % Ut3 150mm Bereg./Jahr n. 35 Jahren, TM 91 % TM 72 % Groß Kreutz, GrK_M4 (Pkt.:3.3.1) Su4 AZ 40/42 ohne mineral.. u. ohne organ. Düngung Groß Kreutz, GrK_P60 (Pkt.: 3.3.2) Su2 AZ 31/33 ohne mineral.. u. ohne organ. Düngung Sl2 AZ 31 ohne mineral. u. organ. N; mit P u. K Hn, Sl3 GZ 33 ohne mineral. u. organ. N; mit P u. K Su2 AZ 25 ohne mineral.. u. ohne organ. Düngung Su2 Großbeeren (Kastenparzellenversuch) Grb_KPA (Pkt.: 3.2.1) Müncheberg Mue_V140 (Pkt.: 3.4.1) Paulinenaue Dauergrünland (Pkt.:3.4.3) Thyrow Thy_D4 (Pkt.:3.5.1) *) Erträge der „Nullparzellen“ in % Ls4 n. > 45 Jahren, TM 40 % TM 51 % (N-Bilanz -13kg/ha) n. > 45 Jahren, TM 50% TM 49% n. > 45 Jahren, TM 40 % n. 40 Jahren Vergleichsbezug mit STM. u. Kalk 80-110kg mineral. N; (N-Bilanz +56kg/ha) 80-110kg mineral. N + Stroh-/Grün-/ Blattdüngung (N-Bilanz +63kg/ha) 100kg organ. N; Je 100kg N organ. u. mineral./ha 100kg organ. N Je 100kg N organ. u. mineral./ha 100kg organ. N Je 100kg N organ. u. mineral./ha mineral. + organ. je 100 kgN/ha; (N-Bilanz +94kg/ha) organ. 100kg N/ha (N-Bilanz +40kg/ha) 76kg organ. N + 54kg mineral.N/ha; (N-Bilanz +50kg/ha) 84kg mineral. N/ha (N-Bilanz +39kg/ha) mineral. + organ. N; TM 59 % nur STM.- N TM 73 % 120kg mineral. N/ha; TM 65 % 240kg mineral. N/ha n. > 60 Jahren, TM 10 % (S-Gerste Totalausfall) NPK + Kalk Su2 = Schwach schluffiger Sand; Sl2 = schwach lehmiger Sand; Su4 = stark schluffiger Sand; Ls4 = stark sandiger Lehm; Ut3 = mittel toniger Schluff; Hn = Niedermoortorf 150 4.1.2 Erträge der gedüngten Prüfglieder Als Hauptfragestellungen der Prüfparzellen wird der Einfluss unterschiedlicher N- und C-Zufuhr sowie der Bodenbearbeitung behandelt. • Für die klimabedingten Ertragsveränderungen hat CHMIELEWSKI (Pkt. 3.1.1) bezogen auf die Zeit 1950-2000 nachgewiesen, dass Winterroggen und Zuckerrüben positiv, Kartoffeln wenig positiv auf die 1,2°C Temperaturanstieg reagierten, wohingegen Sommergerste und Hafer sich indifferent verhielten und Ackerbohne leicht rückläufige Erträge erbrachte. • Trotz Kalkversorgung gehen bei unterlassener Stallmistdüngung die Erträge bis zu 20% zurück (BDa D3, Pkt. 3.1.2). Für das Prüfglied STM wurden in den ersten 30 Versuchsjahren gleich hohe Erträge gemessen wie für das Prüfglied STM+Kalk. Erst in den folgenden 20 Jahren fielen die Erträge um > 40% gegenüber STM+Kalk ab. Die Kombination von STM+NPK+Kalk erbrachte im Mittel von 15 Jahren im Dauerversuch Thy D4 ( Pkt. 3.5.1) die höchsten Erträge. Auf fehlenden Kalk und NPK (-68%) ohne STM und Kalk (-62 %) reagierte Sommergerste am negativsten. Für Kartoffeln und Silomais lagen die Ertragseinbußen für die genannten Varianten in Thyrow nur zwischen -8 % und 26 %. • Im Bodenfruchtbarkeitsversuch am Standort Thyrow (Pkt. 3.5.2) bewirkte die alleinige STM–Gabe (200 dt ha-1) zwar höhere Erträge als die PK- Düngung allein, aber niedrigere als die NPK–Düngung. Deutlich über diesem Ertragsniveau liegen die Parzellen mit der kombinierten mineralischen und organischen Düngung. Die in Brandenburg viel genutzte Düngungskombination NPK+Stroh+N zeigt im Mittel von 20 Versuchsjahren gleich hohe Erträge wie die Prüfglieder NPK+STM und NPK+Stroh (Abb.: 4.1.2.1). Von den geprüften Nutzpflanzen reagiert der Roggen am wenigsten auf die organische Ergänzung der mineralischen Düngung und die Kartoffel am stärksten. 151 dt ha-1 400 350 Kartoffeln (FM) 300 Silomais (TS) Winterroggen (86%TS) 250 200 150 100 50 od en r br .b N PK +S t 0d t/h a+ O N PK +S TM 20 N D PK +S tr +N +G D N PK +S tr +N D N PK +S T M 20 0d t/h a+ G 0d t 40 M M N PK +G /h a /h a 0d t 20 N PK +S T PK N PK N PK +S T ST M 20 0d t/h a 0 Düngungsvarianten bei 120kg N ha-1 Abb. 4.1.2.1: Erträge bei unterschiedlichen Düngungsvarianten Bodenfruchtbarkeitsversuch Thyrow (1996-2006) • Im DFV P60 (Pkt. 3.3.2) in Groß Kreutz wurde im Vergleich zu den anderen Brandenburger Dauerversuchen breite Palette von organischen Düngern mit variierter mineralischer N-Düngung kombiniert. Wie in Abb. 4.1.2.2 gezeigt, führten unterschiedlichste Düngungskombinationen zu sehr ähnlicher Erträgen, dass eine moderate mineralische N–Gabe (74 kg ha-1) ergänzt durch Strohdüngung ohne N–Ausgleich ein hohes Ertragsniveau (67,1 dt TM ha-1) sichert. Jedoch wurde auch mit reiner mineralischer N–Gabe (84 kg ha-1) etwa der gleiche Ertrag (68 dt TM ha-1) erreicht. Für beide Varianten liegt die gleiche N-Bilanz (39 kg/ha) vor. Es sei darauf verwiesen, dass für alle Stallmistvarianten ein höherer N–Bilanzüberschuss ermittelt wurde. Stallmist (250 dt ha-1) bewirkte in Kombination mit moderater mineralischen N–Gabe (84 kg ha-1) einen Ertragszuwachs von 8,5 dt ha-1 gegenüber der reinen Mineraldüngung (84 kg ha-1), jedoch mit einer N-Bilanz von 73 kg N ha-1. Mit Gründüngung und Gründüngung mit einmaliger Strohdüngung in der Fruchtfolge werden mit einem Gesamt-N-Einsatz von 84 bzw. 93 kg N ha-1a-1 sehr gute Erträge (70,0 bzw. 72,2 dt TM ha-1a-1) bei gleichzeitig nach DüVO zulässigen N-Bilanzen (<60 kg N ha-1a-1) erzielt. Bemerkenswert ist, dass beide Gründungsvarianten die mit 71 bzw. 74% im Versuch höchste agronomische N-Effizienz aufweisen. 152 Gegenüber beiden Gründüngungsvarianten erbringen einmalige Strohdüngung in der Fruchtfolge und alleinige N-Mineraldüngung um ca. 5 % geringere Erträge bei gleichzeitig auf 67 bzw. 68% verminderter N-Effizienz. Mit alleiniger Stallmistdüngung reduziert sich die Ertragsleistung um weitere 20 % und dt TM ha -1 die agronomische N-Effizienz auf nur noch 53 %. 250 TM-Ertrag 200 min. N organ. N 150 N - Bilanz 100 50 0 S 2 G M G M 0, St 2 0, G M St G M oh St G ül ül ül rü r x in i i 5 x 5 in ro r ne tall St l l St l St alld ner St ner er er nd ünd oh ro e I 6 al al e I m e II al al al ro al Dü dun h o un m ü ü dü d dü ld hn ld dü m ng ng h h it g g ng ün it un un i m N n n e n t ( u u S oh un ge ge ge ge S -A it ng ng Ng g Nne g us r ( troh tro r( r( (N r A m Au h N N N gl NP usg e it 5 5 rh e s e e sg S r e r i l K) ch öh ei tro hö hö h r h lei ch t) ht ht h c o II) I) ch h 6 )6 Abb. 4.1.2.2: Erträge ha -1bei variierter mineralischer und organischer Düngung, D FV P60 Groß Kreutz in dt TM (1959-2006) Die Varianten mit Gülle als organische N–Quelle bzw. sehr hohe mineralischen N –Gaben führten zu 5 – 9 dt ha-1 höheren Erträgen, aber auch zu deutlich höheren N–Bilanzüberschüssen (83 - 127 kg ha-1) und geringerer agronomischer N-Effizienz. Die Varianten mineralischer N-Gabe (88 kg ha-1 bzw. 85 kg N ha-1) in Kombination mit Strohdüngung mit N-Ausgleich bzw. Stroh mit Gründüngung erbrachten sichere hohe Erträge und geringe N– Überschüsse bei hoher N-Effizienz. • Der DFV M4 von Groß Kreutz (Pkt. 3.3.1) mit systematisch gestaffelten NGaben aus STM bzw. mineralischen Ursprungs gibt Aufschluss über die Kombinationseffekte der beiden N-Quellen auf den Ertrag, die N-Bilanz und die NEffizienz (Abb. 4.1.2.3). Mit 150 kg ha-1 mineralischen N wird der gleiche TMErtrag erreicht wie bei 200 kg STM-N ha-1. Die gravierenden Unterschiede lie153 gen aber in der N-Bilanz mit 52 bzw. 112 kg N-Überschuss und der agronomischen N-Effizienz von 72 % bzw. 51 %. Aus ökologischer Verantwortung sollte diesem Sachverhalt in Bewirtschaftungssystemen mit ausschließlicher Stallmistdüngung Rechnung getragen werden. Die für diesen Standort optimale NKombination kann mit 50-100 kg ha-1 mineralischen N plus 50-100 kg ha-1 STM-N bei einem maximalen Gesamt-N-Einsatz von 150 kg N/ha angegeben werden. dt TM ha -1 100 90 80 70 60 0 kg min N ha-1 50 kg min N ha-1 50 100 kg min N ha-1 40 150 kg min N ha-1 200 kg min N ha-1 30 20 10 0 0 50 100 150 200 kg STM N ha-1 Abb. 4.1.2.3: Langjährige mittlere Ertragsentwicklung in Abhängigkeit von der N-Düngung im DFV M4 Groß Kreutz (1967-2006) • Die Trockenmasseerträge auf Niedermoordauergrünland am Standort Paulinenaue (Pkt: 3.4.3) wurden durch steigende N-Gaben deutlich erhöht. Oberhalb von 240 kg N ha-1 bleibt die ertragssteigernde N-Wirkung jedoch aus (Abb. 4.1.2.4). Die Verwertung des applizierten mineralischen N durch das Grünland auf dem Niedermoor verschlechtert sich mit steigender N-Gabe, obgleich die Proteingehalte der Aufwüchse deutlich mit der N-Düngung ansteigen (16,1 % auf 23,3%). Durch die Nettomineralisierung des Niedermoores wurden knapp 200 kg N ha-1 jährlich freigesetzt (KÄDING u.a.2003). Da der N-Überhang der 154 dt TM ha -1 120 103,7 100 107,3 94,8 87,5 80 79,6 60 40 20 0 0kg N 60kg N 120kg N 240kg N 480kg N N-Düngung ha -1 Abb. 4.1.2.4: Mittlere Erträge in Abhängigkeit von der N-Düngung Niedermoorgrünlanddauerversuch Paulinenaue (1961-1990) Düngung nicht zur Steigerung des Boden-N-Vorrates führte (Tab. 3.4.3.3), muss davon ausgegangen werden, dass ein hoher Anteil des N als NH3 freigesetzt wurde (KÄDING u. SCHMIDT 1995). Teilzusammenfassung: • Die Ergebnisse der Nullparzellen der DFV (geben eindeutig Aufschluss über das jeweilige fruchtfolgespezifische