Die Nachhaltigkeit von Düngungssystemen — Dargestellt am seehausener Düngungs‐Kombinationsversuch

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Die Nachhaltigkeit vonDüngungssystemen —Dargestellt am seehausenerDüngungs‐KombinationsversuchKurt‐Jürgen Hülsbergen a b & Wulf Diepenbrock a

a Institut für Acker‐ und Pflanzenbau ,Martin‐Luther‐Universität , Halle‐Wittenbergb Institut für Acker‐ und Pflanzenbau ,Martin‐Luther‐Universität Halle‐Wittenberg ,Ludwig‐Wucherer‐Str. 2, Halle/Saale, D‐06099,Bundesrepublik Deutschland E-mail:Published online: 17 Dec 2008.

To cite this article: Kurt‐Jürgen Hülsbergen & Wulf Diepenbrock (2001)Die Nachhaltigkeit von Düngungssystemen — Dargestellt am seehausenerDüngungs‐Kombinationsversuch, Archives of Agronomy and Soil Science, 46:3-4,215-238, DOI: 10.1080/03650340109366174

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Arch. Acker- Pfl. Boden., 2001, Vol. 46, pp. 215-238 © 2001 ΟΡΑ (Overseas Publishers Association) N.V.

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Printed in Malaysia.

DIE NACHHALTIGKEIT VONDÜNGUNGSSYSTEMEN - DARGESTELLT

AM SEEHAUSENER DÜNGUNGS-KOMBINATIONSVERSUCH

KURT-JÜRGEN HÜLSBERGEN* und WULF DIEPENBROCK

Institut für Acker- und Pflanzenbau der Martin-Luther-UniversitätHalle- Wittenberg

(Eingegangen 15. Dezember 1999)

Der 1967 in Seehausen auf sandigem Lehm angelegte Düngungs-Kombinationsversuchdient der Analyse von Langzeitwirkungen gestaffelter Stallmist- und Mineral-N-Gaben(0,50,100,150 kg N ha - 1 a - 1) auf Pflanzen, Boden und Umwelt. Anhand von Meß-,Bilanz- und Simulationswerten wird die Nachhaltigkeit dieser Düngungsvarianten be-wertet.

Organisch-mineralische Düngung führte zu Maximalerträgen von über 12t TMha - 1 a - 1 und N-Entzügen bis 200 kg ha - 1 a - 1 . Der N-Entzug der ungedüngten Variantebetrug in den letzten Jahren noch etwa 75 kg ha-1 a-1 gegenüber 100 kg ha-1 a - 1 zuVersuchsbeginn.

Die Entwicklung der Boden-Nt-Gehalte konnte mit e-Funktionen beschrieben werden.Mineral-N allein genügte nicht zum Erhalt der Nt-Ausgangsvorräte, hierfür waren 55 bis85 kg Stalldung-N ha - 1 a - 1 notwendig. Die N t- und Ct-Gehalte korrelierten mit zahlrei-chen Bodenparametern. Hohe Humusgehalte forderten die biologische Aktivität.

Die N-Verluste betrugen <10kg ha-1 a-1 (ungedüngt) bis 120 kg ha-1 a - 1 (höchst-gedüngte Variante). Das N-Verlustpotential lag bei Stallmistanwendung etwas niedrigerals bei gleicher N-Zufuhr in Mineralform. Je nach Stallmist-Stufe waren 62 bis 104kg Mineral-N ha - 1 a - 1 erforderlich, um den Energieeinsatz je Produkteinheit zuminimieren.

Kombinierte Anwendung organischer und mineralischer Dünger (je 100 kg N ha - 1

a - 1 ) führte zu höchsten ökonomischen Leistungen, günstigen Bodeneigenschaften undtolerierbaren Umweltwirkungen. Zieht man alle verwendeten Nachhaltigkeitskriterien inBetracht, ist dieses Düngungssystem den anderen überlegen.

Stichwörter. Nachhaltigkeit; Dauerversuch; Düngungssystem; Stoffhaushalt; Energiebi-lanz

*Address for correspondence: Institut für Acker- und Pflanzenbau der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Ludwig-Wucherer-Str. 2, D-06099 Halle/Saale, Bundes-republik Deutschland. e-mail: [email protected]

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216 K.-J. HULSBERGEN UND W. DIEPENBROCK

Sustainability of Fertilization Systems on the Exampleof a Fertilizer Combination Trial in Seehausen

The fertilizer combination trial launched in 1967 on a sandy loam site in Seehausenis aimed at analysing long-term effects of differentiated manure and mineral N doses(0,50, 100,150 kg N ha-1 a-1) on plant, soil and environment. The sustainability of thefertilizer treatments has been evaluated by means of measurement series, balance sheetsand simulated values.

The input of organic and mineral fertilizer produced maximum yields of more than12t d.m. ha-1 a-1 and N removal rates up to 200kg ha -1 a-1. In the non-treated variantthe N removal in the last years was still approx. 75kg ha-1 a-1 compared with 100kgha-1 a -1 at the beginning of the experiment. The development of the soil-Nt stock hasbeen demonstrated by e-functions. Mineral-N alone was not sufficient for supporting theinitial Nt stock; moreover, 55 to 85 kg of manure N per hectare and year were necessary.The Nt and Ct contents correlated with numerous soil parameters. High humus levelspromoted the biological activity in the soil.

The N losses reached <10kgha-1 a-1 (non fertilized) up to 120kg ha -1 a -1 (maxi-mum input). The N loss potential was slightly lower in case of manure applicationcompared with equal N supply in form of mineral fertilizer. Depending on the manurelevel, 62 to 104 kg mineral N ha -1 a -1 were necessary for minimizing the energy inputper product unit.

The combined application of organic and mineral fertilizer (100 kg Nha-1 a -1 each)gave the highest economic performance, promoted the soil properties with tolerableimpact on the environment. Considering all applied sustainability criteria, this fer-tilization system is evidently superior to the other ones.

