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Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Dr. Christopher Brock
Klagenfurt, 10.10.2012
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Gliederung
1. Humusbilanz – Wer bin ich, und wenn ja wie viele?
2. Koeffizientenausweisung - Die Ableitung bestimmt den Anwendungsbereich.
3. Biogas und Humusbilanz im Ackerbau
4. Fazit: Gebrauchsanleitung Humusbilanz
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
1. Humusbilanz – Wer bin ich, und wenn ja wie viele?
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Anforderungen an die Humusbilanz:
2. Möglichkeit: Aussagen zur Veränderung der Humusvorräte!
1. Möglichkeit: Aussagen zum organischen Düngebedarf von Fruchtfolgen zum Erhalt der
Bodenproduktivität bei geringer Umweltbelastung!
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
OBS-Menge
Zeit
Was soll / was kann die Humusbilanz sagen?
Landnutzungsänderung
Grünland
Ackerbauliche Nutzung:
A: Fruchtfolge mit mehrj. Futterleguminosenanbau und Stalldunganwendung (1,5 GV ha-1)
B: Biogas+Futterfruchtfolge mit, wenig Stallmist, haupts. Gärreste und Gülle
C: Viehloser Marktfruchtbau, Feinleguminosen nur in Zwischenfruchtstellung
ABC
N-Effizienz Ertrag
mittel gering
hoch hoch
mittel mittel
Chr. Brock: Humusbilanzen – Konzepte, Anwendung und Perspektiven
Ackerbauliche Nutzung:
A: Fruchtfolge mit mehrj. Futterleguminosenanbau und Stalldunganwendung (1,5 GV ha-1), ohne mineralische Düngung
B: Fruchtfolge mit mehrj. Futterleguminosenanbau und Stalldunganwendung (0,8 GV ha-1), optimale mineralische Düngung
C: Fruchtfolge ohne Leguminosen, ausschließlich mineralische Düngung
ABC
N-Effizienz Ertrag
mittel gering
hoch hoch
hoch mittel
1. Möglichkeit: Aussage zum organischen Düngebedarf von Fruchtfolgen zum Erhalt der Bodenproduktivität bei geringer Umweltbelastung.
2. Möglichkeit: Aussagen zur Veränderung der Humusvorräte.
Anforderungen an die Humusbilanzierung:
Chr. Brock: Humusbilanzen – Konzepte, Anwendung und Perspektiven
OBS-Menge
Zeit
Anforderungen an die Humusbilanzierung:
ABC
Landnutzungswechsel
1. Möglichkeit: Aussagen zum organischer Düngebedarf von Fruchtfolgen zum Erhalt der Bodenproduktivität bei geringer Umweltbelastung.
2. Möglichkeit: Aussagen zur Veränderung der Humusvorräte.
Chr. Brock: Humusbilanzen – Konzepte, Anwendung und Perspektiven
OBS-Menge
Zeit
Anforderungen an die Humusbilanzierung:
ABC
1. Möglichkeit: Aussagen zum organischer Düngebedarf von Fruchtfolgen zum Erhalt der Bodenproduktivität bei geringer Umweltbelastung.
2. Möglichkeit: Aussagen zur Veränderung der Humusvorräte.
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
„Aus den Bilanzsalden ist abzuleiten, inwieweit Änderungen der Bewirtschaftung notwendig sind, um eine standortangepasste Humusversorgung der Böden zu erhalten. Damit wird die Nachhaltigkeit der Produktion gesichert und das Verlustpotential für Stickstoff begrenzt.“
Der VDLUFA-Standpunkt zur Humusbilanz (2004) sagt dazu:
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Wer bin ich? ….
• Der Begriff „Humusbilanz“ wird heute für unterschiedliche Methodische Konzepte angewendet.
• Die Konzepte unterscheiden sich in Zielstellung, methodischem Ansatz und Aussage und so im Anwendungsbereich.
• Mögliche Systematisierung:
• Eine vergleichende Evaluation der aktuell verfügbaren/angewendeten Methoden ist wünschenswert und wird im Arbeitskreis „Validierung“ der VDLUFA-AG zur Humusbilanz unternommen.
