Technische Universität München

Humusaufbau als Chance im Klimawandel

6. NIEDERSÄCHSISCHES FACHFORUM ÖKOLANDBAU, 28.11.2012, Altwarmbüchen

Prof. Dr. Kurt-Jürgen Hülsbergen, Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme

Humusaufbau als Chance im Klimawandel



Humus als Grundlage g der Bodenfruchtbarkeit Beeinflussung von Bodeneigenschaften und -funktionen



Kohlenstoffspeicherung in Böden und Klimaschutz Möglichkeiten und Grenzen der C-Sequestrierung



Wie ist die derzeitige Humusversorgung unserer Böden?



Wie kann die Humusversorgung verbessert werden?

Humus-, Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte von Böden

Definition des Begriffes „Humus“: „Humus ist die in oder auf dem Boden befindliche abgestorbene organische Substanz, die einem stetigen Ab UmAb-, U und dA Aufbauprozess fb unterworfen t f ist.“ i t“ Bei 58 % C im Humus: 1 % C entspricht 1,72 % Humus, 1%Ce entspricht tsp c t  45 5 t C ha a-1 = 78 8 t Humus u us ha a-1 Bei einem C : N - Verhältnis von 10 : 1 = 4500 kg N ha-1

Grenzwerte der OBS nach Cross Compliance: Ton < 13 %: Humusgehalt > 1 % Ton > 13 %: Humusgehalt > 1,5 %

Beziehungen zwischen Ct- und Nt-Gehalten Düngungsversuch Seehausen (Hülsbergen 2003)

Nt-G Gehalt (mg 100g g-1)

140

120

100

80

60 700

900

1100

1300

1500

Ct-Gehalt (mg 100g-1) y = -0,29 + 0,083 x1

B = 0,98+

sR= 2,3

Beziehungen zwischen Nt- und Nmin-Gehalten Düngungsversuch Seehausen (Hülsbergen 2003)

140

Nminn-Vorratt (kg ha-1)

120 100 80 60 40 20 60

80

100

N t -Gehalt Gehalt (mg/100g)

120

Düngungsversuch Seehausen Korrelationskoeffizienten, n = 64 (Hülsbergen 2003)

Bodenchemische Parameter

Ct

Chwl

Nt

Nhwl

NO3-N N

NH4-N N

Nmin

0,93

0,98

0,91

0,72

n.s.

0,68

Bodenbiologische g Parameter

Ct

Bodenphysikalische p y Parameter

Katalase

Cmik

Regenwürmer

TRD

PV

GrobPoren

0,83

0,66

0,37

- 0,50

0,50

0,68

Ergebnisse des DOK-Versuches (Mäder et al. 2002)

Räumliche Variabilität der Corg-Gehalte auf einem Ackerschlag (Hülsbergen 2003)

Hochwert 57 H 71 ... [m]

1800

1700

1600

1950 mg/100g

1750 mg/100g

1500

1550 mg/100g

1350 mg/100g

1400

9100

9200

9300

Rechtswert 449 ... [m]

9400

Ct (1998)

1700

1600

1950 mg/100g

1750 mg/100g

1500

1700

1600

1500

1550 mg/100g

9100

175 mg/100g

155 mg/100g

1350 mg/100g

1400

Nt (1998)

1800

Hochwe ert 571 ... [m]

Hochwe ert 571 ... [m]

1800

135 mg/100g

115 mg/100g

9200

9300

1400

9400

9100

9200

Rechtswert 449 ... [m]

Hochw wert 571 ... [m]

Hochwe ert 571 ... [m]

150 kg/ha 125 kg/ha

1500

1400

Nmin (1998)

1800

1700

1600

100 kg/ha

1700

1600

150 kg/ha 125 kg/ha

1500

100 kg/ha

75 kg/ha

75 kg/ha

50 kg/ha

50 kg/ha

25 kg/ha

9100

9200

9300

Rechtswert 449 ... [m]

9400

Rechtswert 449 ... [m]

Nmin (1997)

1800

9300

9400

1400

25 kg/ha

9100

9200

9300

Rechtswert 449 ... [m]

9400 Variab_Nmin

Bedeutung und Funktionen des Humus



Ackerbauliche und ökologische Funktionen:

•

Speicher und Transformator von Nährstoffen (N, P, S) wichtiger Pool im N-Kreislauf mit 95 bis 98 % des Boden-N

•

Förderung der bodenbiologischen Aktivität, mikrobieller Umsatz und Besiedlung durch Bodenfauna; phytosanitäre Wirkungen

•

Aufbau eines günstigen Bodengefüges, Aggregatstabilität, Wasserspeicherung, Infiltrationsrate, Durchwurzelbarkeit

•

Senke für CO2, C-Speicherung g Beeinflussung des CO2-Gehaltes der Atmosphäre (Klimarelevanz)

Kohlenstoffspeicherung in Böden und Klimaschutz

Carbon cycle of the organic farming system Scheyern (kg C ha-1 a-1) Küstermann, Kainz & Hülsbergen (2008): Renewable Agric. and Food Systems 23, 38-52.

