Abteilung Grünland und Futterbau/Ökologischer Landbau

Stickstoffumsatz

Der Stickstoffumsatz in zur Futtererzeugung genutzten Böden

M. Karrasch, Chr. Wachendorf , F. Taube

Einleitung und Zielsetzung

Auf dem Versuchsbetrieb Karkendamm der Agrar- und Ernährungswissenschaftlichen Fakultät der Universität Kiel wurde 1997 ein interdisziplinäres Forschungsprojekt begonnen, das die Steigerung der Stickstoffausnutzung im Produktionsprozeß der Milcherzeugung zum Ziel hat. Hoftorbilanzen weisen auf spezialisierten Milchvieh/Futterbaubetrieben aufgrund geringer Nährstoffexporte vergleichsweise hohe Nährstoffüberschüsse auf, die für Stickstoff deutlich über 200 kg N/ha/Jahr betragen können. Insbesondere auf den typischen Futterbaustandorten der norddeutschen Sanderflächen entsteht auf diese Weise ein hohes ökologisches Belastungspotential (Wachendorf, 1998).

Im Rahmen dieses Projektes werden vom Institut für Bodenkunde der Universität Hamburg bodenmikrobiologische und bodenchemische Parameter von Böden unter verschiedener Nutzung (Ackerfutterbau und Grünland) und bei unterschiedlichen mineralischen Düngungsintensitäten erfaßt (Abb. 1). Es wird geprüft, welchen Einfluß Nutzung und Düngung auf die Höhe dieser Parameter haben und ob Beziehungen einzelner Parameter untereinander ableitbar sind.

 

Abbildung 1: Bodenuntersuchung in Varianten des N-Projektes Karkendamm

 

 

Grünland zwei Feldwiederholungen, Mais vier Feldwiederholungen Tabelle 1: Eigenschaften der untersuchten Oberböden
 

Tabelle 1:    Eigenschaften der untersuchten Oberböden

Cges (Min-Max) g/kg Nges (Min-Max) g/kg C/N Boden-
art
KAK mmol/kg pH (Min-Max) CaCl2
Mais1 58,8  (42,2-77,4) 2,5  (2,0-3,2) 24 mSfs 192 5,4  (5,1-5,8)
Weide2 29,9  (23,6-35,3) 1,8  (1,5-2,1) 17 St2 72 5,2  (4,8-6,2)
Schnitt2 39,8  (29,7-53,3) 2,2  (1,7-2,6) 18 St2 72 5,0  (4,7-5,2)
Gley-Podsol, Beprobungstiefe 0-30 cm / 2Treposol (tiefenumgebrochener Gley-Podsol), Beprobungstiefe 0-15 cm

 

Material

Die Untersuchungen werden auf einem Standort unter Silomais (Gley-Podsol) und einem Grünlandstandort mit Schnitt- und Weidenutzung (Treposol aus ehemaligem Gley-Podsol) durchgeführt. Beide Standorte sind durch sandige, nährstoffarme Ausgangssubstrate sowie durch stark humose Oberböden gekennzeichnet (Tab. 1). Auf der Fläche des Grünlandversuches wurde 1980 ein Tiefenumbruch vorgenommen. Die hohen Cges-Gehalte der Fläche unter Silomais können auf die ehemals sehr nassen Verhältnisse am Standort zurückgeführt werden.

Methoden

Es werden der Cges-, der Nges-, der heißwasserlösliche C- und N- bei 70°C, der potentiell mineralisierbare C- und N-Gehalt (aerobe Inkubation über 28 Tage bei 25 °C, Cpot und Npot) und der mikrobiell gebundene Stickstoff (CFE-Methode nach Brookes et al., 1985) der Böden über die Vegetationsperioden 1998 und 1999 zu jeweils vier Terminen im Jahr bestimmt. Dargestellt sind die Ergebnisse der Beprobung Mai 1999. Die Werte für Cges und Nges sind Mittelwerte zweier Beprobungstermine in 1998. 

Ergebnisse

Die Parameter des C- und N-Haushaltes unterscheiden sich im Jahresverlauf nur geringfügig. Für die nachfolgenden Betrachtungen wurden daher nur die Werte eines Beprobungstermins (Mai 1999) verwandt. Die Anteile an mikrobiell gebundenem N und an heißwasserlöslichem C und N an den Tabelle 2: Parameter des C- und N-Haushaltes im Verhältnis zu den jeweiligen Gesamtgehalten

 

Tabelle 2: Parameter des C- und N-Haushaltes im Verhältnis zu den jeweiligen Gesamtgehalten