Ökologisches Konzept:
∆OBS = f [Bewirtschaftung, Standortbedingungen (Boden, Klima), OBS-
Ausgangsmenge]
Agronomisches Konzept:
Humusbedarf = f (Fruchtfolge, Ertrag, N-Input,
Standortbedingungen)
Humusersatz = f (Fruchtfolge, org. Düngung)
Chr. Brock: Humusbilanzen – Konzepte, Anwendung und Perspektiven
…Und wenn ja, wie viele? (ohne Anspruch auf
Vollständigkeit):VDLUFA (VDLUFA 2004):
Aktuelle Standardmethode in D.Humuseinheitenmethode (HE nach Leithold et al. 1997):
Für die Anwendung im ökologischen Landbau angepasst, dort häufig verwendet.
Standortangepasste Humusbilanz STAND (Kolbe 2007, 2010):Adaption der VDLUFA-Methode mit Standort-Differenzierung. In Sachsen standardmässig angewendet.
Dynamische Humuseinheitenmethode (Hülsbergen 2003):Humusbilanzierung auf Grundlage eines Modells zur N-Dynamik im System Boden-Pflanze. U.a. angewendet im Rahmen des DLG-Zertifikates „Nachhaltige Landwirtschaft“.
Humusbilanzmethode nach Neyroud (1997):Standardmethode zur Humusbilanzierung in der Schweiz.
Humusbilanzmodell HU-MOD (Brock et al. 2008 , 2012):Modell zur reproduzierbaren Berechnung von Humusbilanzkoeffizienten.
Candy-Carbon-Balance CCB (Franko et al. 2011):Modell zum Umsatz organischer Bodensubstanz für den Einsatz unter Praxisbedingungen.
Chr. Brock: Humusbilanzen – Konzepte, Anwendung und Perspektiven
Zielstellung/Anwendungsbereich von Humusbilanzen:Aussage zum Düngebedarf zum
Erhalt der BodenproduktivitätAussage zur
Veränderung der Humusvorräte
VDLUFA Org. Düngerbedarf für optimale Erträge und N-Effizienz
Bei ausgeglichenem Saldo stellen sich angepasste
Humusvorräte ein.
STAND. Quantifizierung von OBS-Änderungen
HE nach Leithold et al.
Org. Düngerbedarf für Erhalt der Humusvorräte als zentraler Faktor der
Bodenproduktivität
Unzureichende Humusversorgung bewirkt
Abnahme der Humusvorräte
Dynamische HE
Quantifizierung von OBS-Änderungen
HU-MOD Implizit Relative Änderung der OBS-Vorräte gegenüber
Vornutzung
Neyroud / SALCA
Org. Düngerbedarf für den Erhalt der Humusvorräte
Implizit
CCB Implizit Quantifizierung von OBS-Änderungen
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
2. Koeffizientenausweisung – die Ableitung bestimmt den
Anwendungsbereich.
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Grundprinzip der Humusbilanz:
Humusersatz/Input
(Org. Dünger, Pflanzenbiomasse)
- Humusbedarf/ bewirtschaftungsbedingter Humusverlust
= Humusreproduktion
(bewirtschaftungsbedingte Veränderung der Humusvorräte)
• experimentelle Ermittlung anhand vonDauerversuchen
und / oder
• Ableitung aus der N-Dynamik
und / oder
• Ableitung aus Umsatzindikatoren
Möglichkeiten der Koeffizientengenerierung:
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Methodische Ansätze:
VDLUFA Statische Koeffizienten zu org. Düngerbedarf (Humusbedarf) bzw. org. Düngungsleistung (Humusersatz) von Fruchtarten
und Düngern. Koeffizienten in Dauerfeldversuchen mit Faktoren Fruchtfolge und Düngung abgeleitet (untere Werte)
bzw. heuristisch mit Bezug auf steigende Ertragsniveaus angepasst (obere Werte).
HE nach Leithold et al.
Ansatz wie VDLUFA. Koeffizientenmodifikation gegenüber VDLUFA auf Grundlage von Annahmen zur N-Dynamik im
System Boden-Pflanze.
