Projekt 03750/01

Verfolgung des Stickstoffumsatzes von Biokompost im Ackerbau mittels des stabilen Isotops 15N

Projektträger

Universität Hamburg Institut für Bodenkunde
Allende-Platz 2
20146 Hamburg
Telefon: 040/428382021

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Kompoststickstoff wird im Boden zum Teil direkt mineralisiert, so dass er den Pflanzen unmittelbar zur Verfügung steht. Er wird aber auch in die Humusdynamik einbezogen und in verschiedene Fraktionen der organischen Bodensubstanz unterschiedlicher Abbauresistenzen transformiert. Dabei kommt es zu bereits von verschiedenen Autoren in Versuchen mit sehr hohen Aufwandmengen festgestellten N-Akkumulationen im Boden. Die Verteilung des Stickstoffs auf einzelne Humusfraktionen und deren Stabilitäten sind bisher nicht bekannt. Seine Verfügbarkeiten, die Nachlieferbarkeit und damit auch die Einsatzmöglichkeit des Kompostes in der Landwirtschaft sind nicht sicher kalkulierbar. Es war deshalb das Ziel, die kurz- und langfristigen Stickstoffwirkung der Kompostgaben im Zusammenhang mit N-Pools im Boden zu ermitteln, so dass insbesondere im Hinblick auf die Düngemittelaufbringungsverordnung eine höhere Anwendungssicherheit gegeben ist.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUmsatz, Festlegung und Mineralisation von 15N- markiertem Biokompost-N sollten in verschiedenen Sub-straten und unterschiedlichen Aufbringungsmengen verfolgt werden. In einem mehrjährigen Feldversuch auf einer landwirtschaftlich genutzten Fläche wurde mit praxisgerechten Kompostgaben 15N mit dem Biokompost eingebracht. Die Versuchsfläche wurde bodenkundlich charakterisiert und der N-min-Gehalt im Boden und Sickerwasser bestimmt. Parallel dazu wurde in einem mehrjährigen Gefäßversuch der Einfluss verschiedener Bodenmaterialien auf die Umwandlungsprozesse des Kompost-N ermittelt. In einem Klimakammerversuch wird die 15N- Aufnahme von Pflanzen in Abhängigkeit von der 15N-Mineralisation im Boden untersucht. Bestimmungen der Biomasseproduktion, N- und 15N-Messungen von Boden-, Pflanzen- und Sickerwasserproben ermöglichen eine Bilanz des Kompoststickstoffs. Über Fraktionierung der Bodenproben und Verfolgen des15N-Verbleibs sollte versucht werden, die N-speichernden Humuspools, die bei Kompostwirtschaft im Boden gebildet werden, zu isolieren und bezüglich ihrer biologischen Halb-wertszeiten zu charakterisieren. Die Abbaustabilität der einzelnen Pools wird in Brutversuchen ermittelt, so dass Aussagen über die Anreicherungsmöglichkeiten und die Mobilisierung des Kompoststickstoffs im Boden möglich werden. Durch gezielte Düngung und geeignete ackerbauliche Maßnahmen kann dann der N-Bedarf der Pflanzen mit der Stickstoffnachlieferung harmonisiert werden.


Ergebnisse und Diskussion

Die im Rahmen dieses Projektes hergestellten Komposte haben einen durchschnittlichen N-Gehalt von 1,2 % des Trockengewichts. Sie entsprechen durchschnittlichen Biokomposten.

Auswirkungen der Kompostanwendung auf die Biomasseproduktion:
Sowohl im Feldversuch (1996 und 1997), als auch in den Gefäßversuchen bewirkten Kompostanwendungen höhere Biomasseproduktionen. Im Gefäßversuch konnte eine deutliche Substratabhängigkeit festgestellt werden. Bei den humus- und stickstoffarmen Materialien (Lehm, Bt) wurde bereits bei einmaliger Kompostanwendung ein wesentlicher Düngeeffekt beobachtet. In den nährstoffreicheren Böden (Klei, Ah) wurde auch bodeneigener Stickstoff in hohem Maß mineralisiert, so dass Kompoststickstoff erst nach der zweiten Anwendung die Biomasseproduktion beeinflusste. Aufwandmengen von 300 kg N/ha, wie sie für Meliorationsmaßnahmen üblich sind, führten demgegenüber nach einmaliger Kompostbeaufschlagung unabhängig vom Bodenmaterial zu höheren Ernteerträgen. Die Pflanzen auf allen Substratvarianten wiesen in der Trockensubstanz einheitlich 0,9 bis 1% Stickstoff auf. Der pflanzenverfügbar freigesetzte Stickstoff wurde demnach für eine höhere Biomasseproduktion genutzt, wobei substratabhängig entweder der Stickstoff aus dem Bodenhumus oder dem Kompost zur Verfügung stand. (Tabelle 1).