Ertragspotential des Standortes, da für die verglichenen DFV der Einfluss von Niederschlägen und Temperatur weitgehend gleich gesetzt werden kann.) widerspiegeln den Anteil der Bodenwirkung an der Ertragsbildung am deutlichsten, da kein Düngungseffekt vorhanden ist und da für die verglichenen DFV-Standorte der Einfluss von Niederschlägen und Temperatur weitgehend gleich gesetzt werden kann. Startbedingungen/Versuchsdauer • Die Ausnutzung des jeweiligen Ertragspotentials des Standortes kann durch die effektivste Kombination von mineralischen und organischen N–Gaben weitestgehend erzielt werden. Hierbei sollte der mineralische Anteil jeweils größer 155 als der organische N-Anteil sein. Die Entscheidungskriterien hierfür ergeben sich aus der N–Bilanz, der N–Effizienz und dem erzielbaren Ertrag. • Die Kombination von mineralischem N plus Stroh plus N–Ausgleich erbrachte auch gesichert hohe Erträge und eine gute N–Verwertung. Die alleinige organische N–Gabe ermöglicht zwar auch hohe Erträge zieht aber immer einen höheren N–Überschuss nach sich. • Die Erträge und der Rohproteingehalt von Dauergrünland auf Niedermoor lassen sich in Abhängigkeit von der Nutzungsintensität bis 240 kg mineralischen N je Hektar deutlich steigern, wobei die agronomische N–Effizienz stark gemindert ist. 4.2 Stickstoff- und Kohlenstoffhaushalt des Systems Boden-Pflanze Die in diesem Abschnitt vorgestellten Ergebnisse resultieren aus folgenden Brandenburger Dauerversuchen, in denen jährliche Untersuchungen zu der o.g. Thematik durchgeführt wurden (Tab. 4.2.1). Tab. 4.2.1: Datengrundlage für die im Kapitel 4.2 dargestellten Ergebnisse Versuchstandort Versuch Berlin-Dahlem BDa_IOSDV 1984 - 2004 Großbeeren Grb_KPA Al 1973 – 2002 Grb_KPA D 1973 – 2002 Grb_DFV 1989 - 2003 GrK_M4 1967 – 2006 GrK_P60 1959 – 2003 Müncheberg Mue_V140 1989 – 2003 Thyrow Thy_DI 1969 - 2005 Thy_DIV 1965 - 2005 Thy_DVI 1966 - 2005 Lau_STAT 1965 - 1996 Groß Kreutz Bad Lauchstädt 156 Auswertungszeitraum Zusätzlich wurden aufgrund seiner Versuchsdauer von über 100 Jahren und der hervorragenden Bodenfruchtbarkeit (Bodenzahl 94-98; KÖRSCHENS et al., 1994) Ergebnisse des Statischen Versuchs in Bad Lauchstädt (Sachsen-Anhalt) (KÖRSCHENS, 1997; KÖRSCHENS et al., 1998) als Vergleichsmaßstab herangezogen. Alle in den Kapiteln 4.2.1 – 4.2.3 aufgeführten Erträge und N-Haushaltskomponenten sind Prüfgliedmittelwerte über den o.g. Auswertungszeitraum des jeweiligen Versuches. 4.2.1 Stickstoffhaushalt Dauerdüngungsversuche bieten die einzigartige Möglichkeit, den Stickstoffhaushalt des Systems Boden – Pflanze über lange Zeiträume hinweg zu bilanzieren. Diese Langfristigkeit der Untersuchungen im Rahmen von Dauerdüngungsversuchen ermöglicht es, die Größe der einzelnen Komponenten des N-Haushaltes als Mittelwerte eines größeren Zeitraums zu quantifizieren und somit Düngungseffekte losgelöst, z.B. von zufälligen Witterungskonstellationen abzubilden. Die in die Auswertung einbezogenen Komponenten des N-Haushaltes (Dimension: kg N ha-1 Jahr-1) sollen folgend kurz vorgestellt werden. Die N-Zufuhr zum System Boden – Pflanze erfolgt im Wesentlichen über 3 Quellen: • N aus mineralischer Düngung • N aus organischer Düngung • N aus sonstigen Quellen Unter „N aus sonstigen Quellen“ werden N-Einträge über Saat- und Pflanzgut, atmosphärische Deposition sowie gegebenenfalls über das Beregnungswasser zusammengefasst. Insbesondere bei der atmosphärischen Deposition gehen die gemessenen Werte weit auseinander. Während von BÖHME und RUSSOW (2002) Depositionsraten > 70 kg N ha-1 Jahr-1 gemessen wurden, ergab eine flächendeckende Erfassung in Deutschland Werte zwischen 10 und 52 kg N ha-1 Jahr-1 (GAUGER, 2002). Da die N-Zufuhr aus sonstigen N-Quellen an keinem Brandenburger Dauerdüngsversuchsstandort gemessen wurde, musste sie berechnet werden. Als Bezugsgrundlage dienten die am jeweiligen Standort vorhandenen Prüfglieder ohne 157 organische und mineralische N-Düngung (Nullparzellen). Die für den jeweiligen Versuch zutreffende N-Zufuhr aus sonstigen N-Quellen wurde wie folgt definiert: N-Abfuhr durch den Pflanzenbestand der Nullparzelle - Änderung des Boden-N-Vorrates der Nullparzelle = N-Zufuhr aus sonstigen N-Quellen Der N-Vorrat des Bodens, eine weitere Komponente des N-Haushaltes, liegt überwiegend in Form der organischen Bodensubstanz vor und beträgt ein Vielfaches der N-Menge, die zum Erntezeitpunkt in der pflanzlichen Biomasse vorhanden ist. Dieser N-Vorrat des Bodens ist einer zeitlichen Dynamik unterworfen, die im Wesentlichen durch Bewirtschaftung und Klima bestimmt wird. Die zur Bestimmung des N-Vorrates zu messenden Größen sind der Gesamt-N-Gehalt und die Trockenrohdichte des Bodens. Da der N-Gehalt des Bodens einer relativ hohen zeitlichen und räumlichen Variabilität unterworfen ist (KÖSCHENS, 1982), ist es für die Bestimmung von zeitlichen Veränderungen im N-Vorrat des Bodens sinnvoll, Daten aus langfristig untersuchten Systemen – aus Dauerversuchen – zu nutzen. Die nachfolgend vorgestellten Ergebnisse zur mittleren jährlichen Änderung des N-Vorrates der Böden basieren auf überwiegend jährlichen Messungen des Gesamt-N-Gehaltes des Bodens im Ap Horizont. Dabei entspricht diese mittlere jährliche Vorratsänderung mathematisch dem Anstieg der linearen Regressionen N-Vorrat des Bodens vs. Zeit. Die N-Abfuhr über die pflanzliche Biomasse basiert auf jährlichen Messungen der Feldabfuhr an pflanzlicher Frischmasse sowie deren Trockensubstanz- und GesamtN-Gehalt. 4.2.2 Effektives Stickstoffangebot und dessen Einfluss auf die Pflanze Während der Stickstoff aus mineralischen Düngern relativ direkt auf die Stickstoffaufnahme und die Ertragsbildung der Pflanze wirkt, beeinflusst der Stickstoff aus organischen Düngern zusätzlich die in der organischen Bodensubstanz gebundenen N-Mengen. Diese werden einerseits erst durch Mineralisierungsprozesse pflanzenverfügbar. Andererseits kann in die organische Bodensubstanz übergeführter Dünger-N nicht zeitgleich durch die Pflanze aufgenommen werden. Um nun die Wirkung 158 der einzelnen N-Quellen auf den Pflanzenertrag und die Stickstoffabfuhr vergleichbar zu machen, wurde das so genannte „Effektive Stickstoffangebot“ eingeführt: N-Zufuhr über mineralische Düngung + N-Zufuhr über organische Düngung + N-Zufuhr aus sonstigen Quellen - Änderung im Boden-N-Vorrat = Effektives N-Angebot [kg ha-1 Jahr-1] Über diesem effektiven N-Angebot wurden zunächst die Erträge der Prüfglieder der o.g. Versuche dargestellt. Um Unterschiede im Hinblick auf die in den einzelnen Versuchen angebauten Pflanzenarten auszugleichen, wurde die mittlere, im Untersuchungszeitraum gebildete Gesamtrockenmasse der Pflanze, d.h. die Summe von Haupt- und Koppelprodukt als gemeinsame Bezugsbasis verwendet. Beispielhaft wird dieser Zusammenhang für den Versuch M4 in Groß Kreuz in der Abbildung 4.2.2.1 gezeigt. Ertrag (Gesamttrockenmasse) [t ha-1 Jahr-1] 10 8 6 4 2 Messung Trend 0 0 50 100 150 200 250 300 -1 350 400 450 -1 Effektives N-Angebot [kg ha Jahr ] Abb. 4.2.2.1: Ertrag in Abhängigkeit vom effektiven N-Angebot für den Versuch M4 in Groß Kreutz (1967-2006). Die im Mittel des Untersuchungszeitraumes im Versuch M4 gemessenen Erträge (Gesamttrockenmasse) variierten in Abhängigkeit von der N-Zufuhr zwischen 3,5 und 9,3 t ha-1 Jahr-1. Während im unteren N-Angebotsbereich (50 – 150 kg) der Ertrag sehr deutlich beeinflusst wurde, näherte sich der Ertrag im höheren NAngebotsbereich einem Grenzwert an, der mit einer nichtlinearen Funktion (Trend) 159 des Typs y = a*(1-exp(b*x)) berechnet wurde. Um die einzelnen Versuche direkt miteinander vergleichen zu können, wurden alle berechneten Trends in einer Abbildung dargestellt (Abb. 4.2.2.2). Ertrag (Gesamttrockenmasse) [t ha-1 Jahr-1] 14 12 10 8 Grb_KPA Al Grb_KPA D GrK_M4 GrK_P60 Lau_STAT Mue_V140 6 4 2 0 0 100 200 300 400 500 600 Effektives N-Angebot [kg ha-1 Jahr-1] Abb. 4.2.2.2: Berechneter Ertragverlauf in Abhängigkeit vom effektiven N-Angebot im Vergleich von 6 Dauerdüngungsversuchen. (Untersuchungszeiträume siehe Tab. 4.2.1) Die Ertragsverläufe der einzelnen Versuche wurden in unterschiedlichen Intervallen entsprechend dem tatsächlichen N-Angebotsbereich am jeweiligen Standort dargestellt. Beim Vergleich der Versuchsergebnisse ist zu berücksichtigen, dass der Standorteinfluss (z.B. Bodenfruchtbarkeit, Klima) nicht vom Einfluss der Fruchtfolge (Anbau unterschiedlicher Pflanzenarten, zu trennen ist. Jedoch wurden bei der Anlage der Versuche im Allgemeinen an den Standort angepasste, d.h. weitgehend das jeweilige Standortertragspotenzial ausschöpfende Fruchtfolgen etabliert. Generell wurden deutliche Ertragsunterschiede im Vergleich der einzelnen Standorte festgestellt. Die Erträge der Null-Parzellen als auch das Ertragspotenzial, definiert als Grenzwert, dem sich der nichtlineare Trend bei steigendem N-Angebot annähert, wurden gesondert in Tabelle 4.2.2.1 aufgeführt. 