STAND Ansatz wie VDLUFA. Empirische Koeffizientenanpassung auf Grundlage von Humus-Mengenänderungen in
Dauerfeldversuchen.
Dynamische HE Ausweisung von Humusbilanzkoeffizienten mit einem Modell zur N-Dynamik im System Boden-Pflanze, sowie mit
empirisch ermittelten Werten zur Humusersatzleistung von Pflanzenbiomasse und Düngern.
Neyroud Berechnung der Humusbilanz mit statischen Koeffizienten auf Grundlage von Ackerflächenverhältnis, org. Düngung und
angenommenem standorttypischen Boden-C-Gehalt.
HU-MOD Ausweisung von Humusbilanzkoeffizienten mit einem Modell zur C- und N-Dynamik im System Boden-Pflanze.
CCB Ausweisung von Mengenänderungen der OBS mit einem C-Umsatzmodell.
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Output:
VDLUFA Saldo der organischen Düngung unter Berücksichtigung von Fruchtfolge- und Düngerleistungen
HE nach Leithold et al.
Dynamische HE Saldo der organischen Düngung unter Berücksichtigung von Fruchtfolge- und Düngerleistungen, Saldo der
HumusversorgungHU-MOD
STAND Saldo der Humusversorgung (=Saldo humusabbauender und humusaufbauender Maßnahmen)
Neyroud
CCB OBS-C-Änderung, OBS-C-Bilanz, N-Bilanz, wirksame Mineralisierungszeit
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Berücksichtigte Faktoren:Bewirtschaftung Standort
VDLUFA Fruchtfolge, org. Düngung ---
HE nach Leithold et al. Fruchtfolge, org. Düngung, Landbausystem (ÖKO/KON)
---
STAND Fruchtfolge, org. Düngung Standortklassen
Dynamische HE Fruchtfolge, Erträge, org. Düngung, min. Düngung
Standortspezifische N-Verwertung
Neyroud Ackerflächenverhältnis, org. Düngung
Standorttypischer C-Gehalt, Bodentextur, pH
HU-MOD Fruchtfolge, Erträge, org. Düngung, min. Düngung
Standortspezifische N-Verwertung, standortspez.
OBS-CN-Verhältnis
CCB Fruchtfolge, Erträge, org. Düngung
Bodenart/Textur, Klima, OBS-Ausgangsmenge
(weitere Daten optional)
Koeffizientengenerierung der VDLUFA-Basismethode: (Asmus & Herrmann 1977) Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen
Veränderung der Humusvorräte im Auswertungszeitraum (% Corg)
Ertragsniveau Winterweizen (dt TS ha-1)
+/-0
+0,25
-0,25
25 50 75 100
Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen:
+/-0
+0,25
-0,25
25 50 75 100
Veränderung der Humusvorräte im Auswertungszeitraum (% Corg)
Ertragsniveau Winterweizen (dt TS ha-1)
Annähernd konstante Humusgehalte...
+/-0
+0,25
-0,25
25 50 75 100
Veränderung der Humusvorräte im Auswertungszeitraum (% Corg)
Ertragsniveau Winterweizen (dt TS ha-1)
Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen:
Annähernd konstante Humusgehalte...
...bei hohem Ertragsniveau.
+/-0
+0,25
-0,25
25 50 75 100
Veränderung der Humusvorräte im Auswertungszeitraum (% Corg)
Ertragsniveau Winterweizen (dt TS ha-1)
Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen:
Fruchtfolge:60 % Getreide20 % Hackfrucht20 % Feldfutter (Luzernegras)
Düngung:120 dt Rottemist ha-1a-1
100 kg Mineral-N ha-1a-1
Notwendige Zufuhr an Org. Substanz (TS, bezogen auf Stallmist) zum Erhalt der Humusvorräte:
30 dt ha-1 a-1
Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen:
Quelle: Asmus/Herrmann (1977)
Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen:
Quelle: Asmus/Herrmann (1977)
Interpolierte Koeffizienten für unterschiedliche Bodenartengruppen:
Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen:
Quelle: Asmus/Herrmann (1977)
Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen:
Problem:
Generierung von Koeffizienten ist nur für die in den Dauerfeldversuchen abgebildete Systeme und entsprechenden Bedingungen möglich.