Keywords: Sustainability; Long-term trial; Fertilization system; Matter fluxes; Energybalancing

1. EINLEITUNG

Die "nachhaltige Landwirtschaft" ist ein Leitbild der Entwicklung vonBewirtschaftungssystemen - dies läßt sich allein schon an der Fülleaktueller Publikationen zu diesem Thema belegen. Es gibt verschie-denste Definitionen nachhaltiger Landwirtschaft (Smit u. Smithers,1993; Addiscott, 1995; Lewandowski et al., 1999); der Begriffsinhalt istdurchaus umstritten (Constanza u. Patten, 1995). Nach Roberts (1995)ist nachhaltige Landwirtschaft "ein System, welches die Produktivitätder Böden und deren ökonomische Nutzbarkeit erhält. Es minimiertdie Energie- und Ressourcennutzung und optimiert den Umsatzan organischer Substanz und Nährstoffen". Nachhaltige Landwirt-schaft umfaßt u.a. die Teilaspekte intergenerationelle Gerechtigkeit,Schutz der Produktionsgrundlagen, Vermeidung von Umweltbela-stungen, Erhalt biologischer Vielfalt, Sicherung der ökonomischen

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Existenzfähigkeit der landwirtschaftlichen Betriebe, Gewährleistungder Nahrungsversorgung (vgl. Christen, 1996).

Ein methodisches Problem stellt die Beurteilung der Nachhaltigkeitals komplexe Größe dar. Es ist zu definieren, mit welchen Indikatoren,Methoden und Zielwerten Nachhaltigkeit zu bewerten ist. EinzelneKriterien nachhaltiger Landwirtschaft können nur in Untersuchungenmit ausreichend langer Laufzeit sicher beurteilt werden. Hierzu zählenbewirtschaftungsbedingte Veränderungen der Humusgehalte vonBöden und hieran gekoppelte Ertragseffekte, aber auch langfristigeUmweltwirkungen.

Am Beispiel eines 32jährigen Dauerversuchs wird der Fragenachgegangen, inwieweit Feldexperimente Aussagen zur Nachhaltig-keit von Düngungs- und Anbausystemen ermöglichen. Als"Nachhaltigkeits-Kriterien" dienen die Ertragsleistungen (TM-Ertrag,N-Entzug), die Bodenfruchtbarkeit (Humusgehalt, bodenbiologischeAktivität), die Umwelteffekte (N-Saldo, Energieintensität) und dieökonomischen Wirkungen (Deckungsbeitrag). Mit Hilfe einheitlichskalierter Netzdiagramme erfolgt eine Gesamtbewertung der geprüftenDüngungsvarianten.

2. MATERIAL UND METHODEN

2.1. Angaben zum Versuchsstandort

Der in der Leipziger Tieflandsbucht gelegene VersuchsstandortSeehausen ist repräsentativ für 5 bis 10% der Bodenfläche Deutsch-lands (Altermann, 1992). Die Jahresniederschläge betragen imlangjährigen Mittel 551 mm (Tab. I); die Wasserversorgung ist häufigertragsbegrenzender Faktor. Im Versuchsfeld sind stauvernäßte Bödenverbreitet; sie tragen eine etwa 40 cm mächtige Sandlößdecke.

2.2. Versuchsanlage und Versuchsdurchführung

Der Düngungs-Kombinationsversuch Seehausen wurde 1967 alszweifaktorielle Anlage mit den Prüffaktoren "Stallmist" als Rottedungvom Rind und "Mineral-N" als Kalkammonsalpeter mit jeweils4 Stufen in 4 Wiederholungen (=16 Varianten, 64 Parzellen, 50 m2

Parzellengröße) angelegt (Tab. II).

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218 K.-J. HÜLSBERGEN UND W. DIEPENBROCK

TABELLE I Standortbedingungen der Versuchsstation SeehausenTABLE I Site conditions in the experimental station Seehausen

Mittlere StandortparameterKennzahl Maßeinheit der Versuchsfläche

JahresniederschlagJahrestemperaturN-Immission (nasse Deposition)Bodenart, Bodenform (dominierend)

FAO-Klassifikation, Bodenschätzung

mm°Ckgha- 'a"1

uchsfläche (i'

%gern"3

551 (1967-1997)9,3(1967-1997)45Sandiger Lehm, Sandlößtieflehm-StaugleyStagno-Luvic Gleysol, sL 4 LöD58/61

Vckerkrume)

10; 46; 441,55

Ton; Schluff; SandTrockenrohdichteFeldkapazität V-% 26,7C,; N, % 1,02; 0,093Sorptionskapazität mval 100 g"1 10,9

Der Stallmist wird zu den Hackfrüchten gegeben (0 bis 450 kg Nha"1 a"1)1; die Mineral-N-Gaben sind fruchtartenbezogen angepaßtund werden je nach Aufwandmenge in ein oder zwei Gaben verab-reicht. Phosphor, Kalium und Kalk werden in allen Varianten (auchauf der 0/0-Parzelle) in gleicher Höhe als Vorratsdüngung einmal jeFruchtfolge appliziert. Die Aufwandmengen betrugen im Mittel derVersuchsjahre 106 kg ha~'a~' P2O5 als Superphosphat, 192 kgha"1 a"1 K2O und 224 kg ha"1 a"1 CaO. Die pH-Werte aller Variantenliegen mit 6,6 bis 6,8 im optimalen Bereich. Die derzeitigen PDL-

TABELLE II N-Düngermengen im Düngungs-Kombinationsversuch (letzte Frucht-folge)TABLE II N-fertilizer rates in the fertilizer combination trial (last crop rotationsequence)

Stufe

0/01/12/23/3

Faktor A:Mittel

050100150

Stalldung-N(kg ha~la~')

Kart

0150300450

ZR

0100200300

Faktor B:Mittel

050100150

Mineral-N(kg ha-' a"1)Kart

060120180

WW

04080120

WG

050100150

ZR

080160240

SG

0204060

1In einzelnen Jahren traten Abweichungen von den langfristig angestrebtenDüngergaben auf, da die N-Gehalte im Stalldung variierten. In der ersten Rotationlag die N-Düngung etwas höher als im weiteren Versuchsablauf, danach gab es nur nochgeringfügige Modifikationen des Mineral-N-Einsatzes.

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Gehalte (16 bis 34 mg PDL 100g~' Boden) und KDL-Gehalte (17 bis40 mg KDL 100 g"1 Boden) sind als sehr hoch einzustufen.

