Projekt 03750/01

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

ProjekttrÀger

UniversitĂ€t Hamburg Institut fĂŒr Bodenkunde
Allende-Platz 2
20146 HamburgZielsetzung und Anlass des Vorhabens Kompoststickstoff wird im Boden zum Teil direkt mineralisiert, so dass er den Pflanzen unmittelbar zur VerfĂŒgung 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 StabilitĂ€ten sind bisher nicht bekannt. Seine VerfĂŒgbarkeiten, 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 DĂŒngemittelaufbringungsverordnung 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 mehrjĂ€hrigen Feldversuch auf einer landwirtschaftlich genutzten FlĂ€che wurde mit praxisgerechten Kompostgaben 15N mit dem Biokompost eingebracht. Die VersuchsflĂ€che wurde bodenkundlich charakterisiert und der N-min-Gehalt im Boden und Sickerwasser bestimmt. Parallel dazu wurde in einem mehrjĂ€hrigen GefĂ€ĂŸversuch der Einfluss verschiedener Bodenmaterialien auf die Umwandlungsprozesse des Kompost-N ermittelt. In einem Klimakammerversuch wird die 15N- Aufnahme von Pflanzen in AbhĂ€ngigkeit 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 bezĂŒglich ihrer biologischen Halb-wertszeiten zu charakterisieren. Die AbbaustabilitĂ€t der einzelnen Pools wird in Brutversuchen ermittelt, so dass Aussagen ĂŒber die Anreicherungsmöglichkeiten und die Mobilisierung des Kompoststickstoffs im Boden möglich werden. Durch gezielte DĂŒngung 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 GefĂ€ĂŸversuchen bewirkten Kompostanwendungen höhere Biomasseproduktionen. Im GefĂ€ĂŸversuch konnte eine deutliche SubstratabhĂ€ngigkeit festgestellt werden. Bei den humus- und stickstoffarmen Materialien (Lehm, Bt) wurde bereits bei einmaliger Kompostanwendung ein wesentlicher DĂŒngeeffekt beobachtet. In den nĂ€hrstoffreicheren 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 fĂŒr Meliorationsmaßnahmen ĂŒblich sind, fĂŒhrten demgegenĂŒber nach einmaliger Kompostbeaufschlagung unabhĂ€ngig vom Bodenmaterial zu höheren ErnteertrĂ€gen. Die Pflanzen auf allen Substratvarianten wiesen in der Trockensubstanz einheitlich 0,9 bis 1% Stickstoff auf. Der pflanzenverfĂŒgbar freigesetzte Stickstoff wurde demnach fĂŒr eine höhere Biomasseproduktion genutzt, wobei substratabhĂ€ngig entweder der Stickstoff aus dem Bodenhumus oder dem Kompost zur VerfĂŒgung stand. (Tabelle 1). VerĂ€nderungen der N- Gehalte im Boden bei Kompostanwendung: Die kompostbehandelten Parzellen des Feldversuches enthielten 1995 mehr Stickstoff als die Kontrollparzellen. Ähnliche VerhĂ€ltnisse konnten fĂŒr 1996 nicht festgestellt werden. Hier waren die N- Gesamtgehalte fĂŒr alle Parzellen nahezu gleich. Mit einer DĂŒngung entsprechend 50 kg N/ha war die Kompostmenge offensichtlich zu gering, um signifikante VerĂ€nderungen in dem humusreichen Boden zu bewirken. Analog dazu fĂŒhrte die einmalige Kompostanwendung im GefĂ€ĂŸversuch 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-DĂŒngung 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). VerĂ€nderungen der 15N-Gehalte im Boden: Infolge der Kompostanwendung konnten fĂŒr 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 vollstĂ€ndigen Auswaschung in das Grundwasser zurĂŒckzufĂŒhren. In 15-30 cm Tiefe konnten in dem Boden der Kompostparzellen gegenĂŒber den Kontrollparzellen vor allem 1996 höhere 15N-Gehalte gemessen werden. Im GefĂ€ĂŸversuch wurden in den mit Ackerböden vergleichbaren Substraten (Ah und Klei) zum Ende der Vegetationsperiode höhere 15N-Gehalte festgestellt, da bei der gewĂ€hlten Versuchsanordnung das Versickern von N-haltigem Bodenwasser verhindert wurde. Die Materialien Lehm und Bt mit geringen Ausgangsgehalten an organischer Substanz