On-farm carbon fluxes

Inputs

Outputs

feed, straw

market products

1587

yield

animals

2803

33

conservation loss 200

342 conservation loss 200 feed, straw 4081

5295

Plant

127 CO2-enteric ferm.

straw, green manure 327

assimilation

market products

1300

Animal

CH4-enteric ferm. 109 rot loss 781

plant residues 1965

organic manure 1171

CH4-manure manure 3 organic manure 500

seed 34

Soil Δ SOC

CO2-soil loss 204

3293

Carbon cycle of the conventional farming system Scheyern (kg C ha-1 a-1) Küstermann, Kainz & Hülsbergen (2008): Renewable Agric. and Food Systems 23, 38-52.

On-farm carbon fluxes internal farm cycling

Inputs

Inputs

yield yield 3894 3894

assimilation assimilation 7753 7753

Plant Plant

Outputs

Outputs market k t products d t market products 3894 3894

straw, straw, green green manure manure 2764 2764

plant residues 1095 organic Manure 293 manure organic seed 293 101 seed 101

plant residues 1095

Soil Soil Δ Δ SOC SOC

-248 -248

CO2-soil loss CO 4501 2-soil loss 4501

Einflussfaktoren auf den Humusgehalt

Der Humusgehalt ist abhängig von: – – – –

der Bodenart (Feinerdeanteil) dem Relief (Erosion) dem Klima (Temperatur und Niederschlag) dem Pflanzenbestand

–

den Anbaumaßnahmen – der Anbaustruktur und Fruchtfolge – der Düngung – d Bodenbearbeitung der B d b b it

Zwei Faktoren steuern die Humusmenge: –

die Menge und Qualität der zugeführten organischen Substanz

–

di biologische die bi l i h Aktivität Ak i i ä (Mineralisation/Humifizierung) (Mi li i /H ifi i )

Entwicklung von Humusgehalten (nach Johnson et al. 1995)

1

New Manag N gement

1

Disturbance

Soill Organic c Matter

LP/D

Accumulation

1 Steady-state

Simulated (CENTURY model) total SOC for the central U.S. scenario for three levels of yield increases (DONIGIAN et al. 1994)

Simulated (CENTURY model) total SOC for the central U.S. scenario for three levels of yield increases (DONIGIAN et al. 1994)

Einfluss von Klee-Luzerne-Gras auf die Corg-Gehalte Dauerfeldversuch auf sandigem Lehm (Hülsbergen 2003)

1,00

C-Ge ehalt (%))

0,95 0,90 0,85 0 80 0,80 0,75 ,

0

5

10

15

20

25

30

Versuchsjahre Fruchtfolge mit Klee-Luzerne-Gras

Fruchtfolge ohne Klee-Luzerne-Gras

Wurzelbild der Luzerne

Wurzelbild von Luzerne und Kleegras

Einfluss des Luzerneanbaus auf die Corg-Gehalte und -Vorräte Dauerfeldversuch auf sandigem Lehm, 6. Fruchtfolge (30 Jahre)

Bodentiefe B d ti f cm

Ct-Gehalt G h lt mg/100g Boden

Δ CtVorrat

Δ CO2Bindung

FF III

FF V

Differenz

kg/a

kg/a

0 - 20

830

990

+ 160

+ 160

+ 586

20 - 40

640

769

+ 129

+ 138

+ 506

40 - 60

246

404

+ 158

+ 168

+ 616

+ 447

+ 466

+ 1708

0 - 60

TRD: Schicht 0 - 20 cm: 1,5 g cm-3, Schicht 20 - 60 cm: 1,6 g cm-3

Root distribution pattern of species used in a grass-clover mixture Braun M., Schmid H., Grundler T. & Hülsbergen, K.-J. (2010): Plant Biosystems 144, 414-419.