Veränderungen der N- Gehalte im Boden bei Kompostanwendung:
Die kompostbehandelten Parzellen des Feldversuches enthielten 1995 mehr Stickstoff als die Kontrollparzellen. Ähnliche Verhältnisse konnten für 1996 nicht festgestellt werden. Hier waren die N- Gesamtgehalte für alle Parzellen nahezu gleich. Mit einer Düngung entsprechend 50 kg N/ha war die Kompostmenge offensichtlich zu gering, um signifikante Veränderungen in dem humusreichen Boden zu bewirken. Analog dazu führte die einmalige Kompostanwendung im Gefäßversuch bei den humusreichen Bodenmaterialien nur zu gering erhöhten Stickstoffgesamtgehalten. N-arme Bodenmaterialien erfuhren durch die gleiche Kompostanwendung eine deutlich messbare Zunahme ihrer Stickstoffgehalte. Bei einer höheren N-Düngung entsprechend 300 kg/ha konnte auch ein proportionaler Anstieg der N-Gesamtgehalte gemessen werden. Mit 0,093, bzw. 0,114 % der Trockensubstanz erreichten dabei die humusarmen Böden Lehm und Bt N-Gehalte, die denen typischer Ackerböden (Variante Ah; 0,113 %) entsprechen, so dass in bezug auf den N-Gehalt die Melioration mit Kompost erfolgreich verlief (Tabelle 2).

Veränderungen der 15N-Gehalte im Boden:
Infolge der Kompostanwendung konnten für die Jahre 1995 und 1996 gestiegene 15N-Gehalte im Boden festgestellt werden. Im Verlauf der Vegetationsperiode nahm dieser Gehalt in beiden Jahren zum Jahresende hin ab. Dies ist neben dem Stickstoffentzug durch die Pflanzen auf eine Verlagerung des mineralisierten Stickstoffs in tiefere Schichten bzw. seiner vollständigen Auswaschung in das Grundwasser zurückzuführen. In 15-30 cm Tiefe konnten in dem Boden der Kompostparzellen gegenüber den Kontrollparzellen vor allem 1996 höhere 15N-Gehalte gemessen werden. Im Gefäßversuch wurden in den mit Ackerböden vergleichbaren Substraten (Ah und Klei) zum Ende der Vegetationsperiode höhere 15N-Gehalte festgestellt, da bei der gewählten Versuchsanordnung das Versickern von N-haltigem Bodenwasser verhindert wurde. Die Materialien Lehm und Bt mit geringen Ausgangsgehalten an organischer Substanz enthielten naturgemäß wesentlich höhere 15N-Gehalte. Der Kompost stellte die hauptsächliche Stickstoffquelle dar. Die Düngung mit 300 kg N/ha führte in allen vier eingesetzten Bodenmaterialien zu einem deutlichen 15N-Anstieg (Tabelle 3).

Veränderungen der 15N-Gehalte in den Pflanzen und Stickstofftransfer Kompost-Pflanze:
Der 15N-Gehalt aller Pflanzen, die auf mit Kompost behandelten Böden wuchsen, lag deutlich über dem der Kontrollpflanzen. Unter Feldversuchsbedingungen waren dabei zwischen den Jahren 1995 und 1996 nur geringe Unterschiede feststellbar. Im Gefäßversuch zeigten sich demgegenüber starke Unterschiede, sowohl abhängig vom Bodenmaterial als auch von der eingesetzten Kompostmenge. Generell führte eine Steigerung der Kompostmenge zu einem entsprechend höheren 15N-Anteil in den Pflanzen. Das heißt, dass mit der Höhe der Kompostgabe proportional mehr Kompoststickstoff mineralisiert und somit pflan-zenverfügbar wird.
Im Feldversuch wurde unter Einbeziehung der produzierten Biomasse für 1995 ermittelt, dass 5,3 % des aufgebrachten Kompoststickstoffes von den Pflanzen aufgenommen wurde. Der gleiche Wert konnte für das Jahr 1996 errechnet werden. In den Varianten der Gefäßversuche wurden mit durchschnittlich 13% wesentlich größere Werte ermittelt. Das ist offensichtlich darauf zurückzuführen, dass der Verlust von mineralischem Stickstoff über das Bodensickerwasser verhindert wurde.
Auffällig ist der unterschiedliche N-Entzug durch die Pflanzen mit steigendem Angebot an Kompoststickstoff im Gefäßversuch. Aus dem sehr humusreichen Kleimaterial wurden bei einer Kompostgabe von entsprechend 100 kg N/ha, 12.7 % des 15N entzogen, während bei einer Gabe von 300 kg/ha nur 10% des Kompoststickstoffs von den Pflanzen aufgenommen wurden. Der Kompoststickstoff wird bei hohen Aufwandmengen offensichtlich überproportional im Bodenhumus festgelegt, da der Ernteertrag gegenüber der kleineren Kompostgabe nur geringfügig erhöht war. Anders war die Kompostwirkung bei dem lehmigen Substrat mit dem geringsten Humusgehalt. Die Pflanzen entzogen dem Boden bei Kompostgaben entsprechend 100 kg N/ha 13,5% N und bei 300 kg N/ha 14,7% Stickstoff. Ähnliche von der Aufwandmenge abhängige Unterschiede in der Nutzung des Kompoststickstoffes bestanden in der Variante Bt (100 kg N/ha: 11,5%; 300 kg N/ha: 13 %). Kompost eignet sich demnach auch in bezug auf den pflanzlichen Stickstoffbedarf für die Melioration nährstoffarmer Böden (Tabellen 4 und 5).