160 Tab. 4.2.2.1: Minimale und potenzielle Erträge (Gesamttrockenmasse) im Vergleich der 6 Dauerdüngungsversuche. (Untersuchungszeiträume siehe Tab. 4.2.1) Versuch Ertrag der Nullparzelle Ertragspotenzial [t ha-1 Jahr-1] Relativ [%]**) [t ha-1 Jahr-1] *) Relativ [%]**) Grb_KPA Al 7.9 175 11.6 88 Grb_KPA D 5.6 125 11.6 89 GrK_M4 3.5 77 9.2 70 GrK_P60 3.2 70 7.7 58 Lau_STAT 4.5 100 13.1 100 Mue_V140 2.9 64 9.1 70 *) entspricht dem Koeffizienten a der Funktion Ertrag = a*(1-exp(b*effektives N-Angebot)), mit der die Trends in der Abb. 4.2.2.2 berechnet wurden **) Bad Lauchstädt = 100% Die Erträge der Nullparzellen widerspiegeln in erster Linie das Ausmaß der Stickstoffnachlieferung und der Wasserspeicherfähigkeit dieser Böden. Die mittleren jährlichen Erträge der Nullparzellen an den Standorten Groß Kreutz und Müncheberg lagen relativ einheitlich im Bereich zwischen 3 - 3,5 t Gesamttrockenmasse pro Hektar. Die deutlich höheren Erträge in Großbeeren werden vorwiegend als Ergebnis der Zusatzberegnung interpretiert. Einerseits wird unter Beregnungsbedingungen die Nährstoffverfügbarkeit verbessert, andererseits stellt das Beregnungswasser eine zusätzliche N-Quelle (Großbeeren: ca. 15 kg N ha-1 Jahr-1) dar, die in diesem niedrigen N-Angebotsbereich natürlich eine besonders hohe Effektivität aufweist (vgl. Abb. 4.2.2.2). Im Gegensatz zu den Erträgen der Nullparzellen ist das berechnete Ertragspotenzial weitgehend nicht stickstofflimitiert, sondern wird überwiegend durch das Wasserangebot bestimmt. In dieses geht neben der Menge und der Verteilung des natürlichen Niederschlags insbesondere das Wasserrückhaltevermögen des Bodens ein. Dieses ist an den Sandstandorten Groß Kreutz und Müncheberg stark limitiert und resultiert in einem Ertragspotenzial zwischen etwa 8 - 9 t Gesamttrockenmasse pro Hektar und Jahr. Obwohl die Großbeerener Versuche beregnet wurden, liegt ihr Ertragspotenzial mehr als 10% niedriger als in Bad Lauchstädt – ein Hinweis darauf, dass Standortnachteile nur bedingt durch agronomische Maßnahmen auszugleichen sind. Analog zum Ertrag wird nachfolgend der Einfluss des effektiven N-Angebotes auf die mit den geernteten Pflanzenteilen vom Feld abgefahrene Stickstoffmenge (N-Abfuhr 161 Pflanze) untersucht. Zunächst wird der Zusammenhang N-Abfuhr Pflanze vs. effektives N-Angebot wiederum für den Versuch M4 in Groß Kreuz gezeigt (Abb. 4.2.2.3). 200 175 N-Abfuhr Pflanze [kg ha-1 Jahr-1] 150 125 100 75 50 Messung Trend 25 0 0 50 100 150 200 250 300 -1 350 400 450 -1 Effektives N-Angebot [kg ha Jahr ] Abb. 4.2.2.3: N-Abfuhr durch die Pflanze in Abhängigkeit vom effektiven N-Angebot für den Versuch M4 in Groß Kreutz (1967-2006). Die im Mittel des Untersuchungszeitraumes in diesem Versuch gemessene N-Abfuhr variierte in Abhängigkeit von der N-Zufuhr zwischen 41 und 169 kg ha-1 Jahr-1. Im Unterschied zum Ertrag nahm die N-Abfuhr durch die Pflanze auch bei einem über 150 kg ha-1 Jahr-1 steigenden N-Angebot deutlich zu. Im Vergleich der 6 Versuche sind für die N-Abfuhr (Abb. 4.2.2.4) deutlichere Differenzierungen feststellbar als für die Erträge (Abb. 4.2.2.2). Während sich die an den einzelnen Standorten gemessenen höchsten Erträge annähernd um den Faktor 2 unterschieden, beträgt der Unterschied in den gemessenen höchsten N-Abfuhren den Faktor 4. Für alle Versuche wurden sinkende Ertragszuwächse bei einem über 150 kg ha-1 Jahr-1 steigenden N-Angebot festgestellt (Abb. 4.2.2.2); im Hinblick auf die N-Abfuhr durch die Pflanze in diesem hohen N-Angebotsbereich gab es jedoch versuchsabhängige Unterschiede. Insbesondere für die beiden Großbeerener Versuche wurden für den gesamten N-Angebotsbereich annähernd lineare Zusammenhänge ermittelt. Dieser Effekt ist neben dem hohen N-Aufnahmevermögen der reinen Gemüsefruchtfolge wiederum auf die beregungsbedingt gute Nährstoffverfügbarkeit zurückzuführen. 162 N-Abfuhr Pflanze [kg ha-1 Jahr-1] 400 350 300 250 200 Grb_KPA Al Grb_KPA D GrK_M4 GrK_P60 Lau_STAT Mue_V140 150 100 50 0 0 100 200 300 400 -1 500 600 -1 Effektives N-Angebot [kg ha Jahr ] Abb. 4.2.2.4: Berechneter Verlauf der N-Abfuhr durch die Pflanze in Abhängigkeit vom effektiven N-Angebot im Vergleich von 6 Dauerdüngungsversuchen. (Untersuchungszeiträume siehe Tab. 4.2.1) Die N-Abfuhr von den Nullparzellen unterschied sich im Vergleich der 6 Versuche um den Faktor 3 und widerspiegelt damit klar das unterschiedliche N-Nachlieferungsvermögen der Böden (Tab. 4.2.2.2). Tab. 4.2.2.2: Minimale und potenzielle N-Abfuhr durch die Pflanzen im Vergleich der 6 Dauerdüngungsversuche. (Untersuchungszeiträume siehe Tab. 4.2.1) Versuch *) N-Abfuhr der Nullparzelle Potenzial der N-Abfuhr [kg ha-1 Jahr-1] Relativ [%]**) [kg ha-1 Jahr-1] *) Relativ [%]**) Grb_KPA Al 111 221 700 223 Grb_KPA D 75 151 643 205 GrK_M4 41 81 183 58 GrK_P60 35 70 120 38 Lau_STAT 50 100 313 100 Mue_V140 37 73 182 58 entspricht dem Koeffizienten a der Funktion N-Abfuhr = a*(1-exp(b*effektives N-Angebot)), mit der die Trends in der Abb. 4.2.2.4 berechnet wurden, **) Bad Lauchstädt = 100% 163 Die vergleichsweise hohen N-Abfuhren in den Nullparzellen der beiden Großbeerener Versuche bestätigen, dass sich die Böden nach 30 Jahren Versuchsdauer noch nicht im Gleichgewichtszustand befanden, sondern entsprechend ihres zu Versuchsbeginn guten Versorgungszustandes abnehmende Gehalte an organischer Bodensubstanz aufwiesen (RÜHLMANN, 2003). Die analog zu den Erträgen berechneten Potenziale der N-Abfuhr durch die Pflanze unterschieden sich zwischen den Versuchen durch den Faktor 6 und dokumentieren damit deutlich die summarischen Effekte vor allem der Unterschiede in Bodenfruchtbarkeit, Klima und Fruchtfolge. 4.2.3 Stickstoffbilanz Für das System Boden – Pflanze wurde zunächst der Zusammenhang zwischen NZufuhr und N-Wiederfindung untersucht: N-Zufuhr durch mineralische Düngung + N-Zufuhr durch organische Düngung Änderung Boden-N-Vorrat + N-Zufuhr durch sonstige Quellen + N-Abfuhr durch Pflanze = N-Zufuhr = N-Wiederfindung Der Zusammenhang soll zunächst wiederum am Beispiel des Versuche M4 in Groß Kreuz dargestellt werden (Abb. 4.2.3.1). Während die N-Zufuhr zwischen 11 und 411 kg ha-1 Jahr-1 variierte, war die Spanne für die N-Wiederfindung (10 – 183 kg ha-1 Jahr-1) deutlich geringer. Dies bedeutet, dass die N-Wiederfindung bei geringer NZufuhr (Nullparzelle) 90% von der N-Zufuhr betrug; dieser Anteil sank mit steigender N-Zufuhr auf 46%. Obwohl in den Brandenburger Dauerversuchen keine kontinuierlichen Messungen von N-Verlusten (Verlagerung, Denitrifikation) durchgeführt wurden, impliziert eine N-Wiederfindung von annähernd 50%, dass die in gleicher Größenordnung nicht wiedergefundenen N-Mengen als N-Verluste aus dem System Boden – Pflanze betrachtet werden können. 164 -1 N-Wiederfindung [kg ha Jahr ] 200 -1 150 100 50 Messung Trend 0 0 100 200 300 400 N-Zufuhr [kg ha-1 Jahr-1] Abb. 4.2.3.1: Zusammenhang zwischen N-Zufuhr und N-Wiederfindung im System Boden – Pflanze am Beispiel des Versuche M4 in Groß Kreutz (1967-2006). Bei der Bewertung der Höhe von N-Verlusten ist es hilfreich, sich auf einen anzustrebenden Grenzwert zu beziehen. Erfolgt in diesem Zusammenhang der Vergleich zu einem (im Gleichgewicht befindlichen) naturbelassenen Ökosystem, so sollten, wenn input = output gilt, bei einer angenommenen atmosphärischen Deposition von 50 kg N ha-1 Jahr-1 auch mittlere Verluste in gleicher Höhe entstehen. Unter Nutzung dieses Wertes als Grenzwert erfolgte die Gegenüberstellung von N-Zufuhr und NWiederfindung für 6 Brandenburger Dauerversuche (Abb. 4.2.3.2). Die in der Legende aufgeführte Reihenfolge der einzelnen Versuche entspricht der Reihenfolge der berechneten Trends. Die blaue Gerade y = x symbolisiert eine N-Wiederfindung von 100%. Die rote Gerade markiert die Relation, in der die N-Wiederfindung 50 kg N niedriger ist (entsprechend 50 kg N Verlust) als die jeweilige N-Zufuhr. Die Schnittpunkte dieser roten Geraden mit den berechneten Trends der jeweiligen Versuche entsprechen der höchstmöglichen N-Zufuhr ohne die 50 kg N-Verlustgrenze zu überschreiten. Demnach ist die unter diesen Bedingungen maximale N-Zufuhr im Versuch P60 in Groß Kreutz auf 135 kg begrenzt, während in den beiden Großbeerener Versuchen und im Statischen Versuch Bad Lauchstädt 230 - 245 kg N zugeführt werden können, ohne die 50 kg N-Verlustgrenze zu überschreiten. 