Die ursprünglich 4-feldrige Fruchtfolge wurde ab 1979 um einGetreidefeld erweitert: Fruchtfolge 1967 bis 1978: Kartoffeln -Winterweizen - Zuckerrüben - Sommergerste, ab 1979: Kartoffeln -Winterweizen - Wintergerste - Zuckerrüben - Sommergerste. DieNebenprodukte Stroh und Rübenblatt werden vollständig geerntet.

Im Versuchsablauf wurden mehrfach neue Sorten eingeführt undder chemisch-synthetische Pflanzenschutz intensiviert. Seit 1976werden Wachstumsregulatoren und seit 1985 Fungizide eingesetzt.Ziel dieser Anpassungsmaßnahmen war es, den Züchtungsfortschrittzu nutzen und die Anbauverfahren den Verhältnissen in der Praxisweitgehend anzupassen.

2.3. Untersuchungsmethoden und statistische Auswertung

2.3.1. Bodenproben und Laboranalysen

An parzellenweise gewonnenen Bodenproben (n = 64) aus der Schicht0-30 cm (Ap-Horizont) wurden folgende Parameter analysiert: Ct

und Nt (C/N-Analyser), Cmik (Mikrobielle Biomasse, Substrat-induzierte Respiration nach Anderson u. Domsch, 1978), Chwi» Nhwl

(Heißwasserextraktion nach Schulz, 1990),2 Katalaseaktivität (nachBeck, 1971)2 und ß-Glucosidaseaktivität (nach Hoffmann u. Dedeken,1965).2 Bodenphysikalische Parameter (Trockenrohdichte, Porenvolu-men) wurden an ungestörten Proben (Stechzylinder) bestimmt.Regenwürmer wurden durch Handauslese (Probenahmefläche:25 cm χ 25 cm, 25 cm Tiefe, 2 Wiederholungen je Parzelle) undanschließendem Formalineinsatz erfaßt; ermittelt wurden die Bio-masse und Artenstruktur. Die Nmin-Analysen (KC1, nach VDLUFA,1991) beziehen sich auf die Schichten 0-30, 30-60 und 60-90 cm.Zusätzlich wurden Nitrat-Tiefenprofile durch Bohrungen bis 7,50 mTiefe erstellt. Die Bestimmung von Ct, Qnjk, Nt, Nmin erfolgt jährlich,die übrigen Parameter beziehen sich auf Untersuchungen der Jahre1996 bis 1998.

2Die Chwl- und NhwI-Bestiimnung erfolgte freundlicherweise im UFZ Halle-Leipzig(Prof. M. Körschens und Mitarbeiter), die Bestimmung der Enzymaktivitäten wurdedurch Frau Dr. S. Tischer (Institut für Bodenkunde und Pflanzenernährung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg) vorgenommen.

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2.3.2. Stickstoff- und Energiebilanzierung

In der N-Bilanz werden die N-Zufuhren (Dünger-N, am Standortals nasse Deposition gemessene N-Immission, N im Saatgut) und N-Entzüge (Erträge von Haupt- und Nebenprodukt χ N-Gehalte in derErntesubstanz) unter Berücksichtigung der Veränderung der Nt-Gehalte im Boden (ANt) saldiert (vgl. Hülsbergen et ai, 1996a).

In die Energiebilanz wird ausschließlich der Einsatz fossiler Ener-gie, der die direkte Energie (Dieselkraftstoff) und indirekte Energie(Betriebsmittel und Maschinen) umfaßt, einbezogen.

Die verwendeten Energieäquivalente gelten für moderne Produk-tionsmethoden:

- Mineraldünger: N: 35,3 MJ kg"1, P2O5: 15,8 MJ kg"1, K2O: 9,3 MJkg"1, CaO: 2,1 MJ kg"1,

- Pflanzenschutz: Herbizide: 288 MJ kg"1, Fungizide: 196MJ kg~\Insektizide: 237 MJ kg"1,

- Saat- und Pflanzgut: 1,3 MJ kg"1 (Kartoffeln) bis 98,0 MJ kg"1

(Zuckerrüben),- Dieselkraftstoff: 39,6 MJ kg"1

- Maschinen und Geräte: 108MJ kg"1.

Der Stallmist wird nach dem Mineralstoffgehalt, der Nährstoffwirkungim Vergleich zu Mineraldüngemitteln (Mineraldüngeräquivalent) undder zur Herstellung der wirksamen Nährstoffe notwendigen fossilenEnergie bewertet (Substitutionswert). Berechnet werden derEnergie-Gewinn (Energiebindung im Ertrag - Energieeinsatz), dieEnergie-Intensität (Energieeinsatz je Produkteinheit), das Output-Input-Verhältnis (Energiebindung im Ertrag/Energieeinsatz). Weitere Anga-ben zu den methodischen Grundlagen der Energiebilanzierung imDauerversuch sind der Arbeit von Biermann et al. (1999) zu entnehmen.

2.3.3. Deckungsbeitragsrechnung

Der Deckungsbeitrag entspricht der Summe der Marktleistungen(Ertrag χ Produktpreis) und Ausgleichszahlungen/Prämien abzüglichder variablen Kosten für Betriebsmittel, Maschinen und sonstigefruchtartenspezifische Kosten. Als Berechnungsbasis gelten für alleProduktionsverfahren das Preisniveau und die Fördersätze von 1996.

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In die Berechnungen flössen die im Versuch ermittelten Erträge undregistrierten Arbeitsgänge ein. Zusätzlich waren Annahmen zu treffen,um einen landwirtschaftlichen Betrieb zu simulieren (vgl. Deimer et al.,1998).

2.3.4. C-IN-Simulation

Zar Beschreibung langfristiger Veränderungen im C- und N-Haushaltsowie zur Bestimmung der Sickerwasserbildung und Nitratausträgekam das Bodenprozeßmodell CANDY (Franko et al, 1995) zurAnwendung. Simuliert wurde in Tagesschritten von 1967 bis 1998.

