Wirkung der Mineraldüngung auf die C- und N-Gehalte im Boden der Hallenser Dauerdüngungsversuche

Effect of mineral fertilization on C and N contents in soil of long-term fertilization trials in Halle/Saale (Germany)

Der Ewige Roggenbau wurde 1878 von Julius Kühn mit fünf Düngungsvarianten (ohne Wiederholungen) und Roggenmonokultur angelegt. Die in diesen Prüf­varianten eingesetzten Nährstoffmengen können aus Tab. 1 entnommen werden.

Der Feldversuch Feld F zur mineralisch-organischen Düngung wurde 1949 von Karl Schmalfuss mit fünf Abtei­lungen und regelmäßig wechselnden Fruchtarten sowie 4 oder 6 Wiederholungen pro Variante installiert. Von den ehemaligen fünf Abteilungen bestehen noch drei Abteilungen, welche zur Auswertung herangezogen werden.

Im Feld F1 wird der Einsatz der Nährstoffe N, P und K in mineralischer Form in mehreren Kombinationen (F1a) und bei einer Steigerung der Einsatzmengen sowie gleichzeitigem Einsatz von Stallmist (F1b) geprüft. Ab 1980 kommen die in Tab. 2 und 3 aufgeführten Nährstoff- und Stallmistmengen zum Einsatz, welche bis dahin mehrfach gesteigert wurden.

Im Feld F2a wird die Wirkung einer jährlichen Strohdüngung (50 dt/ha) in Kombination mit gestaffelten mine­ralischen N-Düngergaben (ohne Stroh 3 N-Stufen, mit Stroh 4 N-Stufen) geprüft (Tab. 4). Für die Ergebnisdarstellung werden die Messwerte des Jahres 1995 ausgewählt, weil in jenem Jahr für alle drei Abteilungen Probenahmen erfolgt sind und letztmalig per Hand vorgenommen wurden.

Der sogenannte Bodenbildungsversuch wurde im Herbst 1948 auf dem Gelände des ehemaligen Institutes für Pflanzenernährung und Bodenkunde in Halle, Adam-Kuckhoff-Str. 17b von Karl Schmalfuss angelegt und bis 2009 bearbeitet. Dazu wurde in 48 glasierte Tonzylinder von 1 m Länge und 40 cm Innendurchmesser inertes Löss­substrat aus dem C-Horizont vom Standort Etzdorf eingefüllt. In den Gefäßen wurden verschiedene Pflanzen in unregelmäßiger Fruchtfolge angebaut, deren oberirdische Pflanzenteile sowie die Rübenkörper zur Ernte erfasst und abgeführt wurden. Die Düngung erfolgte ausschließlich in mineralischer Form. Der Versuch teilte sich in eine Reihe mit steigender N-Düngung und in eine Reihe mit steigender P-Düngung (Tab. 5). Pro Variante bestanden 6 Wiederholungen. Die Bearbeitungstiefe betrug stets 12 cm.

Die Bodenprobeentnahme zur Untersuchung der C- und N-Gehalte erfolgte in allen Versuchen in unregelmäßigen Abständen jeweils im Sommer nach der Ernte mit einem Rillenbohrer. Die Probenahmetiefe betrug in den Feldversuchen anfangs 20 cm und ab 2001 bei Verwendung einer Probenahmemaschine 30 cm. Im Bodenbildungsversuch wurden die Bodenproben aus 0–10 cm Tiefe bei 2 Einstichen pro Gefäß entnommen und insgesamt 12 Einstiche pro Variante zu einer Mischprobe vereinigt.

In allen Versuchen wurden der C-Gehalt nach der Methode von Tjurin (Nassveraschung mit Chromschwefelsäure, Tjurin, 1951) und der N-Gehalt nach der Kjeldahl-Methode (Säureaufschluss und Destillation, Thun et al., 1955) bestimmt.

Zur Deutung der Beziehungen zwischen der Ertragsbildung und den C- und N-Gehalten im Boden und umgekehrt zwischen den C- und N-Gehalten und der Ertragsbildung wurden in den dafür geeigneten Versuchen die linearen Korrelationskoeffizienten mit dem Programm „Excel“ ermittelt. Mit diesem Programm sind auch die Abbildungen, teilweise einschließlich der Standard­ab­wei­chung der Messwerte und der Trendanalyse, erstellt worden.

Abb. 1. C-Gehalt im Boden des Ewigen Roggenbaus nach Merbach und Deu­bel, 2007 (Variantenbe­zeichnung siehe Tab. 1).

C content in the soil of Eternal Rye after Mer­bach und Deubel, 2007 (variant designation see Tab. 1)

Abb. 2. N-Gehalt im Boden des Ewigen Roggenbaus nach Merbach und Deu­bel, 2007 (Variantenbe­zeichnung siehe Tab. 1).

N content in the soil of Eternal Rye after Mer­bach und Deubel, 2007 (variant designation see Tab. 1)

In Tab. 6 sind die Korrelationskoeffizienten zwischen dem Kornertrag und dem C- und N-Gehalt im Boden in der darauf folgenden Dekade unter Einbeziehung der ungedüngten und mineralisch gedüngten Varianten angegeben. Sie betragen im 90-jährigen Mittel für den C-Gehalt r = 0,86 und für den N-Gehalt r = 0,88 und belegen, dass der Humusgehalt im Boden vom Pflanzenwachstum abhängig ist. In Tab. 7 liegen die Korrelationskoeffizienten zwischen den Boden-C- und -N-Gehalten und dem darauf folgenden Kornertrag vor. Diese fallen im Mittel von 1929 bis 2010 mit r = –0,49 zum C-Gehalt und r = –0,69 zum N-Gehalt negativ aus, was dafür spricht, dass das Pflanzenwachstum nicht vom Humusgehalt des Bodens abhängig ist. Vor allem in den letzten Jahrzehnten ist es trotz Abnahme der Boden-C- und -N-Gehalte zu einem deutlichen Ertragsanstieg gekommen (Tab. 6), wodurch die negativen Beziehungen in diesem Zeitraum noch stärker ausgeprägt sind.