  Nmik3/Nges (Min-Max) C pot4,7 /Cges (Min-Max) Npot5/Nges (Min-Max) Chw6/Cges (Min-Max) Nhw6/Nges (Min-Max)
Mais1 1,2b  (1,0-1,5) 0,6b  (0,6-0,8) 0,5c  (0,4-0,6) 0,5b  (0,5-0,6) 1,3b  (1,1-1,7)
Weide2 2,3a  (1,9-2,8) 1,8a  (1,5-2,2) 1,8a  (1,4-2,3) 1,0a  (0,8-1,2) 2,2a  (1,6-2,6)
Schnitt2 1,9a  (1,4-2,3) 1,3a  (0,9-1,7) 1,1b  (0,9-1,4) 0,6b  (0,4-1,0) 1,2b  (0,8-1,9)
Tabelle 3: Parameter des C- und N-Haushaltes unter Schnitt, Weide und Mais

   

Nmik3 mg Nmik/kg (Min-Max) C pot4 mg CO2-C/h/kg (Min-Max) Npot5 mg NO3-N/d/kg (Min-Max) Chw6 mg Chw/kg (Min-Max) Nhw6 mg Nhw/kg (Min-Max)
Mais1 29,7b  (26,0-38,6) 0,38b  (0,30-0,59) 0,47c  (0,30-0,70) 305,7a (217,9-414,1) 32,9ab  (25,2-45,9)
Weide2 40,4a  (33,5-51,4) 0,54a  (0,46-0,61) 1,13a  (0,92-1,28) 304,2a (265,6-369,5) 38,4a  (32,0-48,0)
Schnitt2 40,8a  (31,2-54,4) 0,52a  (0,45-0,62) 0,86b  (0,63-1,09) 234,5a (172,3-289,1) 26,6b  (20,2-33,7)
1Gley-Podsol, Beprobungstiefe 0-30 cm / 2Treposol (tiefenumgebrochener Gley-Podsol), Beprobungstiefe 0-15 cm / 3berechnet mit KN-Faktor 2.22 nach Jenkinson (1988) /4 bestimmt als O2-Verbrauch, angenommener RQ=1 / 5bestimmt nach aerober Inkubation über 28 Tage bei 25 °C / 6hw = heißwasserlöslich bei 70 °C/7(mg CO2-C h1- g Cges1- )*100

 

Werte mit unterschiedlichen Buchstaben signifikant verschieden mit p < 0,01 nach U-Test nach Mann und Whitney

 

 

Abb. 2: Beziehung des heißwasserlöslichen Kohlenstoffs zum Gesamtkohlenstoff und lineare Regression der Parameter unter Schnitt und Mais *** P < 0,001

 

Cges- und Nges-Gehalten sind im Vergleich zu anderen Böden als niedrig einzustufen (Tab. 2; Sparling et al., 1998; Leinweber et. al.; 1995; Schinner et al., 1996).

 

Die Versuchsparzellen weisen auf beiden Standorten erhebliche bodenbedingte Unterschiede auf. So liegt der Cges-Gehalt auf dem Grünland zwischen 2,4 und 5,3 und auf dem Mais zwischen 4,2 und 7,7 % (Tab. 1). Daher ist das Verhältnis der Parameter zu den Cges- und Nges-Gehalten im Hinblick auf bewirtschaftungsbedingte Unterschiede aussagekräftiger als ein Vergleich der absoluten Gehalte. Dies gilt insbesondere für den Vergleich von Schnitt- und Weideparzellen, da hier große Unterschiede im Cges-Gehalt zwischen den Feldparallelen einer Bewirtschaftungsform auftreten. Die Gehalte an heißwasserlöslichem N liegen unter Beweidung um 44 %, die Gehalte an potentiell mineralisierbarem N und an heißwasserlöslichem C um 30 % höher als unter Schnittnutzung, während die potentielle C-Mineralisation und der in der mikrobiellen Biomasse gebundene N sich unter Beweidung und Schnittnutzung nicht unterscheiden (Tab. 3). Der Anteil der C und N-Fraktionen am Gesamt C-N-Pool ist unter Beweidung höher als unter Schnittnutzung (Tab. 2). Dies wird auf die Zufuhr von Exkrementen bei Weidenutzung zurückgeführt.

 

Hassink (1992) fand bei einem Vergleich von Weide- und Schnittnutzung auf einem sandigen und einem lehmigen Standort eine erhöhte potentielle N-Mineralisation sowie höhere Gehalte an mikrobiell gebundenem N unter Beweidung, während von Bristow et al. (1991) auf einem lehmigen Standort kein Einfluß der Beweidung auf den mikrobiell gebundenen N festgestellt wurde.