165 -1 N-Wiederfindung [kg ha Jahr ] 600 -1 y=x y = x - 50 400 Grb_KPA D Grb_KPA Al Lau_STAT GrK_M4 Mün_V140 GrK_P60 200 0 0 135 200 245 400 -1 600 -1 N-Zufuhr [kg ha Jahr ] Abb. 4.2.3.2: Zusammenhang zwischen N-Zufuhr und N-Wiederfindung im System Boden – Pflanze im Vergleich von 6 Dauerdüngungsversuchen. (Untersuchungszeiträume siehe Tab. 4.2.1) Neben dem generellen Zusammenhang zwischen N-Zufuhr und N-Wiederfindung konnten aus den Dauerversuchen auch Erkenntnisse zum Beitrag der unterschiedlichen Formen der N-Düngung - mineralisch und organisch – auf die N-Bilanz gewonnen werden. Die N-Bilanz wurde wie folgt berechnet: N-Wiederfindung - N-Zufuhr = N-Bilanz Die N-Bilanz wird im Folgenden als N-Verlust interpretiert. Zur besseren Veranschaulichung der Ergebnisse (Abb. 4.2.3.3) wurde die Höhe der N-Verluste in 3 Klassen eingeteilt: 0-50 (grün), 50-100 (gelb) und 100-150 kg ha-1 Jahr-1 (rot). Die Grenze zwischen der grünen und der gelben Fläche entspricht N-Verlusten von 50 kg ha-1 Jahr-1, die, wie beispielhaft mittels der roten Pfeile symbolisiert, durch unterschiedliche Relationen von mineralischer zu organischer N-Düngung (kg ha-1 Jahr-1) eingehalten werden können: 175:0, 150:40, 100:100, 50:30 und 0:145. 166 100 – 150 50 – 100 0 – 50 Abb. 4.2.3.3: Höhe der berechneten mittleren jährlichen N-Verluste in Abhängigkeit von der organischen und mineralischen N-Düngung – Ablesebeispiel. Darüber hinaus ermöglicht diese Form der Auswertung die Bestimmung der Düngungskombination, über die dem System Boden-Pflanze die höchste N-Menge zugeführt werden kann, ohne dass mittlere jährliche N-Verluste von 50 kg ha-1 Jahr-1 überschritten werden. Die in der Abbildung 4.2.3.4 gezeigten N-Verluste der 6 Dauerversuche wurden in dem jeweiligen Wertebereich der tatsächlich gedüngten N-Mengen dargestellt. Neben den bereits o.g. Unterschieden in der Höhe der möglichen Gesamt-N-Zufuhr wird deutlich, dass die mineralische und die organische N-Düngung an den einzelnen Standorten in Bezug auf die N-Verluste unterschiedlich wirksam waren. Während in den beiden Großbeerener Versuchen und im V140 in Müncheberg im Vergleich zur organischen N-Zufuhr mehr als doppelt so viel mineralischer Stickstoff gedüngt werden konnte, ohne die 50 kg N ha-1 Jahr-1 Verlustgrenze zu überschreiten, waren diese Unterschiede in der Verlustwirksamkeit der organischen und mineralischen N-Düngung in den beiden Versuchen in Groß Kreutz sowie in Bad Lauchstädt wesentlich geringer. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden für die einzelnen Versuche, unter Einhaltung der 50 kg N ha-1 Jahr-1 Verlustgrenze, folgende maximale Stallmistzufuhrraten in Abhängigkeit von der Höhe der mineralischen NDüngung ermittelt (Tab. 4.2.3.1). 167 Abb. 4.2.3.4: Höhe der berechneten mittleren jährlichen N-Verluste in Abhängigkeit von der organischen und mineralischen N-Düngung und im Vergleich von 6 Dauerdüngungsversuchen. (Untersuchungszeiträume siehe Tab. 4.2.1) 168 Tab. 4.2.3.1: Kalkulierte maximale Zufuhr von Stallmist-N (oben) oder Stallmistfrischmasse (unten) bei unterschiedlicher mineralischer N-Düngung zur Einhaltung mittlerer jährlicher N-Verluste aus dem System Boden – Pflanze von ca. 50 kg N ha-1 Jahr-1. Mineralische N-Düngung [kg N ha-1 Jahr-1] Versuch Grb_KPA Al Grb_KPA D GrK_M4 GrK_P60 Lau_STAT Mue_V140 Grb_KPA Al Grb_KPA D GrK_M4 GrK_P60 Lau_STAT Mue_V140 *) 0 72 100 100 89 142 55 120 165 165 150 235 90 25 50 75 100 125 150 175 200 71 99 97 84 139 53 Stallmist-N-Zufuhr [kg N ha-1 Jahr-1] 68 63 57 48 38 26 12 95 90 82 71 59 44 27 87 71 48 19 0 67 39 0 130 116 96 71 40 0 47 37 24 7 0 120 165 160 140 230 90 Stallmistfrischmassezufuhr [dt ha-1 Jahr-1]*) 115 105 95 80 65 0 160 150 135 120 100 75 45 145 120 80 30 0 110 65 0 220 195 160 120 70 0 80 60 40 10 0 225 250 0 8 0 10 0 Kalkulationsgrundlage: 100 dt Stallmist entsprechen 60 kg N Im Zusammenhang mit der Humusreproduktion wurde in einer Vielzahl von nationalen und internationalen Dauerversuchen eine als optimal geltende Stallmistaufwandmenge von ca. 100 dt Stallmistfrischmasse pro Hektar und Jahr ermittelt (KÖRSCHENS et al., 1995). Unter der Prämisse der Einhaltung eines mittleren jährlichen N-Verlustes von 50 kg ha-1 können mit dieser Stallmistmenge standortabhängig jedoch nur mit sehr unterschiedlichen Aufwandmengen an mineralischem Dünger-N angewendet werden. Für die beiden Großbeerener Versuche können Mineraldünger-N-Mengen von 80 und 150 kg ha-1, für die beiden Versuche in Groß Kreutz von 90 und 60 kg ha-1 und für den Versuch in Bad Lauchstädt von ca. 130 kg ha-1 mit einer jährlichen Stallmistmenge von 100 dt ha-1 kombiniert werden, ohne jährliche NVerluste von 50 kg ha-1 zu überschreiten. Im V140 in Müncheberg führt jedoch schon die alleinige jährliche Zufuhr von 100 dt ha-1 Stallmist zur Überschreitung dieser Verlustgrenze. Nach der Betrachtung des Einflusses unterschiedlicher Kombinationen von organischer und mineralischer N-Düngung auf die N-Verluste sollen diese N-Verluste im nächsten Schritt zu den Erträgen in Relation gestellt werden. Wie bereits unter Punkt 169 4.2.2 genannt, wurde der im mehrjährigen (> 15 Jahre) Mittel gemessene Gesamttrockenmasseertrag als Bezugsgrundlage gewählt. Um eine bessere Vergleichbarkeit zwischen den einzelnen Versuchen zu ermöglichen, wurden in diesem Abschnitt Relativerträge verwendet. Dazu wurden je Versuch das Prüfglied mit dem höchsten mittleren jährlichen Gesamttrockenmasseertrag gleich 100% und die anderen Prüfglieder dazu in Relation gesetzt. Der prinzipielle Zusammenhang zwischen Ertrag und N-Verlust in Abhängigkeit von der organischen und mineralischen N-Düngung soll anhand der folgenden Abbildung verdeutlicht werden (Abb. 4.2.3.5). Abb. 4.2.3.5: Relation zwischen N-Verlust und Ertrag in Abhängigkeit von der organischen und mineralischen N-Düngung– Ablesebeispiel. Basierend auf der Abbildung 4.2.3.3, in der die drei N-Verlustklassen (grün, gelb und rot) in Abhängigkeit von der organischen und mineralischen N-Düngung dargestellt wurden, wurde die Abbildung 4.2.3.5 um die Relativerträge erweitert. Die Position der einzelnen Symbole in dem Diagramm ist durch die jeweilige Düngungskombination, und die Art der Symbole durch die jeweilige Ertragsklasse bestimmt. Demnach lag der Ertrag der Nullparzelle (ohne Düngung) im Ertragsbereich < 50%. Die Düngungskombinationen 0 + 50 und 50 + 0 kg N (organisch + mineralisch) führten zu Erträgen im Ertragsbereich 75 - 50%, die Kombination 50 + 50 ermöglichte Erträge 170 Abb. 4.2.3.6: Relation zwischen N-Verlust und Ertrag in Abhängigkeit von der organischen und mineralischen N-Düngung und im Vergleich von 6 Dauerdüngungsversuchen. (Untersuchungszeiträume siehe Tab. 4.2.1) 171 im Bereich 90 – 75 %, wobei alle genannten Kombinationen im „grünen“ NVerlustbereich liegen. Alle Düngungskombinationen mit einem summarischen NAufwand > 100 kg ha-1 führten zu N-Verlusten > 50 kg ha-1 und Erträge in der Klasse 100 – 95 % waren mit N-Verlusten ≥ 100 kg ha-1 verbunden. Im Vergleich der 6 Versuche wurde festgestellt, dass die höchste Ertragsklasse (95 – 100 %) in Verbindung mit dem niedrigsten N-Verlustbereich (< 50 kg N ha-1) in der Mehrzahl der Versuche nur durch alleinige mineralische N-Düngung (teilweise in Kombination mit geringen N-Zufuhren über organische Dünger mit weitem C/NVerhältnis (18 kg ha-1 Kiefernrinde-N in Großbeeren oder 8 kg ha-1 Stroh-N in Müncheberg) erreicht werden konnte. Am Standort Groß Kreutz wurden hohe Ertragsklassen nur durch kombinierte organisch-mineralische N-Düngung erreicht; dies jedoch überwiegend nur in Verbindung mit N-Verlusten > 50 N ha-1. 4.2.4 Kohlenstoffhaushalt Leichte Böden (Reinsande, Schluffsande und Lehmsande) nehmen von der landwirtschaftlichen Nutzfläche 44 % in Deutschland und 75 % in Brandenburg ein. Diese vergleichsweise wenig fruchtbaren Böden sind insbesondere durch niedrige Humusund Nährstoffgehalte charakterisiert. Die niedrigen Humusgehalte sind überwiegend durch die Korngrößenzusammensetzung bedingt. Einerseits bewirken die geringen Tongehalte, dass nur ein kleiner Anteil an der organischen Bodensubstanz gegenüber dem mikrobiellen Abbau physikalisch geschützt ist. Andererseits fördern die hohen Sandgehalte über den damit verbundenen hohen Anteil an Grobporen die Belüftung dieser Böden und damit den mikrobiellen Abbau der ohnehin nicht physikalisch stabilisierten organischen Bodensubstanz. Zur Beurteilung düngungsbedingter Unterschiede im Gehalt an organischer Bodensubstanz ist es notwendig, die Versuchsdauer zu berücksichtigen, da humusdynamische Prozesse relativ langfristig ablaufen. Dieser Zusammenhang ist der Abbildung 4.2.4.1 zu entnehmen. Die diesbezüglichen Daten resultieren neben den in den Kapitel 3.1 bis 3.5 vorgestellten Versuchsergebnissen aus folgenden Literaturquellen: ELLMER und BAUMECKER (1992), SCHNIEDER (1990), SMUKALSKI et al. (1990). Dargestellt ist die Differenz im CorgGehalt der Prüfglieder „mit Stallmist“ und „ohne Stallmist“. Diese Differenz wurde auf eine jährliche Stallmistzufuhrrate von 1 t C ha-1 (entsprechend: ca. 10 t STM Frisch- 172 masse ha-1) normiert und entspricht damit einer stallmistspezifischen Humus-C- Spezifische Humus-C-Akkumulation [t/t]nnn Akkumulation (Abb. 4.2.4.1). Die spezifische Humus-C-Akkumulation tendiert gegen 18 16 Lau_STAT Thy_D4 Thy_D6 GrK_P60 Grb_DFV