Generierung von Koeffizienten nicht möglich für andere Systeme/Bedingungen, z.B.
-ökologische Bewirtschaftung,
-besondere Anbausysteme (Mischkultur, Agroforstsysteme,...)
-neue Fruchtarten (Baumarten, Sorghum, Miscanthus,...)
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Reproduzierbare Koeffizientenschätzunh: Ableitung anhand von Modellen zur C- und N-Dynamik im System Boden-Pflanze.
Tjurin (1957): Verknüpfung von Humus- und Stickstoffbilanz von Ackerböden.
Rauhe & Schönmeier (1966): Humuseinheiten-Methode.Asmus (1985): Humusbedarf und Stickstoffentzug.Leithold (1991): Horizontale Stickstoffbilanz. Hülsbergen (2003): erweiterte (dynamische)
Humuseinheiten-Methode.Brock/Hoyer/Leithold/Hülsbergen (2008, 2012):
Humusbilanzmodell (HU-MOD).
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Beispiel: Humusbilanzmodell HU-MOD (Brock et al.,
eingereicht):
Konzept:
•C und N sind als Bausteine der Humussubstanz von gleichrangiger Bedeutung. Erfassung der Humusdynamik ist daher anhand beider Elemente möglich.
•Pflanzenertrag und Humusdynamik stehen über N-Aufnahme der Pflanzen in messbarer Beziehung.
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
•Die Humusmineralisierung im Zuge eines Anbausystems wird durch Separierung des Beitrages der unterschiedlichen N-Pools zur N-Versorgung des Pflanzenbestandes ermittelt.
•Der Bezug zwischen N in Pflanzenbiomasse und N-Angebot aus den einzelnen Pools wird über spezifische Systemverwertungsraten für N hergestellt.
Ermittlung der Humusmineralisierung:
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
•Die Humusersatzleistung wird anhand aller Inputs an organischer Substanz berechnet. Dabei werden als Inputs neben organischen Düngern aller Art (inkl. Stroh, Gründg.) zunächst Ernterückstände, Wurzelmassen und Wurzelexsudate berücksichtigt, außerdem ggf. organische Dünger aller Art (inkl. Stroh und Gründg.)
•Der Bezug zwischen C-Input und Humusaufbau wird über substratspezifische Humifizierungsraten unter Berücksichtigung der N-Verfügbarkeit als möglicherweise limitierenden Faktors für die C-Speicherung im Humus hergestellt.
Ermittlung der Humusersatzleistung:
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Modellbasierte Berechnung mit HU-MOD (Brock et al. 2008, 2012):
Kalkulation Humusbedarf auf Grundlage der Inanspruchnahme von Humus-N,Kalkulation Humusersatz auf Grundlage C-und N-Input.
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Ökologisches Bilanzkonzept: Modellierung des Umsatzes organischer Bodensubstanz.
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
3. Biogas und Humusbilanz im Ackerbau
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
OBS-Menge
Zeit
Was soll / was kann die Humusbilanz sagen?
Landnutzungsänderung
Grünland
Ackerbauliche Nutzung:
A: Fruchtfolge mit mehrj. Futterleguminosenanbau und Stalldunganwendung (1,5 GV ha-1)
B: Biogas+Futterfruchtfolge mit, wenig Stallmist, haupts. Gärreste und Gülle
C: Viehloser Marktfruchtbau, Feinleguminosen nur in Zwischenfruchtstellung
ABC
N-Effizienz Ertrag
mittel gering
hoch hoch
mittel mittel
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Humusbilanz und Biogas –was ist hier speziell zu berücksichtigen?
Die Fruchtfolgegestaltung.
Das bleibt die Basis!
Stoffkreisläufe.
Abfuhr und Zufuhr organischer Substanz werden beinflusst.
Die spezifische Humusersatzlistung von Gärresten.
Höher als Mist/Gülle/Kompost/Gründüngung?
Die Schaffung eines mobilen Düngerpools.
Ertragssteigerungn und verbesserte N-Effizienz möglich.