2.3.5. Statistische Auswertung

Die statistische Auswertung erfolgt mit multiplen Regressionen nachdem Modell:

y = a + bixi + b2x2 + bnx? + b22x2 + bi2xiX2

(xi = Stalldung-N, x2 = Mineral-N in kg ha"1 a~\ y = Zielgrößen).Die bei a = 5% nichtsignifikanten Regressionsglieder werden elimi-niert. In die Berechnungen gehen jeweils n = 64 Einzelwerte ein.Die Abhängigkeit der Nt-Gehalte von der Bewirtschaftungszeit (t)wird mittels eigentlich nichtlinearer Regression (allgemeines Modell:y = a + be~ct) geschätzt. Die Anpassung der Regressionsfunktionenist anhand der Reststreuungen SR und der Bestimmtheitsmaße Βzu beurteilen. Zur Auswertung wurde das Programm STATISTIC A5.0 genutzt.

3. ERGEBNISSE

3.1. Erträge

Im Versuch wurden höchste Erträge bei kombinierter Anwendungorganischer (Stallmist) und mineralischer (Kalkammonsalpeter)Dünger erzielt. Mit Regressionsfunktionen sind die Ertragsmaximaauf den Stallmist-Stufen und die zum Höchstertrag führendenMineral-N-Gaben ableitbar (Abb. 1). Bei Stallmist + NPK kam eszu signifikanten Mehrerträgen gegenüber reiner Mineraldüngung. Die

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y = 7.36 + 0.036 Χι + 0.061 x2 - 0.000076 x,2 - 0.00021 x2

2 - 0.00014 x, x2

Β = 0.98* SR = 0.36 χ, = Stallmist-N x2=Mineral-N

ABBILDUNG l Trockenmasseertrag (Haupt- und Nebenprodukt) im Mittel derletzten beiden Fruchtfolgen (1989-1998).FIGURE I Dry matter yield (main and byproduct) averaging the last two crop rotationsequences (1989-1998).

für die Ertragsbildung optimalen Mineral-N-Gaben lagen bei kombi-nierter Düngung niedriger als bei alleiniger Mineral-N-Anwendung.

Im Versuchszeitraum nahm die Ertragswirkung von Stalldung undMineral-N zu, während der Grundertrag (ohne N-Düngung) nahezukonstant blieb (Tab. III). Der N-Entzug der ungedüngten Variante

TABELLE III Erträge und N-Entzüge, Funktionswerte der multiplen RegressionenTABLE III Yields and N-removal, functional values of the multiple regressions

Kennzahl Jahre ME

Variante (N-Stufe: organischImineralisch)

0/0 Ö/3 2/2 3/Ö 3/3 Β SR

Trocken 1967-74 t ha"1 7,39 11,33 11,56 9,75 11,50 0,94+ 0,26masse-ErtragTrocken 1989-98 t ha"1 7,36 11,83 12,88 11,12 12,47 0,98+ 0,36masse-ErtragStickstoff- 1967-74 kg ha~' 100,8 167,9 175,6 134,3 201,4 0,81+ 14,6EntzugStickstoff- 1989-98 kg ha"1 73,5 164,8 170,7 141,3 206,2 0,86+ 15,9Entzug

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betrug in den letzten Jahren noch etwa 75 kg ha""1 a"1 gegenüber100 kg ha"1 a"1 zu Versuchsbeginn. In den Varianten 3/0 und 3/3waren die N-Entzüge der letzten Rotationen gegenüber der Ausgangs-situation leicht erhöht, in den Varianten 0/3 und 2/2 geringfügig ver-mindert. Der maximale N-Entzug von > 200 kg N ha"1 a"1 wurde fürdie höchstgedüngte Variante bestimmt. Die N-Gehalte in der Ernte-substanz nahmen mit steigenden N-Gaben auch dann noch zu, wennder Ertrags-Depressionsbereich bereits erreicht war (vgl. Tab. VI). DieErträge und N-Entzüge wurden im Versuchsablauf durch verschiedeneFaktoren beeinflußt. Mit der Einführung von Fungiziden, Wachs-tumsregulatoren und verbesserten Sorten stiegen die Weizenerträgevon etwa 50 auf 100dt ha"1 a"1 (Diepenbrock et al, 1999).

Die Abhängigkeit der fruchtfolgebezogenen Deckungsbeiträgevon der N-Düngung geht aus dem Verlauf der Regressionsfunktionen(Abb. 2) hervor; hierbei zeigen sich Analogien zur Ertragsbildung.Stalldunggaben bis zur N-Stufe 2/0 (100 kg N ha"1 a"1) bewirktenpositive ökonomische Effekte, noch höhere Aufwandmengen vermin-derten jedoch die Deckungsbeiträge wieder. Die zum höchstenDeckungsbeitrag führenden N-Gaben lagen etwas niedriger als diezur Ertragsmaximierung erforderlichen N-Mengen.

3.2. Humus- und Nährstoffhaushalt

Die Ct- und Nt-Gehalte wurden im Versuch in hoher zeitlicherAuflösung analysiert. Abbildung 3 zeigt für die Varianten 0/0 und3/3 den Verlauf der N-Akkumulation bzw. N-Abreicherung im

TABELLE IV Gehalte an organischer Bodensubstanz und Enzym-Aktivität(Meßwerte 1996 und 1997)TABLE IV Contents of organic soil matter and enzyme activity (measured values of1996 and 1997)

Variante (N-Stufe: organisch/mineralisch)

Parameter

QChwlQnik

N,Nhwi

ME

mg 100 g-mg 100 g"mg 100 g~

mg 100 g-mg 100 g-

0/0

82821,717,6

71,02,61

0/3

91323,817,4

78,43,33

2/2

126239,622,9

108,74,88

3/0

130946,325,0

112,45,47

3/3

141243,022,4

120,25,84

Katalase Katalasezahl 4,3 5,2 8,5 8,6 8,8ß-Glucosidase μg Sal. g"1 33,6 55,9 59,4 54,9 64,1

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2400

1400

81_j94 106 1 1 ( j

30 60 90

Mineral-N(kgha"1)

Stalldungeinsatz

"α.-m.>·<

0 kg N :50 kg Ν

100 kg Ν150 kg Ν

120 150

y = 1418 + 5,91 Χι + 12,6 x2 - 0,0174 x,2 - 0,0533 x2

2 - 0,026 Xt x2

Β = 0,93* SR = 117,2 χ, = Stallmist-N x2=Mineral-N

ABBILDUNG 2 Deckungsbeiträge im Mittel der Jahre 1992-1996.FIGURE 2 Gross margin across the years 1992-1996.