Grb_KPA D BDa_IOSDV Mue_V140 GrK_M4 14 12 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Versuchsdauer [Jahre] Abb. 4.2.4.1: Spezifische Humus-C-Akkumulation in Dauerdüngungsversuchen in Abhängigkeit von der Versuchsdauer (Symbole = Messwerte; Linien = berechneter Trend: blau = Bad Lauchstädt, schwarz = im Mittel der 8 Brandenburger Dauerversuche) ein Maximum, das erreicht wird, wenn sich der Gleichgewichtszustand zwischen CZufuhr und C-Abbau einstellt. Dafür werden Zeiträume von mindesten 25 Jahren für Sandböden und teilweise < 100 Jahre für tonreiche Böden benötigt. Im Mittel aller untersuchten Brandenburger Dauerversuchsstandorte tendiert die spezifische Humus-C-Akkumulation gegen 8 Tonnen (schwarze Trendlinie). Wenn also die Menge an Humus-C im Vergleich zum Prüfglied „ohne STM“ um 8 Tonnen je Hektar erhöht werden soll, muss dem Boden über 25 (für Tonböden bis < 100) Jahre jährlich eine Tonne STM-C je Hektar zugeführt werden. Um danach diesen Unterschied im Humusgehalt entgegen der mikrobiellen Veratmung aufrechtzuerhalten, muss die Stallmistzufuhr permanent fortgesetzt werden. Setzt man die einmalig erreichte Erhöhung im Humusgehalt in Relation zur permanent erforderlichen (kumulierten) STM Zufuhr, wird ersichtlich, dass der im Bodenhumus akkumulierte Kohlenstoffanteil mit der Zeit gegen Null tendiert. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass zur Ausbringung und Einarbeitung von organischen Düngern der Einsatz fossiler Energieträger (Kohlenstoff) erfolgt. Damit wird aus dem Blickwinkel der Energieeffizienz und der Kohlenstoffbilanz die Fragwürdigkeit des Bestrebens, Böden in Zusammenhang mit der 173 „global change Problematik“ auf diese Art zur C-Sequestrierung zu nutzen, unterstrichen. Im Vergleich zu den Brandenburger Dauerdüngungsversuchen ist die spezifische Humus-C-Akkumulation für den Standort Bad Lauchstädt dargestellt (LößSchwarzerde, Bodenwertzahl 96, Tongehalt 21 %). Dort tendiert die spezifische Humus-C-Akkumulation gegen 13 Tonnen (blaue Trendlinie in Abb. 4.2.4.1). Dies ist ein Resultat der etwa ⅓ geringeren Mineralisierungsintensität an diesem Standort (FRANKO und OELSCHLÄGEL, 1995), die durch eine geringere Belüftung des Bodens (höherer Fein- und Mittelporenanteil) und damit verbunden durch einen höherer Anteil physikalisch stabilisierter OBS) bedingt ist. Um einen Bezug zu der in Zusammenhang mit der Tabelle 4.2.3.1. genannten optimalen mittleren jährlichen Stallmistaufwandmenge von 100 dt ha-1 herzustellen, erfolgt die Umrechnung der in Abb. 4.2.4.1 verwendeten Dimension „Tonne OBS-Kohlenstoff je Tonne StallmistKohlenstoff“ in die Dimension „Corg-Differenz des STM-Prüfglieds zur Nullparzelle (% tr.B.) je 100 dt Stallmistfrischmasse“. Die für die Brandenburger Dauerversuche und für den Statischen Versuch Bad Lauchstädt ermittelten Werte von 8 bzw. 13 t OBS-C je Tonne Stallmist-C entsprechen demnach Gehaltsdifferenzen gegenüber dem jeweiligen nicht organisch gedüngten Prüfglied von 0,11% Corg (Brandenburg) bzw. 0,20% Corg (Bad Lauchstädt). Mit der höheren spezifischen Stallmistakkumulation in Bad Lauchstädt ist natürlich eine langsamere Dynamik, d.h. eine annähernd doppelt so langen Dauer bis zur Einstellung des OBS-Gleichgewichtes verbunden (vgl. Abb. 4.2.4.1). Analog zu den Erträgen erfolgt im nächsten Schritt der Vergleich der durch organische Düngung bewirkten Differenzen im Corg-Gehalt mit der N-Bilanz (Abb. 4.2.4.2). Dazu wurden die Corg-Differenzen in 5 durch unterschiedliche Symbole markierte Klassen eingeteilt, wobei wiederum die Position der Symbole innerhalb des Diagramms durch die jeweilige Düngungskombination bestimmt ist. Durch alleinige mineralische Düngung bis zu 200 kg N ha-1 wurden in diesem Beispiel demnach lediglich Differenzen bis 0,2 % Corg bewirkt. Ein Effekt der mineralischen N-Düngung auf die Corg-Differenzen konnte noch bis zu einer Aufwandmenge von 100 kg N aus organischer Düngung nachgewiesen werden, für 150 kg N und 200 kg N aus organischer Düngung war dieser Effekt nicht mehr nachweisbar. Die Gegenüberstellung des Zusammenhangs zwischen N-Verlust und düngungsbedingter Corg-Differenz für die schon in Kapitel 4.2.3 analysierten 6 Dauerversuche erfolgt in Abbildung 4.2.4.3. 174 Abb. 4.2.4.2: Relation zwischen N-Verlust und Kohlenstoffgehalt des Bodens, ausgedrückt als Corg-Differenz des jeweiligen Prüfglieds zur Nullparzelle, in Abhängigkeit von der organischen und mineralischen N-Düngung - Ablesebeispiel. Gegenüber den Nullparzellen bewirkte die mineralische N-Düngung (durch eine Zunahme an Ernte- und Wurzelrückständen) an allen Brandenburger Versuchsstandorten eine Erhöhung des Gehaltes an organischer Bodensubstanz im Ap-Horizont von meist unter 0,1 % C (maximal: 0,2% C, entsprechend ca. 9 t C je Hektar). Am Standort Bad Lauchstädt stieg der C-Gehalt mit steigender mineralischer N-Düngung maximal um 0,23 % Corg. Die Wirkung der organischen Düngung auf den Gehalt an organischer Bodensubstanz ist stark von der Art des organischen Düngers und von dessen Aufwandmenge abhängig. So bewirkte die Zufuhr der Kiefernrinde (80 dt ha-1 Kiefernrinde = 18 kg N ha-1) eine deutliche Erhöhung im Corg-Gehalt der Großbeerener Versuche (um 0,3 – 0,4 % Corg auf Sand- und um > 0,4 % Corg auf Auenlehmboden), während die Strohdüngung (40 dt ha-1 Stroh = 8 kg N ha-1) im Müncheberger Versuch V140 lediglich zu Änderungen des Corg-Gehalt von < 0,1 % Corg führte. 175 Abb. 4.2.4.3: Relation zwischen N-Verlust und Corg-Gehalt des Bodens, ausgedrückt als Corg-Differenz des jeweiligen Prüfglieds zur Nullparzelle, in Abhängigkeit von der organischen und mineralischen N-Düngung. (Untersuchungszeiträume siehe Tab. 4.2.1) 176 Bemerkenswert sind die deutlichen Unterschiede in der Stallmistwirkung. Während die Corg-Differenz durch Stallmistzufuhr (entsprechend 80 – 90 kg ha-1 Stallmist-N im V140 Müncheberg und P60 Groß Kreutz) maximal 0,2 Corg betrug, führte die Zufuhr von Stallmist im M4 in Groß Kreutz (entsprechend 100 kg ha-1 Stallmist-N) zu Steigerungen im Corg-Gehalt von 0,2 bis >0,4 % Corg. Im Hinblick auf die Relation zwischen Corg-Differenz und N-Verlust ist für die Wirkung von Stallmist zu bemerken, dass in der niedrigsten N-Verlustklasse (< 50 kg N ha-1) nur im Statischen Versuch in Bad Lauchstädt Differenzen > 0,4 % Corg auftraten. Die geringsten Corg-Differenzen von < 0,1 % Corg wurden in der niedrigsten N-Verlustklasse für den V140 in Müncheberg ermittelt. Literatur: Böhme, F.; Russow, R. (2002): Formen der atmogenen N-Deposition und deren Berücksichtigung in Agrarökosystemen unter besonderer Berücksichtigung der 15N-Isotopenverdünnungsmethode (ITNI). In: Franko, U. (Hrsg.): UFZ-Berichte 16, 6-17. UFZ - Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH. Leipzig. Ellmer, F.; Baumecker, M. (1992): Bodenfruchtbarkeitsmerkmale eines Sandbodens nach 55 Jahren differenzierter Düngung. Wiss. Z. Humboldt-Universität Berlin. 413,19-23. Franko, U.; Oelschlägel, B. (1995): Einfluss von Klima und Textur auf die biologische Aktivität beim Umsatz der organischen Bodensubstanz. Arch. Acker- Pfl. Boden., 39, 155-163. Gauger, T. (2002): Flächendeckende Kartierung der Gesamtdeposition von Stickstoff in Deutschland. In: Franko, U. (Hrsg.): UFZ-Berichte 16, 72-89. UFZ - Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH. Leipzig. Käding, H.; Schmidt, W. (1995): Extensivierung von Niedermoorgrünland nach 30 Jahren intensiver N-Düngung, Arch. Acker- Pfl. Boden., 39, 69-74. Käding, H.; Werner, A.; Schalitz, G. (2003): Auswirkungen langjähriger N-Düngung auf Standorteigenschaften, Erträge, Stoffgehalte und Vegetationszusammensetzung des Niedermoorgrünlandes. Pflanzenbauwiss., 7, 13-20. Körschens, M. (1982): Untersuchungen zur zeitlichen Variabilität der Prüfmerkmale Ct und Nt auf Löß-Schwarzerde. Arch. Acker- Pfl. Boden., 26, 9-13. Körschens, M. (1997): Die wichtigsten Dauerversuche der Welt – Übersicht, Bedeutung, Ergebnisse. Arch. Acker-Pfl. Boden. 42, 157-168. Körschens, M.; Müller, A.; Ritzkowski, E.-M. (1995): Der Kohlenstoffhaushalt des Bodens in Abhängigkeit von Standort und Nutzungsintensität. Mitt. Dt. Bodenkdl. Gesell. 76, 847-850. Körschens, M.; Stegmann, K.; Pfefferkorn, A.; Weise, V.; Müller, A. (1994): Der statische Düngungsversuch Bad Lauchstädt nach 90 Jahren: Einfluß der Düngung auf Boden, Pflanze und Umwelt. M. Körschens (Hrsg.), Stuttgart, Leipzig. Teubner. Körschens, M.; Weigel, A.; Schulz, E. (1998): Turnover of soil organic matter (SOM) and long-term balances – tools for evaluating sustainable productivity of soils. Z. Pflanzenernähr. Bodenk., 161, 409-424. 