 

Bestimmtheitsmaße der linearen Korrelation zwischen Parametern des N- und C-Haushaltes

  Nhw/Nges Nmik/Nges Cpot/Cges Npot/Nges
Chw/Cges 0,824*** 0,600*** 0,638*** 0,693***
Nhw/Nges
0,421*** 0,426*** 0,477***
Nmik/Nges     0,831*** 0,764***
Cpot/Cges       0,858***

*** = P < 0,001, n = 24

 

Tabelle 4: Bestimmtheitsmaße der linearen KorrelationDer Vergleich von reinen Gras- und Kleegrasbeständen und der Vergleich verschiedener Düngungsstufen ergab sowohl bei Schnitt- als auch bei Weidenutzung keine signifikanten Unterschiede (Ergebnisse nicht dargestellt). Dieses Ergebnis befindet sich in Übereinstimmung mit Untersuchungen von Hassink (1992), Hassink (1994) sowie von Bristow et al. (1991), während Elgersma et al. (1997) bei einem Vergleich ungedüngter Gras- mit Kleegrasbeständen auf einem tonigen Standort unter Schnittnutzung bei den Kleegrasvarianten eine höhere potentielle N-Mineralisation als bei reinen Grasbeständen feststellten.

 

Unter Silomais liegen die Verhältnisse von mikrobiell gebundenem N sowie von potentieller C- und N-Mineralisation zu den Cges- und Nges-Gehalten niedriger als unter Grünland, während der Anteil an heißwasserlöslichem C und N am Cges- und Nges–Gehalt sich nicht von denen der Parzellen unter Schnittnutzung unterscheidet (Tab. 2). Unterschiede zwischen den Parzellen unter Silomais und denen unter Grünland sind nicht nur auf Bewirtschaftungseinflüsse zurückzuführen, sondern auch durch Standortunterschiede bedingt.

 

Zwischen den Parametern des C- und N-Haushaltes bestehen signifikante Beziehungen (Tab. 4). Positive lineare Korrelationen werden zwischen allen Parametern ermittelt, wenn diese ins Verhältnis zu den Cges- und Nges-Gehalten gesetzt werden. Unter Schnitt und Mais wird trotz der Standortunterschiede eine signifikante Korrelation zwischen heißwasserlöslichem C und Cges (Abb.2) festgestellt, während die Weideparzellen bei gegebenem Cges deutlich höhere Gehalte an heißwasserlöslichem C aufweisen. Dies wird auf den hohen Eintrag leichtverfügbarer Kohlenstoffverbindungen durch Exkremente während der Beweidung zurückgeführt. 

Zusammenfassung

Die Anteile an mikrobiell gebundenem N und an heißwasserlöslichem C und N an den jeweiligen Gesamtgehalten sind auf dem Standort unter Mais und auf dem Standort unter Grünland relativ niedrig. Dies wird auf die sandigen, nährstoffarmen Ausgangssubstrate beider Standorte zurückgeführt. Die Grünlandparzellen weisen nach drei Jahren unterschiedlicher Bewirtschaftung unter Beweidung eine höhere potentielle C- und N-Mineralisation sowie höhere Gehalte an heißwasserlöslichem C und N auf als unter Schnittnutzung. 

Literatur

  • Bristow, A.W. and S.C. Jarvis (1991): Effects of Grazing and Nitrogen Fertiliser on the Soil Microbial Biomass under Permanent Pasture. J Sci Food Agric 54: 9-21
  • Brookes, P.C, Landmann, A., Pruden, G. and D.S. Jenkinson (1985): Chloroform fumigation and the release of soil nitrogen: A rapid direct extraction method to measure microbial biomass nitrogen in soil. Soil Biol. Biochem. 17: 837-842
  • Elgersma, A. and J. Hassink (1997): Effects auf white clover (Trifolium repens L.) on plant and soil nitrogen and soil organic matter in mixtures with perennial ryegrass (Lolium perenne L.). Plant and Soil 197: 177-186
  • Hassink, J. (1992): Effect of grassland management on N mineralization potential, microbial biomass and N yield in the following year. Netherlands Journal of Agricultural Science 40: 173-185
  • Hassink, J. (1994): Effect of soil texture and grassland management on soil organic C and N and rates of C and N mineralization. Soil Biol. Biochem. Vol 26. No. 9: 1221-1231
  • Jenkinson, D.S. (1988): Determination of microbial biomass carbon and nitrogen in soil. In: Wilson, J.R. (ed): Advances in Nitrogen Cycling in Agricultural Ecosystems. Wallingford, UK: CAB International
  • Leinweber, P.; Schulten, H.-R. and M. Körschens (1995): Hot water extracted organic matter: chemical composition and temporal variations in a long-term field experiment. Biol. Fertil. Soils 20: 17-23
  • Schinner, F. und Sonnleitner, R. (1996): Bodenökologie: Mikrobiologie und Bodenenzymatik, Springer, Berlin.
  • Sparling, G.; Vojvodic-Vukovic, M. and L. A. Schipper (1998): Hot-water-soluble C as a simple measure of labile soil organic matter: the relationship with microbial biomass C. Soil Biol. Biochem. Vol. 30. No. 10: 1469-1472 Wachendorf, M (1998): Stickstoffflüsse im spezialisierten Milchvieh-/Futterbaubetrieb. Bauernblatt Heft 28: 46-47
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