1967 1998

Variante 0/0: y = 61,3 + 32,69 e "° °331 '

Variante 3/3: y = 130,9 - 34,69 e•°0405 t

r = 0,74* SR = 8,41

r = 0,74* SR = 10,02

ABBILDUNG 3 Entwicklung der Nt-Gehalte der Varianten 0/0 (ohne N) und 3/3(höchste Düngungsstufe), Meßwerte und e-Funktionen.FIGURE 3 Development of the Nt rates in the variants 0/0 (no N) and 3/3 (highestinput level), measured values and e-functions.

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Ap-Horizont. Als günstig erwies sich, daß der Ausgangsgehalt (95 mgNt 100 g""1) bekannt ist. Nach mehr als 30 Versuchsjahren deutet sichdie Einstellung neuer Gleichgewichtszustände an. Diese werden in denBeispielsvarianten theoretisch bei 61 bzw. 131mg Nt 100g"1 (siehe e-Funktionen) erreicht. Beachtenswert ist die Variabilität der Meßwerte,die durch Jahreseinflüsse wie angebaute Fruchtart, Düngung, Witte-rungsverlauf, aber auch durch unvermeidbare Fehler bei derProbenahme, -aufbereitung und -analyse bedingt ist.

Der Vergleich der Nt-Vorräte mit den Startwerten (Abb. 4) zeigt, daßin der geprüften Getreide-Hackfrucht-Rotation die alleinige Anwen-dung von Mineral-N nicht zum Erhalt der Ausgangsvorräte ausreichte.Je nach Mineral-N-Stufe waren hierfür etwa 55 bis 85 kg Stalldung-N ha"1 a.~l notwendig. Aus der Regressionsgleichung geht hervor, daßStalldung-N gegenüber Mineral-N einen etwa 5fach höheren N-Anreicherungseffekt bewirkte. Beachtlich ist der lineare Anstieg derN-Akkumulation bei steigenden N-Gaben, die quadratischen Regres-sionsglieder waren im analysierten Düngungsbereich nicht signifikant.

Ausgangsvorrat: 4275 kg N, ha'1 (95 mg N, 100 g'1 Boden, 1,5 g cm'3 Trockenrohdichte)

y = 3181 + 12,78xi + 2,46 x2 Β = 0,98* SR = 215,2

x, = Stallmist-N x2 = Mineral-N

ABBILDUNG 4 Nt-Vorräte in der Krume (0-30cm) im Mittel der Jahre 1996-1998.FIGURE 4 Nt stock in the topsoil (0-30cm) across the years 1996-1998.

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Auf Parzellen mit hohen Humusgehalten wurde generell auch einehohe biologische Aktivität festgestellt. Die maximale Differenz zwi-schen den Varianten betrug bei den letzten Messungen (1996 und 1997)etwa 0,6% C, bzw. 50 mg Nt 100 g""1 Boden (Tab. IV). Die Mineral-N-Parzellen wiesen selbst bei der höchsten N-Stufe (0/3) gegenüber der0/0-Variante nur geringfügig höhere Humusgehalte und Enzymakti-vitäten auf, die mikrobielle Biomasse unterschied sich nicht signifikant.Gleiche Mengen an Stallmist (3/0) bewirkten einen deutlichen Anstiegbei allen gemessenen C- und N-Fraktionen (Tab. IV).

Im Versuch war eine enge Beziehung zwischen Nt- und Ct-Gehaltennachzuweisen. Die C-Gehalte korrelierten mit zahlreichen veränder-baren Bodeneigenschaften (Tab. V). Die Nmin-Vorräte (Schicht 0 bis90 cm) zu Vegetationsbeginn im zeitigen Frühjahr waren auf gut mitorganischer Substanz versorgten Parzellen deutlich erhöht, offenbaraufgrund einer höheren N-Mineralisierung. Die Korrelationenzwischen Ct-Gehalten, dem Auftreten von Regenwürmern undbodenphysikalischen Parametern waren ebenfalls signifikant.

3.2.1. Stickstoffbilanz

In der Stickstoffbilanz (Tab. VI) sind die N-Salden ausgewählterVarianten unter Beachtung der quantifizierbaren Zu- und Abfuhrenberechnet. Die N-Salden beschreiben die potentiellen N-Verluste. Dieauf den Ap-Horizont bezogenen Boden-N-Vorratsänderungen wurdenin die Bilanz aufgenommen, da die langfristige N-Akkumulation(N-Immobilisation) keinen umweltrelevanten N-Verlust darstellt.Andererseits war die Abnahme der Nt- und Humusgehalte (Netto-

TABELLE V Korrelation zwischen Ct-Gehalten und Bodenparametern (Meßwerte1996 und 1997), Korrelationskoeffizienten r (n = 64, o = 0,05)TABLE V Correlation between C, levels and soil parameters (measured values of 1996and 1997), correlation coefficients r (n = 64, a = 0.05)

c,

c,

C-Gehalte

Chwl

0,93Cmik

0,66

Enzym-Aktivität

ß-Gluco-sidase

0,54

Katalase

0,83

N-Gehalte

N, Nhw,

0,98 0,91

Regenwurmabundanz und

Abundanz BiomasseGesamt

0,37 0,37

Nmi„(0- 90 cm) im Frühjahr

NO3-N

0,72

-biomasse

BiomasseAdulte

0,33

NH4-N

n.s.

Bodenphys

Trocken-rohdichte

-0 ,50

0,68

. Meßwerte

Poren-volumen

0,50

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TABELLE VI Stickstoflbilanz ( 1967 -1998)TABLE VI N balance sheets (1967-1998)

N-Stufe

0/00/32/23/03/3

N-Diingungl

Sl-Nkg ha"' a" 1

00

104,4156,7156,7

MD-Nkg ha~x a"1

0154,7103,1

0154,7

N-Gesamt-

Zufuhr1

kgha~l a~l

48,0202,7255,5204,7359,4

TM-Ertragdt ha~x a"1

70,9115,5122,5104,1122,0

N-Gehalt% in Τ Μ

1,041,471,441,261,63

N-Entzugkg ha~' a~x

74,0169,5176,7131,0199,6

Boden-

N-Vorrat3

kg ha~x <r '

-35,1-24,1

21,426,938,6

N-Saldo*kg ha"' a~'

9,157,357,446,8

121,2

1 Stalldung-N-/Mineral-N-Düngung; im Versuchszeitraum ergaben sich geringfügige Abweichungen der applizierten N-Mengen von den derzeitigen N-Gaben (vgl. Tab. II).2 N-Düngung + N-Zufuhr mit Immissionen und Saatgut in Höhe von 48 kg Ν ha"1 a"1.3 Veränderung der Boden-Nt-Vorräte, Differenz aus den Mittelwerten der Jahre 1996-1998 und dem Ν,-Ausgangsvorrat in Höhe von 4275kg N ha"1.4 N-Saldo = N-Gesamt-Zufuhr-N-Entzug-Boden-N-Vorratsänderung.