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Szenario Fruchtfolge Düngung Humusbilanz (Häq ha-1a-1)
Alle Szenarien: im Mittel 120 kg N ha-1
a-1 mineralisch
VDLUFA –untere
W.
VDLUFA – obere
W.
HU-MOD
Futterbau Winterweizen+ZF-Silomais-Wintergerste+ZF-Hafer
40 m3 Gülle ha-1 zu Mais, Haferstroh abgefahren
+306 +156 +89
Markt-fruchtbau
Winterweizen+ZF-Winterweizen-Winterraps+ZF-Wintergerste
Stroh verbleibt grundsätzlich
+836 +716 -180
Biogas Silomais-Silomais-Winterweizen+ZF-Wintergerste
Im Mittel 25 dt Gärrest ha-1 a-1, ZF und Stroh verbleibt
+551 +371 +109
Biogas ohne Gärrest-Rückführg.
Silomais-Silomais-Winterweizen+ZF-Wintergerste
ZF und Stroh verbleibt
+109 -71 -448
Beispiele
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Interpretation der Beispiele:Alle Beispiele mit hohem Ertragsniveau, Strohdüngung (ggf.) entsprechend hoch.
Achtung – Gärrest ist nicht gleich Gärrest – große Variation der Abbaustabilität berichtet!
Die z.T. stark positiven Humusbilanzen dürfen nicht ohne weiteres als Veränderung der Humusvorräte interpretiert werden!
Zur Bewertung von Umweltrisiken ist jeweils zu prüfen, ob die N-Bilanz akzeptabel ist.
VDLUFA-Bilanzen und Modell (HU-MOD) bewerten die Humusreproduktion absolut und im Szenarienvergleich unterschiedlich.
Humusreproduktion im Szenarienvergleich nach HU-MOD:
Biogas mit Gärrestdg > Futterbau > Marktfuchtbau > Biogas ohne Gärrestdg.
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
4. Fazit – Gebrauchsanleitung Humusbilanz.
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Gebrauchsanleitung Humusbilanz:
Frage 1: Was will ich beurteilen?
Den organischen Düngebedarf in Fruchtfolgen zum Erhalt der Humusvorräte bei hohem Ertragsniveau
Agronomische Humusbilanzmethode (z.B. VDLUFA, HE nach Leithold)!
Die unterschiedliche Beeinflussung der Humusvorräte im Szenarienvergleich, z.B. bei Bewirtschaftungsumstellungen.
Beide Bilanzkonzepte anwendbar (z.B. HU-MOD, aber alle Methoden möglich)!
Die absolute Veränderung der Humusvorräte in Abhängigkeit vom Bewirtschaftungssystem.
Ökologische Humusbilanz (z.B. CCB)!
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Gebrauchsanleitung Humusbilanz:
Frage 2: Wie ist der Datenbedarf?
VDLUFA, HE nach
Leithold
STAND Dyna-mische
HE
Neyroud HU-MOD CCB
Fruchtfolge X X X X X X
Erträge X X
Art und Menge der organischen Dünger
X X X X X X
Art und Menge der mineralischen Düngung
X X
Einfache Angaben zur Standortgüte
X X X X
Bodendaten X X
N-Gehalte Pflanzen und Dünger
X X
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Gebrauchsanleitung Humusbilanz:
Frage 3: Welche Gültigkeit besitzen die Aussagen?Aussage zum
Düngebedarf zum Erhalt der Bodenproduktivität
Aussage zur Veränderung der
Humusvorräte
VDLUFA Validiert Evaluiert
HE nach Leithold et al. Plausibilitätsprüfung in Praxisanwendung
Evaluiert
STAND Nicht explizit geprüft Validiert
Dynamische HE Plausibilitätsprüfung in Praxisanwendung
Evaluiert
Neyroud Nicht explizit geprüft Evaluiert
HU-MOD Nicht explizit geprüft Möglichkeit des Szenarienvergleichs
validiert
CCB Nicht explizit geprüft Validiert
Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau
Vielen Dank!
Dr. Christopher BrockJustus-Liebig-Universität GiessenProfessur für Organischen LandbauKarl-Glöckner-Straße 21c35394 GiessenDeutschlandTel.: 0049-(0)641-99-37735Email: [email protected]