Wurzeln im Unterboden (100 cm Tiefe) an Klüften und in Regenwurmröhren (M. Braun 2008)

Changes of soil organic C content in the Hoosfield Continuous barley experiment (JOHNSTON 1986)

Wirkung von Gülle und Gärresten auf den Boden-C Gefäßversuch mit Weidelgras, nach 5 Düngerapplikationen, Fouda (2011)

Dünger

Inhaltstoffe der organischen Dünger (% in FM)

Boden

TS

Ct (%)

Ct

Nt

NH4-N N

Ungedüngt

1,20a

Mineral-N

1,25ab

Dünngülle 1

6,3

2,5

0,56

0,30

1,41abcde

Dünngülle 7

7,6

2,3

0,51

0,47

1,34abc

Feststoff 1

26,6

10,3

0,58

0,23

1,64fg

Feststoff 7

29,8

8,3

1,08

0,62

1,48cdefg

Substrate: BG1: 98 % Mais, BG 7: 67 % Gülle, 15 % Mais

Umsetzbare Organ. Substanz ökologischer und konv. Flächen Beispiel: Braun, Freising (pfluglose Bodenbearbeitung)

0-10 cm 10-20 cm 20 30 cm 20-30

0

200

400

600

Chwl h l mg/kg

Konventionelle Vergleichsfläche

800

1000

Entwicklung der Norg-Gehalte nach Grünlandumbruch Dauerversuch Lauterbach, Erzgebirge Norg (mg 100 g-1 Boden) 350

320

290

260

230 0

5 0

1

10 2

15 4

20 6

Jahre

GV ha-1

Humusabbau ((Variante mit 0 GV ha-1)): 2.200 kg N ha-1 = 110 kg N ha-1 a-1 22.000 kg C ha-1 = 1.100 kg C ha-1 a-1 = ca. 4000 kg CO2 ha-1 a-1

Potentiale der C-Bindung in Böden zusammengestellt anhand eigener Messungen und der Literatur

Maßnahme

C-Bindung t ha-1 a-1

Umwandlung U dl von Grünland G ü l d in i Ackerland, A k l d Umbruch begrünter Dauerbrache

> - 1,0

Umwandlung von Ackerland in Grünland, Grünland begrünte Dauerbrache

> 1,0

Anbau mehrjähriger Leguminosen/-Gräser Leguminosen/ Gräser

0,6 bis > 1,0

Anbau von Silomais

- 0,4 bis - 0,8

Organische Düngung (Stalldung, Gärreste, Kompost) Reduzierte Bodenbearbeitung (pfluglos, Direktsaat)

> 0,5 0 bis 0,25

Wi ist Wie i t die di derzeitige d iti Humusversorgung H unserer Böden? Ergebnisse der Humusbilanzierung

Abhängigkeit des Corg-Gehaltes von der Bodentextur (Hoyer & Hülsbergen 2007)

3,5

3 y = 0,046 x + 0,37 r2 = 0,80

Corg-Geh halt (%)

25 2,5

2

1,5 y = 0,041 x + 0,36 r2 = 0,77

1

0,5 org

con

0 0

10

20

30

Feinanteil (%)

40

50

60

Klimawirkungen und Nachhaltigkeit von Landbausystemen – Untersuchungen in einem Netzwerk von Pilotbetrieben

Pilotbetrieb, ökologischer Landbau Pil tb t i b k Pilotbetrieb, konventioneller ti ll Landbau L db Versuchsstation

Humus- und C-Bilanz im Pflanzenbau Ökologische Pilotbetriebe (Schmid, Braun & Hülsbergen 2012)

Kennzahl

Marktfruchtbau (n = 12)

Milchvieh (n = 16)

Mittel

min

max

Mittel

min

max

Tierbesatz (GV ha-1)

0

0

0

0,9

0,3

1,6

Luzerne-Kleegras

19

0

35

38

0

80

Humusbedarf (kg C ha-11)

-533 533

-734 734

-355 355

-382 382

-808 808

0

Stroh-/Gründüngung (kg C ha-1)

218

43

317

46

0

201

Stalldung, Gülle (kg C ha-1)

73

0

285

238

0

736

Humussaldo (kg C ha-11)

-9 9

-340 340

216

227

-143 143

925

Humus- und C-Bilanz im Pflanzenbau Konventionelle Pilotbetriebe (Schmid, Braun & Hülsbergen 2012)

Kennzahl

Marktfruchtbau (n = 12)

Milchvieh (n = 16)

Mittel

min

max

Mittel

min

max

Tierbesatz (GV ha-1)

0

0

0

1,6

0,7

3,3

Luzerne-Kleegras

1

0

7

9

0

50

Humusbedarf (kg C ha-11)

-655 655

-934 934

-457 457

-567 567

-933 933

0

Stroh-/Gründüngung (kg C ha-1)

387

179

551

86

0

253

Stalldung, Gülle (kg C ha-1)