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Mineralisation) mit der Freisetzung von löslichem Stickstoff verbun-den, der den gleichen Aufnahme-, Umsatz- und Verlustprozessen wiegedüngter Stickstoff unterliegt. Die theoretischen N-Verluste betrugen<10kg ha- 'a"1 (ungedüngt) bis 120 kg ha^'a"1 (höchstgedüngteVariante). Das N-Verlustpotential lag bei Stallmistanwendung etwasniedriger als bei gleicher N-Zufuhr in Mineralform.

Die regressionsanalytische Auswertung (Abb. 5) zeigt mit steigen-den Mineral-N-Gaben einen überproportionalen Anstieg derN-Verluste. Die kombinierte Anwendung hoher Gaben an Stallmist-und Mineral-N führte zu nicht tolerierbaren N-Salden.

Zur Abschätzung düngungsabhängiger Nitratausträge liegen Meß-und Simulationswerte vor (Tab. VII). Die N-Salden (Tab. VI) werdendurch die in tieferen Bodenschichten gemessenen Nitratvorräte unddurch simulierte Nitratgehalte des Sickerwassers ergänzt. Der Ge-samtvorrat an Nitrat bis 7,50 m Tiefe gibt Hinweise auf die langfristigeNitrat-Verlagerung. Am Standort ist mit einer geringen Verlage-rungsgeschwindigkeit von ca. 5 dm a"1 zu rechnen. Die mit dem ModellCANDY berechnete Sickerwasserbildung betrug im Mittel allerVarianten 114,2 1 m~2 a"1, wobei auch Jahre ohne Sickerwasserspende

y = 9,3 + 0,252 χ, + 0,00189 x2

2 + 0,00103 x, x2

Β = 0,98* SR = 9,3 χι = Stallmist-N x2= Mineral-N

ABBILDUNG 5 N-Verluste im Mittel der Jahre 1967-1998.FIGURE 5 N losses averaging the years 1967-1998.

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DÜNGUNGSSYSTEME

TABELLE VII Meß- und Simulationswerte zum NitrataustragspotentialTABLE VII Measured and simulated values of the nitrate issue potential

229

Parameter

N-Saldo1

Nitrat-Vorrat2

Nitratgehalt3

ME

kg ha"1 a"1

kg ha"1

mgr'

0/0

9,162,9

1,2

Variante

0/3

57,3142,331,5

(N-Stufe: organischjmineralisch)

2/2

57,4144,224,5

3/0

46,8108,021,7

3/3

121,2284,1102,8

1 Bilanzwert, siehe Tabelle VI.2 Messungen 1993 und 1994; Schicht 1-7,5 m (Tiefenbohrungen).3 Mittlerer Nitratgehalt des Sickerwassers im Zeitraum 1988-1998, Simulationswert (berechnet mitdem Modell CANDY).

auftraten. Die Nitratkonzentrationen korrespondieren ebenfalls mitden N-Salden. Die Simulation erfolgte in Tagesschritten, ausgewiesensind die Ergebnisse der letzten 10 Jahre nach dem Einschwingen desModells. Die Parameter in Tabelle VII weisen die geringste Nitrat-verlagerung für die ungedüngten Parzellen, die höchste für die Variante3/3 aus. Die hoch mineralisch gedüngte Variante (0/3) schnitt ungün-stiger als die ausschließlich organisch gedüngte Variante (3/0) ab.

3.3. Energiehaushalt

Die Energiebilanzen (Tab. VIII) wurden auf die letzte Fruchtfolgebezogen. Die Düngungsvarianten hatten gravierenden Einfluß auf denEinsatz fossiler Energie. Neben der energetischen Bewertung der

TABELLE VIII Energieeinsatz und Energieeffizienz im Mittel der Fruchtfolge 1994-1998TABLE VIII Energy input and energy efficiency averaging the crop rotation 1994-1998

Kennzahl

Energie-EinsatzDieselMaschinenSaatgutPSMMineral-NMineral-PKCaStalldung

Energie-GewinnEnergie-IntensitätOutput/Input-Verhältnis

ME

GJha~GJha"GJha"GJha"GJha"GJha"GJha-GJha~

GJha"GJGE

-

a"a"a"a~a~a~a~a"

a"-1

Variante (N-Stufe: organisch/mineralisch)

0/0

11,363,521,661,120,9304,130

105,5276,2

10,14

0/3

17,514,221,811,120,935,304,130

168,2210,6

10,97

2/2

21,094,832,391,120,933,534,134,16

182,9226,0

9,82

3/0

19,644,682,541,120,9304,136,24

165,0260,5

9,05

3/3

25,505,142,641,120,935,304,136,24

180,9270,8

8,15

GD

16,739,1

1,07

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applizierten Dünger wird die düngungsabhängige Veränderung desDieselverbrauchs und des Maschineneinsatzes deutlich. Höhere N-Gaben erforderten zusätzliche Arbeitsgänge für die Düngerausbrin-gung und höhere Transportaufwendungen; höhere Erträge führtenzu erhöhten Energieaufwendungen für Ernte und Transport. DieseZusammenhänge werden mit dem Bilanzierungsansatz erfaßt.

Der Energiegewinn (= Energiebindung im Ernteertrag - Einsatzfossiler Energie) wurde stark von den TM-Erträgen geprägt. Die ausden Erträgen abgeleitete Energiebindung übertraf den Energieeinsatzum etwa eine Zehnerpotenz. Folglich wiesen die Varianten mit denhöchsten TM-Erträgen (2/2 und 3/3) auch die höchsten Energiege-winne auf.