177 Rühlmann, J. (2003): Der Kastenparzellenversuch Grossbeeren nach sechs Rotationen: C- und N-Bilanzen des Dauerversuchs mit gemüsebaulicher Bodennutzung. Arch. Agron. Soil Sci. 49, 511-536. Schnieder, E. (1990): Die Dauerversuche in Thyrow. In: Dauerfeldversuche. Übersicht, Entwicklung und Ergebnisse von Feldversuchen mit mehr als 20 Jahren Versuchsdauer. Akad. Landwirtsch. Wiss. Berlin, 205-229. Smukalski, M.; Kundler, P.; Rogasik, J. (1990): Der Müncheberger Nährstoffsteigerungsversuch. In: Dauerfeldversuche. Übersicht, Entwicklung und Ergebnisse von Feldversuchen mit mehr als 20 Jahren Versuchsdauer. Akad. Landwirtsch. Wiss. Berlin, 251-259. 5.0 Zusammenfassung Düngungsversuche sind im Allgemeinen so angelegt, dass der Pflanze der jeweilig zu untersuchende Nährstoff in der gesamten Spanne zwischen Mangel und Überschuss angeboten wird. Die Untersuchung des Einflusses dieser im konkreten Fall unterschiedlichen Stickstoffversorgung auf Ertrag, N-Abfuhr, N-Verlust und Gehalt an organischer Bodensubstanz dient der Bewertung und Optimierung der organischen und der Stickstoffdüngung. Im Sinne der Mathematik wird unter Optimierung die Bestimmung optimaler zulässiger Lösungen eines Problems hinsichtlich einer gegebenen Zielfunktion verstanden. Übertragen auf die Düngung von Pflanzen gibt es demzufolge per se weder den „optimalen Ertrag“ oder den „optimalen Humusgehalt“, noch die „optimale Aufwandmenge an Stallmist“ oder die „optimale Kombination von organischer und mineralischer N-Düngung“. Aufgrund der oben erwähnten Umweltrelevanz der (durch Düngungsmaßnahmen zu beeinflussenden) Humusdynamik wurde als Zielfunktion für die Optimierung von Düngungsmaßnahmen die Begrenzung der mittleren jährlichen N-Verluste aus dem System Boden-Pflanze auf maximal 50 kg ha-1 Jahr-1 gewählt. Alternativ dazu wurden die Ergebnisse auch für andere NVerlustgrenzen (50-100 und 100-150 kg ha-1 Jahr-1) dargestellt, um ggf. über weitere Handlungsoptionen verfügen zu können. Einfluss der organischen und mineralischen N-Düngung auf den Stickstoffund Kohlenstoffhaushalt des Systems Boden-Pflanze Ertrag • Die mittleren Gesamttrockenmasseerträge (Haupt- und Koppelprodukt, gemittelt über mehrere Fruchtfolgerotationen, vgl. Tab.: 4.2.1) der Nullparzellen 178 schwankten in Brandenburger Dauerversuchen in Abhängigkeit vom Standort zwischen 3 und 3,5 t ha-1 in unberegneten landwirtschaftlichen Fruchtfolgen; für die beiden Böden mit der beregneten gemüsebaulichen Fruchtfolge wurden 5,5 und 8 t ha-1 ermittelt. • Die höchsten, in den Brandenburger Dauerversuchen ermittelten Gesamttrockenmasseerträge lagen in Abhängigkeit vom Standort zwischen 6,5 und 9,5 t ha-1 in unberegneten landwirtschaftlichen Fruchtfolgen sowie bei 11,5 und 12 t ha-1 für die beiden Böden mit der beregneten gemüsebaulichen Fruchtfolge. • Die Wirkung der mineralischen N-Düngung wurde durch Beregnung deutlich erhöht (Thyrow, D1). Während auf der N0-Stufe kein signifikanter Beregnungseffekt feststellbar war, bewirkte die Beregnung bei 72 kg N ha-1 einen mittleren jährlichen Mehrertrag von 0,4 t ha-1. Bei einer Mineraldüngung von 144 kg N ha-1 war der beregnungsbedingte Mehrertrag mit 0,9 t ha-1 im Vergleich zu einer Mineraldüngung von 72 kg N ha-1 mehr als doppelt so hoch. • Unter der Prämisse des Einhaltens maximaler N-Verluste von 50 kg ha-1 Jahr-1 wurde die höchste Ertragsklasse (> 95% des am Standort im mehrjährigen Mittel gemessenen höchsten Gesamttrockenmasseertrages) in der Mehrzahl der Versuche nur in Prüfgliedern mit alleiniger mineralischer N-Düngung (teilweise in Kombination mit geringen N-Zufuhren über organische Dünger mit weitem C/N-Verhältnis (18 kg ha-1 Kiefernrinde-N in Großbeeren oder 8 kg ha-1 Stroh-N in Müncheberg)) ermittelt. Am Standort Groß Kreutz wurde die höchste Ertragsklasse nur durch kombinierte organisch-mineralische NDüngung erreicht; dies jedoch überwiegend nur in Verbindung mit N-Verlusten > 100 N ha-1. • Die Böden der Prüfglieder mit den mineraldüngungsbetonten Düngungskombinationen, die zu Erträgen in der höchsten Ertragsklasse führten, wiesen in den Brandenburger Versuchen Differenzen < 0,2% Corg; häufig auch < 0,1% Corg im Vergleich zur Nullparzelle auf. Am Standort Bad Lauchstädt betrugen diese Differenzen maximal 0,23% Corg. Stickstoffabfuhr • Die mittlere jährliche Stickstoffabfuhr von den Nullparzellen (gemittelt über mehrere Fruchtfolgerotationen, vgl. Tab. 4.2.1) durch die Pflanze war in Bran179 denburger Dauerversuchen mit 35 - 40 kg N ha-1 in unberegneten landwirtschaftlichen Fruchtfolgen sehr einheitlich. In der beregneten gemüsebaulichen Fruchtfolge schwankte sie zwischen 75 und 110 kg N ha-1. • Die mit den höchsten, in den Brandenburger Dauerversuchen ermittelten Gesamttrockenmasseerträgen verbundenen Stickstoffabfuhren, betrugen in unberegneten landwirtschaftlichen Fruchtfolgen zwischen 95 und 170 kg N ha-1 – damit waren sie deutlich niedriger als die Stickstoffabfuhren aus der beregneten gemüsebaulichen Fruchtfolge (325 - 330 kg N ha-1). • Im Gegensatz zu den Erträgen, die auf steigende N-Zufuhr mit deutlich abnehmenden Ertragszuwächsen reagierten, bestand auch im hohen N-Angebotsbereich ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen N-Angebot und N-Abfuhr, der für die gemüsebauliche Fruchtfolge am deutlichsten ausgeprägt war. Stickstoffbilanz • Die Berechnungen zur N-Bilanz dienten zwei Zielen: a) Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Höhe der N-Zufuhr und der Höhe der NWiederfindung im System Boden-Pflanze und b) Vergleich der Verlustwirksamkeit organischer und mineralischer N-Düngung. • In allen Dauerversuchen wurde eine abnehmende N-Wiederfindung mit zunehmender N-Zufuhr ermittelt – dies ist gleichbedeutend mit einem Anstieg der N-Verluste bei Erhöhung der N-Zufuhr. Die gemessene N-Wiederfindung betrug in den Nullparzellen annähernd 100% und sank mit steigender NZufuhr zum Teil auf < 50%. • Wurden jährliche N-Verluste von 50 kg ha-1 Jahr-1 zugelassen, war die maximale N-Zufuhr im Versuch mit der geringsten N-Wiederfindung (P60 in Groß Kreutz) auf 135 kg ha-1 Jahr-1 begrenzt, während in den beiden Großbeerener Versuchen und im Statischen Versuch Bad Lauchstädt (Versuche mit höchster N-Wiederfindung) 230 - 245 kg N ha-1 Jahr-1 zugeführt werden konnten. • Im Hinblick auf die Verlustwirksamkeit der organischen im Vergleich zur mineralischen N-Düngung wurden deutliche, standortabhängige Unterschiede festgestellt. In den beiden Großbeerener Versuchen und im V140 in Müncheberg konnten im Vergleich zur organischen N-Zufuhr mehr als doppelt so viel mineralischer Stickstoff gedüngt werden, ohne die Verlustgrenze von 50 kg N ha-1 180 Jahr-1 zu überschreiten. Hingegen waren die Unterschiede in der Verlustwirksamkeit der organischen und mineralischen N-Düngung in den beiden Versuchen in Groß Kreutz sowie in Bad Lauchstädt wesentlich geringer. • Basierend auf den Ergebnissen zur Verlustwirksamkeit der organischen und mineralischen N-Düngung wurden für 6 Dauerversuche Kombinationen aus Stallmist-N und Mineraldünger-N-Zufuhr berechnet, mittels derer die Verlustgrenze von 50 kg N ha-1 Jahr-1 nicht überschritten wurde (Tab. 4.2.3.1). Kohlenstoffhaushalt • Zur Bewertung der Wirkung der Stallmistdüngung auf den Humusgehalt des Bodens im Vergleich unterschiedlicher Versuche erfolgte der Bezug auf die Differenz im Corg-Gehalt des Bodens zwischen den jeweiligen Prüfgliedern mit und ohne Stallmistzufuhr. Diese Differenz wurde auf eine Zufuhr von 1 t STMC ha-1 Jahr-1 normiert und STM-spezifische Humus-C-Akkumulation genannt. Die spezifische Humus-C-Akkumulation tendiert gegen ein Maximum, das nach 25 – 100 Jahren erreicht wird, wenn sich der Gleichgewichtszustand zwischen C-Zufuhr und C-Abbau einstellt. Im Mittel der untersuchten Brandenburger Versuche betrug das Maximum der STM-spezifischen Humus-CAkkumulation ca. 8 Tonnen Humus-C je Tonne STM-C. Für den Standort Bad Lauchstädt mit seiner etwa ⅓ geringeren Mineralisierungsintensität beträgt dieser Wert annähernd 13 Tonnen Humus-C je Tonne STM-C. Bezogen auf eine mittlere jährliche STM-Zufuhrrate von 10 t ha-1 entsprechen die beiden genannten Akkumulationsraten Unterschieden zwischen den jeweiligen Prüfgliedern mit und ohne Stallmistzufuhr von 0,11% Corg (Brandenburg) bzw. 0,20% Corg (Bad Lauchstädt). • Um die genannte Humus-C-Akkumulationen von ca. 8 bzw. ca. 13 Tonnen Humus-C je Hektar zu erreichen, ist zunächst über 25 – 100 Jahre hinweg eine jährliche Zufuhr von 1 Tonne STM-C je Hektar (entsprechend: 10 t STM Frischmasse ha-1) notwendig. Soll nach diesem Erreichen des Gleichgewichtszustandes der Unterschied im Humusgehalt entgegen der mikrobiellen Veratmung aufrechterhalten werden, muss die Stallmistzufuhr permanent fortgesetzt werden. Setzt man die einmalig erreichte Erhöhung im Humusgehalt in Relation zur permanent erforderlichen (kumulierten) STM Zufuhr, tendiert der im Bodenhumus akkumulierte Kohlenstoffanteil mit der Zeit gegen Null. 181 Zusätzlich erfolgt zur Ausbringung und Einarbeitung von organischen Düngern der Einsatz fossiler Energieträger (Kohlenstoff). • Folglich ist das in Zusammenhang mit der „global change Problematik“ vorhandene Bestreben, Böden über die organische Düngung zur C- Sequestrierung nutzen zu wollen, aus dem Blickwinkel der Energieeffizienz und der Kohlenstoffbilanz fragwürdig. • Im Vergleich zur organischen Düngung war die Wirkung der mineralischen NDüngung auf den Corg-Gehalt relativ gering. In allen Brandenburger Versuchen betrug die durch alleinige N-Mineraldüngung bewirkte Erhöhung des CorgGehaltes im Boden meist weniger als 0,1% Corg (maximal: 0,2% C, entsprechend ca. 9 t C je Hektar). Am Standort Bad Lauchstädt stieg der C-Gehalt mit steigender mineralischer N-Düngung um maximal 0.23 % Corg • Die Gegenüberstellung der Corg-Differenz (des jeweiligen Prüfglieds zur Nullparzelle) zum N-Verlust zeigte deutliche Unterschiede zwischen den einzelnen Versuchen. Während im Versuch V140 in Müncheberg in allen Prüfgliedern mit N-Verlusten von nicht höher als 50 kg N ha-1 Jahr-1 die dazugehörigen Corg-Differenzen mit ≤ 0,1% Corg am niedrigsten waren, wurden im gleichen NVerlustbereich im Statischen Versuch Bad Lauchstädt die höchsten CorgDifferenzen mit ≥ 0,4% Corg nachgewiesen. Die standortübergreifende Auswertung von Dauerversuchen beinhaltet die Schwierigkeit, dass häufig neben dem Standortfaktor (Boden, Klima) zusätzlich Unterschiede in anderen Faktoren, wie Fruchtfolge, Düngermengen, Bodenbearbeitung etc. auftreten. Um trotzdem Unterschiede zwischen den Standorten quantifizieren zu können, wurden Verallgemeinerungsgrundlagen genutzt wie z.B.: • Ertragsvergleich auf Basis Gesamttrockenmasse (Haupt- + Koppelprodukt) • Berechnung des effektiven N-Angebotes zur Schätzung von Standortpotenzialen (Gesamttrockenmasseertrag, N-Abfuhr) • Berechnung der N-Verlustwirksamkeit von organischer und mineralischer N-Düngung • Vergleich von Ertrag und Corg-Differenzen auf Basis von N-Verlustklassen • Vergleich der STM-spezifischen Humus-C-Akkumulation 182 Auf Grundlage dieser Verallgemeinerungen können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: • An Standorten mit hohem Potenzial für die pflanzliche Biomassebildung (hohe Bodenfruchtbarkeit, günstiges Temperatur- und Bodenfeuchteregime und/oder Düngung in Kombination mit Beregnung, = produktive Standorte) können in sowohl landwirtschaftlichen als auch in gemüsebaulichen Fruchtfolgen maximale mittlere Gesamttrockenmasseerträge von 12 – 13 t ha-1 Jahr-1 erreicht werden. Dies deckt sich auch mit dem im Seehausener Dauerversuch im Mittel mehrerer Fruchtfolgerotationen gemessenen Maximum von 12,6 t TMErtrag ha-1 Jahr-1 (HÜLSENBERGEN et al., 1992). Auf unberegneten Brandenburger Sandstandorten ist diese pflanzliche Biomasseproduktion auf 8 – 9 t TM ha-1 Jahr-1 begrenzt. Die mittleren Ertragsmaxima von einzelnen Kulturen können höhere Werte erreichen. In einer beregneten landwirtschaftlichen Fruchtfolge (D1 in Thyrow) wurden für Knaulgras Gesamttrockenmasseerträge ca.10 t TM ha-1 Jahr-1 und für die unberegnete Mais Monokultur in Bad Lauchstädt (KÖRSCHENS et al., 1998) ca. 16,5 t TM ha-1 Jahr-1 gemessen. • An produktiven Standorten können dem System Boden – Pflanze wesentlich höhere Nährstoffmengen (230 - 245 kg N ha-1 Jahr-1) zugeführt werden als auf weniger produktiven Standorten (ca. 135 kg N ha-1 Jahr-1), ohne die N-Verlustgrenze von z.B. 50 kg ha-1 Jahr-1 zu überschreiten. • Die N-Abfuhr im (beregneten) Gemüsebau ist über einen viel größeren Bereich annähernd linear mit dem N-Angebot korreliert als die N-Abfuhr von (unberegneten) landwirtschaftlichen Fruchtfolgen an den weniger produktiven Brandenburger Sandstandorten. Damit verbunden ist ein vergleichsweise niedriger N-Verlust derartiger Gemüsefruchtfolgen. • Die N-Verlustwirksamkeit der organischen Düngung ist wesentlich höher als die der mineralischen N-Düngung. Während in den beiden Großbeerener Versuchen und im V140 in Müncheberg im Vergleich zur organischen N-Zufuhr mehr als doppelt so viel mineralischer Stickstoff gedüngt werden konnten, ohne die 50 kg N ha-1 Jahr-1 Verlustgrenze zu überschreiten, waren diese Unterschiede in der Verlustwirksamkeit der organischen und mineralischen NDüngung in den beiden Versuchen in Groß Kreutz sowie in Bad Lauchstädt wesentlich geringer. Diesbezügliche standortabhängige Unterschiede können bisher nicht erklärt werden. 183 • Auf produktiven Standorten sind höchste Erträge (> 95% der am Standort gemessenen Höchsterträge) auch in Verbindung mit niedrigen N-Verlusten (< 50 kg N ha-1 Jahr-1) zu realisieren. Dies ist überwiegend in Mineraldünger-N betonten Düngungskombinationen der Fall. An/in weniger produktiven Standorte/Fruchtfolgen gewinnt die organische Düngung im Hinblick auf die Ertragshöhe an Bedeutung – jedoch auf Kosten höherer N-Verluste. • Die gegenüber den Nullparzellen zum Erreichen von hohen Erträgen (> 95% der am Standort gemessenen Höchsterträge) notwendigen Unterschiede im Corg-Gehalt betragen für die weniger produktiven Brandenburger Sandstandorten überwiegend < 0,1% Corg und für die produktiven Standorte ca. 0,2% Corg. • Hieraus ergeben sich für die weitere Bearbeitung der Dauerversuche viele Fragen, die auch vor dem Hintergrund nachhaltiger Bodennutzung dringend beantwortet werden müssen. • Welche Zufuhr an organischer Substanz ist zwingend notwendig, um den Erhalt der organischen Substanz im Boden zu sichern und welche unvermeidbaren N-Verluste sind damit verbunden? • Welche Folgen für die Fruchtbarkeit (die biologischen chemischen und physikalischen Eigenschaften) und die Erreichung hoher standortangepasster Erträge ergeben sich bei alleiniger mineralischer Düngung? • Gibt es Möglichkeiten, die Fruchtbarkeit der Böden und damit die Ertragfähigkeit und -sicherheit der Böden durch Zufuhr ausgewählter organischer Dünger (, z. B. mit weiten C:N-Verhältnissen, Stroh, Rinden, Grüngutkomposte) auch unter veränderten Klimabedingungen zu erhöhen? • Kann die Humusreproduktionsleistung einzelner organischer Dünger bei unterschiedlichen Standortbedingungen genauer quantifiziert werden und damit zur Präzisierung der Humusbilanzmethode beitragen? • Sind die hier vorgestellten Ergebnisse auf den ökologischen Landbau übertragbar? Die Brandenburger Dauerdüngungsversuche bilden einen Teil der gegenwärtig weltweit ca. 600 und deutschlandweit ca. 90 vorhandenen Dauerfeldversuche mit einer Versuchsdauer von >20 Jahren (KÖRSCHENS, 2005). Dauerfeldversuche haben wesentlich zur Aufklärung einer Vielzahl von Prozessen im System Boden – Pflanze – Umwelt beigetragen (siehe: .„Konzeption zum Erhalt und zur umfassenden Nutzung von Dauerversuchen“, www.igzev.de/IOSDV/). Insbesondere in Brandenburg 184 tätige Wissenschaftler wie ASMUS, GÖRLITZ und KORIATH haben bereits vor 50 Jahren mit die Grundlage für eine Methode zur Reproduktion der organischen Substanz des Bodens gelegt, aus der die heute bestehende „Humusbilanzierung - Methode zur Beurteilung und Bemessung der Humusversorgung von Ackerland“ hervorgegangen ist (VDLUFA Standpunkt 2004, www.vdlufa.de). Dieser VDLUFAStandpunkt bildet zugleich die Grundlage für die von den Landwirten einzuhaltenden Vorschriften zur Bilanzierung des Humusbedarfs nach Cross Compliance. Quo vadis, Dauerfeldversuch? „Dauerfeldversuche, die jahrzehntelang durchgeführt werden, stellen ein „ökosystemares Gedächtnis“ dar, welches einerseits Auskunft über kurz-, mittel- und langfristige Wirkungen der Bodennutzung geben kann, andererseits aber auch Reaktionen auf sich verändernde Umwelteinflüsse erkennbar macht. Somit sind diese Experimente von größtem Werte für das Ableiten von Prognosen und die Entwicklung entsprechender Anpassungsstrategien“ (ELLMER et al., 1997). In der internationalen Wissenschaftslandschaft sind Dauerfeldversuche als „einzigartige Forschungsplattform“ anerkannt (CHRISTENSEN et al., 2006) und die Notwendigkeit, Dauerfeldversuche weiterzuführen, um langsame Veränderung in einer komplexen Matrix von Einflussfaktoren untersuchen zu können, ist unter „agriculturalists“ unbestritten (KIRCHMANN, 2007). Jedoch wurden gerade in der jüngeren Vergangenheit viele Dauerfeldversuche überwiegend aus finanziellen Gründen eingestellt und jeder Dauerversuchverantwortliche weiß um die Sorgen, immer wieder aufs Neue begründen zu müssen, warum der Versuch nach so vielen Jahren auch künftig noch weitergeführt werden soll. Die Aufrechterhaltung von Dauerversuchen ist eben keine Selbstverständlichkeit und der permanente Appell an die Politiker im Hinblick auf finanzielle Absicherung dieser Versuche ist nur eine, wenn auch eine unmittelbar existenzielle Voraussetzung, zum Erreichen dieser Zielstellung. Von gleichrangiger Bedeutung sind alle Aktivitäten der Verantwortlichen für die jeweiligen Dauerfeldversuche, die zur Verbreitung der gewonnenen Erkenntnisse als auch zur Identifizierung neuer Forschungsfelder und damit verbunden zur Entwicklung von Konzepten zur Sicherung des Fortbestehens von Dauerfeldversuchen