Anreicherung von Kompoststickstoff im Boden:
Im Feldversuch stieg im Jahr 1995 die 15N-Menge infolge der Aufbringung von Kompost auf 8,07 mg/kg Boden an. Im Verlauf der Vegetationsperiode sank dieser Wert wieder auf 5,59 mg/kg Boden ab. In der Vegetationsperiode 1996 wurden unmittelbar nach Kompostaufbringung 9,46 mg 15N/kg Boden ermittelt. Dieser Wert sank im Verlauf der Vegetationsperiode auf 6, 89 mg 15N/kg Boden. Am Ende beider Jahre wurden in den Kontrollparzellen 5,45 mg 15N/kg Boden (1995), bzw. 6,51 mg 15N/kg Boden (1996) gefunden. Daraus geht hervor, dass jeweils am Jahresende 0,14 mg 15N (1995), bzw. 0,36 mg 15N/kg Bo-den (1996) gefunden wurde. Zum Erntezeitpunkt 1995 verblieben 63 %, zum Jahresende 24 % des aufgebrachten Kompoststickstoffes im Boden. 1996 wurden zu diesen Zeitpunkten 89 %, bzw. 41 % des Kompoststickstoffes im Boden wiedergefunden. Demzufolge verblieb nach der zweiten Kompostanwendung mehr Kompost-N im Boden als nach der ersten Anwendung. Die ermittelten Werte wiesen jedoch einen hohen Schwankungsbereich auf, so dass hier keine gesicherten Aussagen über eine langfristige Anreicherung von Kompoststickstoff im Boden getroffen werden können (siehe auch Abb. 1). Weiterhin zeigen diese Werte, dass ca. 60-70 % des aufgebrachten Kompoststickstoffes letztlich über das Sickerwasser ausgewaschen werden. Die N-Verluste liegen dabei etwas unterhalb derjenigen, die bei konventionellen Bewirtschaftungsmaßnahmen auftreten. Im Gefäßversuch befanden sich zum Erntezeitpunkt bei Düngung entsprechend 100 kg N/ha durchschnittlich 79 %, bei Aufwandmengen entsprechend 300 kg N/ha 85 % des Kompoststickstoffes im Boden. Große Aufwandmengen führen also zu einer höheren Festlegung von Kompoststickstoff im Bodenhumus.


Fazit

Bei praxisgerechten Aufwandmengen für Kompost, wie sie der Düngemittelaufbringungsverordnung entsprechen, wurde unter den gewählten Versuchsbedingungen keine signifikante Anreicherung von Kompoststickstoff im Boden festgestellt. Der Komposteinsatz führte offensichtlich zu einer Erhöhung der biologischen Bodenaktivität, so dass vermehrt einige Humusfraktionen mineralisiert wurden, dafür wurde ein Teil des Kompoststickstoffs in den Bodenhumus eingebaut. Das Umsatzgleichgewicht der organischen Substanz im Boden wurde verschoben. Der Zeitraum bis zur Einstellung eines neuen Gleichgewichtes soll ermittelt werden. Untersuchungen der einzelnen Humusfraktionen auf Abbaustabilität sollen zeigen, wie sich der Stickstoff langfristig im Boden verhält.
Bei stark erhöhter Kompostgabe wurde auch proportional mehr Stickstoff im Bodenhumus deponiert. Hier ist mit der Entstehung eines Stickstoffpools im Boden zu rechnen. Für den praktischen Einsatz von Biokompost ist es deshalb interessant, unter welchen Bedingungen gegebenenfalls größere Stickstoffmengen wieder mineralisiert werden und das Grundwasser belasten können. Dafür muss die Struktur und die Stabilität des neu gebildeten Bodenhumus im Brutversuch an Bodenproben und -Fraktionen des weitergeführten Gefäßversuches untersucht werden.