Die niedrigste Energieintensität (= Energieeinsatz je Produktein-heit) wurde im Variantenvergleich (Tab. VIII) hingegen für dieausschließlich mineralisch gedüngte Parzelle (0/3) ermittelt. Hinsicht-lich der Kennzahl Output/Input-Verhältnis ist die Nullparzelle nochgünstig zu beurteilen, weil einem niedrigen Energieeinsatz bisher noch

y = 266.5 - 0.29 χ, - 1.36 x2 + 0.0017 χ,2 + 0.0066 x2

2 + 0.0037 χ, x2

Β = 0.94* SR = 11.3 χ, = Stallmist-N x 2 = Mineral-N

ABBILDUNG 6 Energieintensität (Haupt- und Nebenprodukt) im Mittel der letztenbeiden Fruchtfolgen (1989-1998).FIGURE 6 Energy intensity (main and byproduct) averaging the last two crop rota-tion sequences (1989-1998).

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ein verhältnismäßig hoher Ertrag mit entsprechender Energiebindunggegenüberstand.

Mit Hilfe der Regressionsanalyse sind die Minima der Energieinten-sität ableitbar (Abb. 6). Je nach Stallmist-Stufe waren 62 bis 104 kgN ha"1 a"1 erforderlich, um die energetisch günstigste Situation zuerreichen, dies sind deutlich geringere N-Mengen als zur Ausschöp-fung des Ertragspotentials benötigt werden (siehe Abb. 1).

3.4. Bewertung der Nachhaltigkeit der Düngungssysteme

In den Netzdiagrammen (Abb. 7) wird eine Gesamtbewertung derDüngungsvarianten vorgenommen. Ziel war es, mit möglichst wenigenIndikatoren komplexe Aussagen zu den Ertragsleistungen (TM-Ertrag, N-Entzug), zur Bodenfruchtbarkeit (C-Gehalt, Enzymakti-vität), zu Umweltwirkungen (N-Saldo, Energieintensität) und zurÖkonomie (Deckungsbeitrag) zu treffen. Um eine einheitliche Skalie-rung zu erreichen, sind bei den einzelnen Kriterien jeweils die imVersuch ermittelten Maximalwerte gleich 100% gesetzt worden, sodaß die relative Stellung der Variante sichtbar wird.

Die Variante 0/0 ist als nicht nachhaltig einzustufen. Die Ertrags-leistungen und ökonomischen Ergebnisse sind unbefriedigend.Zudem resultierten die Erträge anteilig aus der begrenzten N-Nachlieferung des Bodens. Die Humusgehalte sind bereits deutlichvermindert. Mit der Annäherung an neue N-Gleichgewichtszuständeist zu erwarten, daß der Ertrag durch den N-Umsatz im Bodenlimitiert wird. Stickstoff ist in diesem System als Minimumfaktor zubetrachten, folglich ist auch das N-Verlustpotential äußerst gering.Der produktbezogene Energieeinsatz ist überhöht, so daß auch dieUmweltbewertung negativ ausfällt.

Die ausschließlich mineralisch gedüngte Variante 0/3 überzeugtdurch hohe Ertragsleistungen und Deckungsbeiträge. Negativ zubeurteilen ist die starke Abnahme der Humusgehalte und derBodenfruchtbarkeit. Hinsichtlich der Umweltwirkungen nimmt dieVariante eine mittlere Stellung ein. Bezieht man die simulierteNitratkonzentration (vgl. Tab. VII) in die Bewertung ein, so kannder N-Saldo als noch tolerierbar eingestuft werden.

Die Stallmist-Variante 3/0 zeichnet sich durch eine langfristigeHumusanreicherung aus. Zahlreiche Bodeneigenschaften wurden

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ABBILDUNG 7 Bewertung ausgewählter Düngungsvarianten.FIGURE 7 Rating of selected fertilizer variants.

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hierdurch positiv beeinflußt. Im Versuchsmittel lagen die TM-Erträgeetwas unter dem Niveau der Mineral-N-Varianten. Allerdings übertrafder Ertragsanstieg der Variante 3/0 den der Variante 0/3, so daßim letzten Versuchsabschnitt nur noch geringe Ertragsdifferenzenzwischen diesen Varianten auftraten (vgl. Tab. III).

Die Variante 2/2 kombiniert höchste ökonomische Leistungen mitgünstigen Bodeneigenschaften bei tolerierbaren Umweltwirkungen.Die Energieintensität ist niedriger als bei alleiniger Stallmistanwen-dung oder unterlassener N-Düngung. Die hohen N-Entzüge vermin-dern die Gefahr von N-Verlusten. Zieht man alle verwendetenNachhaltigkeitskriterien in Betracht, ist dieses Düngungssystem denanderen überlegen.

4. DISKUSSION UND SCHLUßFOLGERUNGEN

Am Beispiel des mehr als 30 Jahre laufenden Düngungs-Kombina-tionsversuchs Seehausen wurde die Nachhaltigkeit von Düngungs-systemen anhand quantifizierbarer Kriterien bewertet. Nachfolgendwerden die Eignung und Relevanz der gewählten Kriterien ebenso wiedie Möglichkeiten einer Gesamtbewertung der Nachhaltigkeit dis-kutiert.

Die am Standort Seehausen langjährig gemessenen Erträge von 12 tTM ha"1 a"1 und N-Entzüge von 200 kg N ha"1 a"1 belegen das hoheErtragspotential der Lößböden. Die Erträge bestimmen wesentlichdie ökonomische Effizienz (Deckungsbeiträge) sowie die Nährstoff-und Energieeffizienz. In der geprüften Hackfrucht-Getreide-Rotationführte kombinierte organisch-mineralische Düngung zu maximalenErträgen und Deckungsbeiträgen. Ertragssteigernde Maßnahmen wieverbesserte Sorten oder die Einführung der Fungizide im Getreidebauwurden auf allen Parzellen wirksam. Sortenumstellungen und derEinsatz neuer Pflanzenschutzmittel wurden auch in anderen Dauer-versuchen wie dem Broadbalk-Field in Rothamsted (Jenkinson, 1977;Johnston, 1994) vorgenommen, um die Übertragbarkeit der Ergeb-nisse auf praktische Verhältnisse zu gewährleisten.