beitragen. Derartige Aktivitäten sind unter anderem: 185 • die Einbeziehung benachbarter Wissenschaftsdisziplinen und innovativer Untersuchungsmethoden zur Erhöhung der Attraktivität von Dauerversuchen im Hinblick auf den wissenschaftlichen Nachwuchs, • die aktive Nutzung der Dauerfeldversuche als Demonstrationsobjekte und Anschauungsmaterial für Studierende, Praktiker, Politiker sowie die allgemeine Öffentlichkeit und • die Etablierung von nationalen und internationalen dauerfeldversuchsbezogenen Arbeitsgemeinschaften, Diskussionsforen und Internetportalen (AG „Internationalen Organischen Stickstoffdauerdüngungsversuche“ (IOSDV, www.igzev.de/IOSDV/); Duke University Long Term Soil Ecosystem Studies (http://ltse.env.duke.edu/) ; European LTE Gate - European Network of Longterm Experiments (www.igzev.de/LTE/); Global Change Master Directory (http://gcmd.nasa.gov/); Long Continued Agricultural Soil Experiments: A Nordic Research Platform (www.planteinfo.dk/Nordic-LTE)), • die Einstellung der versuchsbezogenen (Somnet, Primärdaten www.rothamsted.bbsrc.ac.uk/aen/somnet/, in Datenbanken www.ufz.de/somnet/) und das aktive Arbeiten mit dem Datenbestand z.B. zur Entwicklung und Validierung von Modellen zur Abbildung von Prozessen im System Boden – Pflanze - Umwelt, • die Auswertung der vielen einzelnen versuchs- und standortspezifischen Ergebnisse (z.B. auf Grundlage vorliegender Publikationen) im überregionalen Kontext, um z.B. die in der Cross Compliance enthaltenen Vorgaben unter den geprüften Standortbedingungen zu präzisieren und anzupassen. • Insbesondere die beiden letztgenannten Punkte stellen eine Voraussetzung dafür dar, die Reaktion Europäischer Agroökosysteme auf Veränderungen von Bewirtschaftung und Klima prognostizierbar machen zu können. Dies betrifft speziell die pflanzliche Biomasseproduktion und die Nährstoffverwertung im System Boden-Pflanze. Der dafür unmittelbar aus Dauerfeldversuchen abzuleitende Beitrag könnte in Ergänzung zu bereits vorgeschlagenen vielfältigen Themengebieten (siehe: .„Konzeption zum Erhalt und zur umfassenden Nutzung von Dauerversuchen“, www.igzev.de/IOSDV/) darin bestehen, • standorttypische Potenziale für die pflanzliche Biomasseproduktion und die NAufnahme als Funktion von Fruchtfolge, Bodentextur und Klima zu bestimmen, 186 • Bewertungsschlüssel für den Vergleich der einzelnen Nutzpflanzenarten im Hinblick auf ihr Ertrags- und N-Aufnahmepotenzial zu erarbeiten und • standorttypische OBS-Mineralisierungsraten als Funktion von Bodentextur und Klima abzuleiten. Im Ergebnis eines derartigen Vorgehens und basierend auf einem Netzwerk von Dauerfeldversuchen scheint die Entwicklung eines Europäischen Informationssystems zur Produktivität von Agroökosystemen realistisch, das für Produzenten, Berater und Politiker zur Entscheidungsfindung beitragen sowie als Wissensbasis fungieren kann. Die Autoren verstehen diese Broschüre auch als einen Beitrag in diesem Zusammenhang. Literatur: Christensen, B.T., Petersen, J., Trentemøller, U.M. (2006): The Ascov Long-term Experiments on animal manure and mineral Fertilizers: The Lermarken site 1894-2004. Preface. DIAS report Plant production no. 121, p. 3. Ellmer, F., Chmielewski, F.-M., Köhn, W., Pagel, H., Peschke, H. (1997): Einfluß der Bodennutzung auf die langfristige Entwicklung von Fruchtbarkeit und Ertragsfähigkeit sandiger Böden, Kap. 6: Zusammenfassung. In: Ökol. Hefte Landwirtsch.-Gärtner. Fak. HU Berlin 7, 135-139. Hülsbergen, K.J.; Rauhe, K,; Scharf, H.; Matthies, H. (1992): Langjähriger Einfluss kombinierter organisch-mineralischer Düngung auf Ertrag, Humusgehalt und Stickstoffverwertung. Kühn-Arch. 86, 11-24. Kirchmann, H. (2007): Success Stories of Agricultural Long-term Experiments. Report from a conference at the Royal Swedish Academy of Agriculture and Forestry, 28-29 May 2007., Chap.: Preface. In: Kungl. Skogs- och Lantbruksakademiens TIDSKRIFT nr 9. 5-6. Körschens (2005): Globale und regionale Bedeutung von Dauerfeldversuchen. Arch. Acker- Pfl. Boden., 51, 111-117. Körschens (2005): Globale und regionale Bedeutung von Dauerfeldversuchen. Arch. Acker- Pfl. Boden., 51, 111-117. Körschens, M.; Weigel, A.; Schulz, E. (1998): Turnover of soil organic matter (SOM) and long-term balances – tools for evaluating sustainable productivity of soils. Z. Pflanzenernähr. Bodenk., 161, 409-424. 187 188 Anhang 189 Tab. Ia: Klimadaten der Standorte der Dauerfeldversuche Brandenburg und Berlin Versuchsort Berlin-Dahlem (Landkreis) (B) Versuchskennung BD_D3,E-Feld, IOSDV Zeitraum Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember 37,4 30,7 37,2 34,0 50,6 66,0 53,1 60,6 42,3 35,0 41,2 51,9 Großbeeren Groß Kreutz Münchberg (TF) (PM) (MOL) Gbr_DFV, GrK_M4,P60 Mue_V140, KPA Al,D,Lö V760 Mittlere monatliche Niederschläge (mm) 1971-2000 35 36,5 37,1 27 31,7 28,3 33 37,6 36,6 36 33,1 35,2 51 45,6 51,2 59 59,2 63,4 56 51,1 51,9 55 52,5 52,1 51 41,4 43,1 39 34,1 36,4 37 39,1 39,6 43 51 49,7 190 Paulinenaue (HVL) Pau_V102 40,1 29,7 36,9 31,7 46,0 62,8 48,8 53,7 41,0 32,9 38,6 51,1 Thyrow (TF) Thy_D1, D4, D6 32,8 27,2 33,1 33,6 47,1 61,7 52,0 52,8 37,8 34,1 36,4 46,7 Tab. Ib: Klimadaten der Standorte der Dauerfeldversuche Brandenburg und Berlin Versuchsort Berlin-Dahlem (Landkreis) (B) Versuchskennung BD_D3,E-Feld, IOSDV Zeitraum Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Großbeeren Groß Kreutz Münchberg (TF) (PM) (MOL) Gbr_DFV, GrK_M4,P60 Mue_V140, KPA Al,D,Lö V760 Mittlere monatliche Mitteltemperaturen (°C) Paulinenaue (HVL) Pau_V102 Thyrow (TF) Thy_D1, D4, D6 1971-2000 0,8 1,5 4,9 9,0 14,3 16,9 18,9 18,5 14,3 9,7 4,8 2,1 0,4 0,7 4,2 7,9 13,3 16,3 18,0 17,5 13,4 8,8 3,9 1,0 67 21 35 7 1603,7 k. A. k. A. k. A. k. A. k. A. 0,4 1,2 4,6 8,6 14,0 16,8 18,7 18,3 14,1 9,4 4,4 1,7 -0,46 0,25 3,7 7,69 13,14 16,01 18,03 17,64 13,39 8,64 3,75 1,02 0,2 0,7 4,0 7,9 13,4 16,3 18,2 17,8 13,5 8,9 4,1 1,6 -0,2 0,6 4,3 7,9 13,2 16,2 18,3 18,1 13,9 9,1 4,0 1,3 90 27 33 6 1652,25 77 19 37 7 1690,6 96 20 32 9 k. A. Anzahl Frosttage (Tmin< 0°C) Eistage (Tmax < 0°C) So-tage (Tmax >25°C) Heiße T. (Tmax < 30°C) Sonn.scheindauer (h) 78 19 43 10 1713,5 191 Weitere Literatur: zu Punkt 3.1.1: Agrarmeterologisches Intensivmessfeld Berlin-Dahlem Aster, E. A. v. 1960: Die Erfassung von Witterungskonstellationen und ihrer Beziehungen zur Ertragsleistung. Dissertation TU Berlin. Chmielewski, F.-M. 1998: Witterungsvariabilität und Ertragsbildung bei Getreide dargestellt am Beispiel von Sommergerste. Annalen der Meteorologie 37, 149150. Chmielewski, F.-M. 1998: Der Einfluss der Witterung auf die Ertragsbildung von Sommergerste. Mitt. Ges. Pflanzenbauwiss. 11, 97-98. Chmielewski, F.-M. 1999: Die Witterungsabhängigkeit der Ertragsbildung von Wintergetreide im Vergleich zu sommerannuellen Arten. Annalen der Meteorologie 38, Selbstverlag DWD, Offenbach. Chmielewski, F.-M. 1999: Impact of weather on the yield components of spring barley compared with winter rye. In: Dear, R.J.; Kalma, J.D., Oke, T.R., Auliciems, A. (Eds.): Biometeorology and Urban Climatology at the Turn of the Millennium, Selected Papers from the Conference ICB-ICUC'99, Sydney, 8-12 Nov. 1999, WMO/TD-No. 1026, 253-258. Chmielewski, F.-M. 1999: Zur Witterungsabhängigkeit der Ertragskomponenten von Winter- und Sommergetreide, dargestellt am Beispiel von Winterroggen und Sommergeste. Mitt. Ges. Pflanzenbauwiss. 12, 105-106. Chmielewski, F.-M.; Köhn, W. 1999: Beziehungen zwischen der Ertragsbildung und Witterung bei Winterroggen anhand langjähriger Beobachtungen. In: Merbach, W.; Körschens, M.: Internationales Symposium Dauerdüngungsversuche, 3.5.6.1999 in Halle/Saale, UFZ-Bericht, 24, 41-44. Chmielewski, F.-M. 2001: Sensitivität von Pflanzen gegenüber klimatischen Veränderungen - dargestellt an Ergebnissen des agrarmeteorologischen Ertragsfeldes in Berlin-Dahlem und an den Daten der Internationalen Phänologischen Gärten Europas. Habilitationsschrift FU Berlin, 110 S. Chmielewski, F.-M., Köhn, W. 2002: Zuckerrübenerträge auf Sandboden und witterungsbedingte Ursachen ihrer Variabilität. Mitt. Ges. Pflanzenbauwiss. 14, 129-130. Chmielewski, F.-M. 2003: Multivariate statistische Methoden zur Analyse von Witterungs-Ertrags-Beziehungen. In: Liesebach, M., Semmler-Busch, A.U. (Hrsg.): Tagungsband zum 16. Herbstkol-loquium der AG Ökologie und Umwelt, Berlin, 1.-2. Oktober, 61-70. Chmielewski, F.-M. 2004: Erste Anzeichen von Klimaänderungen in der Landwirtschaft. Mitt. Ges. Pflanzenbauwiss. 16, 87-88. Chmielewski, F.-M. 2005: Klimaänderungen und Auswirkungen auf die Landwirtschaft. In: Lüttger, A. (Hrsg.): 5. Brandenburger Beregnungstag Blönsdorf, 25.11.2004, Kurzfassung der Vorträge, LVLF, 4-14. Chmielewski, F.-M., Metz, R. 2005: Globale Klimaerwärmung - Folgen für Flora und Fauna. Bayer Kurier, Bayer CropScience Magazin, 20-23. 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