enthielten naturgemĂ€ĂŸ wesentlich höhere 15N-Gehalte. Der Kompost stellte die hauptsĂ€chliche Stickstoffquelle dar. Die DĂŒngung mit 300 kg N/ha fĂŒhrte in allen vier eingesetzten Bodenmaterialien zu einem deutlichen 15N-Anstieg (Tabelle 3). VerĂ€nderungen der 15N-Gehalte in den Pflanzen und Stickstofftransfer Kompost-Pflanze: Der 15N-Gehalt aller Pflanzen, die auf mit Kompost behandelten Böden wuchsen, lag deutlich ĂŒber dem der Kontrollpflanzen. Unter Feldversuchsbedingungen waren dabei zwischen den Jahren 1995 und 1996 nur geringe Unterschiede feststellbar. Im GefĂ€ĂŸversuch zeigten sich demgegenĂŒber starke Unterschiede, sowohl abhĂ€ngig vom Bodenmaterial als auch von der eingesetzten Kompostmenge. Generell fĂŒhrte 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-zenverfĂŒgbar wird. Im Feldversuch wurde unter Einbeziehung der produzierten Biomasse fĂŒr 1995 ermittelt, dass 5,3 % des aufgebrachten Kompoststickstoffes von den Pflanzen aufgenommen wurde. Der gleiche Wert konnte fĂŒr das Jahr 1996 errechnet werden. In den Varianten der GefĂ€ĂŸversuche wurden mit durchschnittlich 13% wesentlich grĂ¶ĂŸere Werte ermittelt. Das ist offensichtlich darauf zurĂŒckzufĂŒhren, dass der Verlust von mineralischem Stickstoff ĂŒber das Bodensickerwasser verhindert wurde. AuffĂ€llig ist der unterschiedliche N-Entzug durch die Pflanzen mit steigendem Angebot an Kompoststickstoff im GefĂ€ĂŸversuch. Aus dem sehr humusreichen Kleimaterial wurden bei einer Kompostgabe von entsprechend 100 kg N/ha, 12.7 % des 15N entzogen, wĂ€hrend bei einer Gabe von 300 kg/ha nur 10% des Kompoststickstoffs von den Pflanzen aufgenommen wurden. Der Kompoststickstoff wird bei hohen Aufwandmengen offensichtlich ĂŒberproportional im Bodenhumus festgelegt, da der Ernteertrag gegenĂŒber der kleineren Kompostgabe nur geringfĂŒgig 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 abhĂ€ngige 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 fĂŒr die Melioration nĂ€hrstoffarmer 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 ĂŒber 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 ĂŒber das Sickerwasser ausgewaschen werden. Die N-Verluste liegen dabei etwas unterhalb derjenigen, die bei konventionellen Bewirtschaftungsmaßnahmen auftreten. Im GefĂ€ĂŸversuch befanden sich zum Erntezeitpunkt bei DĂŒngung entsprechend 100 kg N/ha durchschnittlich 79 %, bei Aufwandmengen entsprechend 300 kg N/ha 85 % des Kompoststickstoffes im Boden. Große Aufwandmengen fĂŒhren also zu einer höheren Festlegung von Kompoststickstoff im Bodenhumus. Fazit Bei praxisgerechten Aufwandmengen fĂŒr Kompost, wie sie der DĂŒngemittelaufbringungsverordnung entsprechen, wurde unter den gewĂ€hlten Versuchsbedingungen keine signifikante Anreicherung von Kompoststickstoff im Boden festgestellt. Der Komposteinsatz fĂŒhrte offensichtlich zu einer Erhöhung der biologischen BodenaktivitĂ€t, so dass vermehrt einige Humusfraktionen mineralisiert wurden, dafĂŒr 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 AbbaustabilitĂ€t sollen zeigen, wie sich der Stickstoff langfristig im Boden verhĂ€lt. Bei stark erhöhter Kompostgabe wurde auch proportional mehr Stickstoff im Bodenhumus deponiert. Hier ist mit der Entstehung eines Stickstoffpools im Boden zu rechnen. FĂŒr den praktischen Einsatz von Biokompost ist es deshalb interessant, unter welchen Bedingungen gegebenenfalls grĂ¶ĂŸere Stickstoffmengen wieder mineralisiert werden und das Grundwasser belasten können. DafĂŒr muss die Struktur und die StabilitĂ€t des neu gebildeten Bodenhumus im Brutversuch an Bodenproben und -Fraktionen des weitergefĂŒhrten GefĂ€ĂŸversuches untersucht werden.

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