Die N-Entzüge der 0/0-Variante gingen bei fast gleichbleibendenTM-Erträgen auf 75% des Ausgangsniveaus zurück. Auf denO/0-Parzellen sank die N-Nachlieferung von über 50 kg N ha"1 a"1

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in der Initialphase auf derzeit etwa 20 kg N ha"1 a"1 (im Mittel35 kg N ha"1 a"1).

Unter Berücksichtigung der N-Immissionen von 45 kg Nha^'a"1

waren auch die N-Salden der Null-Parzellen positiv (Tab. VI). FürStandorte im Raum Halle-Leipzig ermittelten Russow et al. (1995)vergleichbare N-Depositionen von 46 bis 62 kg N ha"1 a"1.

Eines der wichtigsten Kriterien der Nachhaltigkeit ist die langfristigeVeränderung der Humusgehalte. Die organische Bodensubstanz,zumeist gemessen als Ct-Gehalt, bestimmt wesentlich die Bo-denqualität (Rasmussen et al., 1998). So wie im Seehausener Versuch(Tab. IV und V ) konnten auf zahlreichen Standorten enge Beziehun-gen zur bodenbiologischen Aktivität und zum Stoffumsatz nachge-wiesen werden (Sauerbeck, 1992; Hülsbergen et al., 1996b). DerGesamtkomplex organischer Substanzen im Boden gliedert sich inverschiedene Kompartimente mit unterschiedlicher Umsetzungsge-schwindigkeit und Stabilität (Parton et al., 1987). Die im Versuchermittelten C- und N-Fraktionen korrelieren eng miteinander.

Die Beurteilung der N- Verluste für den Gesamtzeitraum des Versuchswar anhand von Bilanzen und Simulationsrechnungen möglich. Zu ein-zelnen Terminen gemessene Nt- und Nmin-Vorräte im Boden wurden zurModellvalidierung genutzt. In vorangegangenen Untersuchungen(Krönert et al., 1999) wurde für die Bedingungen am Standort See-hausen der Nachweis erbracht, daß das verwendete BodenprozeßmodellCANDY die C-/N-Langzeitdynamik sehr genau beschreibt. Daher istanzunehmen, daß wesentliche Stoffumsatzprozesse ebenso wie dieBodenwasser- und -temperaturdynamik richtig abgebildet werden unddas Modell auch zur Abschätzung der Nitratausträge nutzbar ist.

Zur Beurteilung der Nachhaltigkeit von Düngungssystemen sindenergetische Kennzahlen gut nutzbar (Schroll, 1994). Die Resultatejeglicher Energiebilanz hängen von Wahl der Systemgrenzen ebensoab (Fluck u. Baird, 1980; Jones, 1989) wie von den verwendetenEnergieäquivalenten, die dem Stand der Technik bei der Herstellungvon Betriebsmitteln entsprechen müssen (vgl. Bonny, 1993; Uhlin,1999). Die verwendete Methodik der Energiebilanzierung trägt demRechnung und berücksichtigt die spezifischen Versuchsbedingungen.Wichtig für die Interpretation der Ergebnisse ist der unterschiedlicheAussagewert energetischer Kennzahlen. Die als Indikator herangezo-

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gene Energieintensität eignet sich besonders zur Einschätzungproduktbezogener Umweltwirkungen (Ressourcen- und Energiever-brauch, CO2-Emission) und zur Ableitung ökologisch optimalerDüngungs- und Produktionsintensitäten.

Die Beurteilung der Nachhaltigkeit als komplexe Größe stellt einmethodisches Problem dar (Christen, 1996). Bewertungsergebnissekönnen durch die Aufnahme oder Nichtaufnahme von Indikatoren,die Wahl der Analyse- und Berechnungsmethoden ebenso wie durchdie Festlegung von Zielwerten und die anschließende Verknüpfung derEinzelkriterien beeinflußt werden (vgl. Fürst u. Klemmstedt, 1997).International wird an Modellen gearbeitet, die auf der Grundlage vonIndikatoren komplexe Aussagen zu Umweltwirkungen und zur Nach-haltigkeit der Landwirtschaft gestatten sollen (Girardin et al., 1993;Münchhausen, v. u. Nieberg, 1997; OECD, 1998; Piorr, 1998).

Im vorliegenden Beispiel des Düngungs-KombinationsversuchsSeehausen wurde auf jegliche Verknüpfung oder Wichtung derEinzelkriterien verzichtet, um Informationsverluste zu vermeiden.Als Bezugswert wurde der jeweils höchste im Versuch ermittelte Wertgewählt, unabhängig davon, ob hiermit positive oder negativeWirkungen verbunden waren. Die Wahl der Indikatoren war ingewisser Weise subjektiv geprägt, da sie sich letztlich auch an derDatenverfügbarkeit bzw. der Möglichkeit einer mathematischenBeschreibung orientierte. Bewertungssysteme für eine nachhaltigeLandwirtschaft sind häufig auf die Betriebsebene bezogen (Bockstalleret al, 1997; Diepenbrock, et al, 1999). Heyland (1998) stellt eineMethodik zur Bewertung von Fruchtfolge-Anbausystemen aus so-zioökonomischer, ökologischer und produktionstechnischer Sichtvor, die Ergebnisse langjähriger Versuche einbezieht. Die Einzelpara-meter werden hierbei in Teilkomplexe zusammengefaßt und ineine einheitliche Skalierung überführt. Zur integrierenden Bewertungdienen Bezugswerte; die Darstellung erfolgt mit Hilfe der Netzdia-grammtechnik. Ein Vorteil von Dauerversuchen bei der Beurteilungder Nachhaltigkeit von Nutzungssystemen besteht darin, daß dieBewertung überwiegend auf Meßwerten oder hieraus abgeleitetenSimulations- und Bilanzrechnungen basiert. Nachteilig wirkt sich aus,daß in Versuchen nur vereinfachte Bodennutzungsvarianten und keinevollständigen Betriebssysteme abzubilden sind.

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Die Nachhaltigkeit von Düngungssystemen — Dargestellt am seehausener Düngungs‐Kombinationsversuch