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Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau Dr. Christopher Brock Klagenfurt, 10.10.2012

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Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau

Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau

Dr. Christopher Brock

Klagenfurt, 10.10.2012

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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

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Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau

1. Humusbilanz – Wer bin ich, und wenn ja wie viele?

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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!

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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

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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:

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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.

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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.

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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:

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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)

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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.

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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

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2. Koeffizientenausweisung – die Ableitung bestimmt den

Anwendungsbereich.

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Grundprinzip der Humusbilanz:

Humusersatz/Input

(Org. Dünger, Pflanzenbiomasse)

- Humusbedarf/ bewirtschaftungsbedingter Humusverlust

= Humusreproduktion

(bewirtschaftungsbedingte Veränderung der Humusvorräte)

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• experimentelle Ermittlung anhand vonDauerversuchen

und / oder

• Ableitung aus der N-Dynamik

und / oder

• Ableitung aus Umsatzindikatoren

Möglichkeiten der Koeffizientengenerierung:

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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.

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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

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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)

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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

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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...

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+/-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.

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+/-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

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Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen:

Quelle: Asmus/Herrmann (1977)

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Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen:

Quelle: Asmus/Herrmann (1977)

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Interpolierte Koeffizienten für unterschiedliche Bodenartengruppen:

Empirische Ableitung in Dauerfeldversuchen:

Quelle: Asmus/Herrmann (1977)

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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,...)

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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).

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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.

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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:

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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:

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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.

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Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau

Ökologisches Bilanzkonzept: Modellierung des Umsatzes organischer Bodensubstanz.

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Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau

3. Biogas und Humusbilanz im Ackerbau

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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

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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.

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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

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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.

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Chr. Brock: Humusbilanzierung (nicht nur) im Energiepflanzenbau

4. Fazit – Gebrauchsanleitung Humusbilanz.

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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)!

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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

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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

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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]