19

0

58

381

0

1269

-158 158

-710 710

94

-12 12

-638 638

760

Humussaldo (kg C ha-11)

Beziehung zwischen C-Sequestrierung und THG-Emissionen Pilotbetriebe (Schmid, Braun & Hülsbergen 2012)

THG G-Emission nen [kg CO2 eq GE -1]

60

45

y = 29,0 - 0,036 x R² = 0,81

30

15

0 y = 29,5 - 0,076 x

ökologisch konventionell

-15 -800

-600

R² = 0,90

-400

-200

0

C-Sequestrierung [kg C ha-1 a-1]

200

400

600

Humussalden nach HE- und VDLUFA-Methode n = 227 Betriebe (Ökologischer und Konventioneller Landbau)

y = 201,8 + 0,67 x

r = 69

+

800

VDLU UFA-Meth hode

Hum mussaldo (kg C ha-1 a-1)

1000

600 400 200 0 -200 -400 -400 -300 -200 -100

0

100

200

300

400

Humussaldo (kg C ha-1 a-1) HE-Methode

500

600

Humussalden nach HE- und VDLUFA-Methode n = 227 Betriebe (Ökologischer und Konventioneller Landbau)

y = 201,8 + 0,67 x

r = 69

+

800

VDLU UFA-Meth hode

Hum mussalldo (kg C ha-1 a-1)

1000

600 400 200 0 -200 -400 -400 -300 -200 -100

0

100

200

300

400

Humussaldo (kg C ha-1 a-1) HE-Methode

500

600

Humussalden nach HE- und VDLUFA-Methode n = 227 Betriebe (Ökologischer und Konventioneller Landbau)

y = 201,8 + 0,67 x

r = 69

+

800

VDLU UFA-Meth hode

Hum mussalldo (kg C ha-1 a-1)

1000

600 400 200 0 -200 -400 -400 -300 -200 -100

0

100

200

300

400

Humussaldo (kg C ha-1 a-1) HE-Methode

500

600

Humussalden nach HE- und VDLUFA-Methode n = 227 Betriebe (Ökologischer und Konventioneller Landbau)

VDLUFA-Methode

120

120

100

100

Häufigkeiten

Häufigkeiten

HE-Methode

80 60 40 20 0

80 60 40 20

-600 -400 -200

0

200

400

600

800 1000

0

-600 -400 -200

Humussaldo (kg C ha-1 a-1)

0

200

400

600

Humussaldo (kg C ha-1 a-1)

A

B C

D

E

A

B C

D

E

9%

17% % 44% %

22% %

8%

< 1%

1% 28%

42%

29%

800 1000

Möglichkeiten und Grenzen der C-Sequestrierung

 Begrenzte C-Speicherkapazität der Böden abhängig vom Ausgangsgehalt, zeitlich begrenzt, schwierig nachweisbar

 Realistisch sind C-Akkumulationsraten bis ca. 500 kg g C ha-1 a-1, das entspricht p ca. 1,5 , bis 2,0 , t CO2 ha-1 a-1

 Tendenziell höhere C-Gehalte im ökologischen Landbau + 0,2 % C (≈ 10 t C ha-1), Ursache: Kleegras, Anbaustruktur – Fruchtfolge

 Vorteile des Humusaufbaus Minderung der Treibhausgasemissionen, Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit Wasserinfiltration und -speicherung (Anpassung an Klimaextreme)

Terra Preta – Bodenprofile im Vergleich

t C ha-11

C-Mengen in Terra Preta- und Ferralsol-Böden (Glaser 2011)

Technische Universität München

C-Sequestrierung in Agroforstsystemen

Versuchsanlage in der Forschungsstation Scheyern

Major carbon sinks and sources in a field windbreak Schoeneberger (2008): Agroforest Syst.

C-Akkumulation im Rohboden (in %) einer Alley-CroppingVersuchsfläche nach 9 Jahren (n = 17), Freese 2007

Tiefe (cm)

0 - 10 10 - 30

1997

2005 Baumstreifen Baumstreifen / Feld

0,45

Feld

1,55

1,13

1,04

0,85

1,03

0,99

Verdopplung bis Verdreifachung des C-Gehaltes im Boden

Agroforstsystem Scheyern, Schlag A 20

Agroforstsystem Scheyern, Schlag A 20

Agroforstsystem Scheyern, Schlag A 20

Agroforstsystem Scheyern, Schlag A 20

Wurzelsysteme der untersuchten Baumarten Huber, Schmid & Hülsbergen (2011)

Erle

Robinie

Pappel

Weide

Wurzelsystem der Pappel, Huber (2011)

Wurzelsystem der Erle, Huber (2011)