Im Feld F1a führte nach 46 Versuchsjahren nur eine NPK-Volldüngung zur Erhaltung des Boden-C-Gehaltes. Beim N-Gehalt kam es bei allen Prüfvarianten zu einem Abfall gegenüber den Ausgangswerten. Im Vergleich zu „ohne Düngung“ erhöhte auch nur die NPK-Düngung die C- und N-Gehalte (Abb. 3). Beim Verzicht eines der drei Nährstoffe blieb diese Erhöhung aus.

Abb. 3. C-Gehalt (links) und N-Gehalt (rechts) im Boden im Feld F1a mit Standardabweichung (Fehlerbalken) zur Probenahme 1995 (Variantenbezeichnung siehe Tab. 2).

C content (left) and N content (right) in soil in the field F1a with standard deviation (error bars) of sampling in 1995 (variant designation see Tab. 2)

Im Feld F1b kam es ebenfalls generell, auch bei Einsatz von Stallmist, zu einem Absinken der Boden-C- und -N-Gehalte gegenüber den Ausgangswerten. Tendenziell steigerte die Stallmistdüngung, aber auch eine erhöhte Mineraldüngung diese Gehalte (Abb. 4).

Abb. 4. C-Gehalt (links) und N-Gehalt (rechts) im Boden im Feld F1b mit Standardabweichung (Fehlerbalken) zur Probenahme 1995 (Variantenbezeichnung siehe Tab. 3).

C content (left) and N content (right) in soil in the field F1b with standard deviation (error bars) of sampling in 1995 (variant designation see Tab. 3)

Im Feld F2a war mit der steigenden Mineral-N-Düngung sowohl ohne als auch mit gleichzeitiger Strohdüngung tendenziell ein Anstieg der Boden-C- und -N-Gehalte verbunden. Dabei lagen nach 46 Versuchsjahren die C-Gehalte über den Ausgangswerten und die N-Gehalte unter diesen (Abb. 5). Die Strohdüngung erhöhte tendenziell sowohl die C- als auch die N-Gehalte.

Abb. 5. C-Gehalt (links) und N-Gehalt (rechts) im Boden im Feld F2a mit Standardabweichung (Fehlerbalken) zur Probenahme 1995 (Variantenbezeichnung siehe Tab. 4).

C content (left) and N content (right) in soil in the field F2a with standard deviation (error bars) of sampling in 1995 (variant designation see Tab. 4)

Im Bodenbildungsversuch nahmen die Boden-C- und -N-Gehalte bis 2005 stetig zu (Merbach und Deubel, 2007, Abb. 6 und 7). Dabei vergrößerte sich die Differenz zwischen der ungedüngten Variante (N0) und der mit der höchsten N-Stufe (N4). Der C-Gehalt erhöhte sich gegenüber dem Ausgangswert bei der N0-Variante um das 11fache und bei der N4-Variante um das 12fache. Beim N-Gehalt betrug der Anstieg bei N0 das 6fache und bei N4 das 8fache. Die steigende N-Düngung führte in den ersten 25 Versuchsjahren zu einer deutlichen Zunahme der Pflanzenerträge (Röder, 1976). Danach stiegen diese trotz steigender C- und N-Gehalte nicht mehr an (Schilling und Beschow, 1997). Zwischen den bis 1974 ermittelten Trockenmasseerträgen und den sich im Boden eingestellten C- und N-Gehalten besteht eine sehr enge Beziehung (Tab. 8), welche noch deutlicher als beim Ewigen Roggenbau ausfällt. Die N-Düngung hatte auf den Anstieg des Humusgehaltes eine stärkere Wirkung als die P-Düngung (Beschow et al., 2000, Beschow und Merbach, 2004; Merbach und Deubel, 2007).

Abb. 6. Entwicklung des C-Ge­haltes im Boden des Bo­denbildungsversuches nach Merbach und Deu­bel, 2007 (Variantenbe­zeichnung siehe Tab. 5).

Development of the C content in soil of Soil Formation Trial after Merbach und Deubel, 2007 (variant designati­on see Tab. 5)

Abb. 7. Entwicklung des N-Ge­haltes im Boden des Bo­denbildungsversuches nach Merbach und Deu­bel, 2007 (Variantenbe­zeichnung siehe Tab. 5).

Development of the N content in soil of Soil Formation Trial after Merbach und Deubel, 2007 (variant designati­on see Tab. 5)

Die Ergebnisse machen weiterhin deutlich, dass die N-Düngung eine besondere Rolle bei der Ertragssteigerung und somit auch bei der Humusanreicherung spielt. Einerseits wird mineralischer Stickstoff immobilisiert und anderseits kann der Mineral-N den Humusabbau fördern. Nach Scharf (1967) wirkt der Dünger-N, der die zur Erreichung des Ertragsmaximums notwendige N-Menge übersteigt, humuserhaltend. Kerschberger (1994) kommt zu dem Schluss, dass negative N-Bilanzen zum Humusabbau und positive Bilanzen zum Humusaufbau führen. Positive N-Bilanzen sollten jedoch nicht zum Zwecke der Humuserhaltung und -mehrung angestrebt werden, da mit ihnen negative Auswirkungen auf die Umwelt (Atmosphäre, Wasser) verbunden sein können.

In dem Maße, wie der Düngereinsatz das Pflanzenwachstum steigert, werden mit den Pflanzenrückständen erhöhte C- und N-Mengen für die Humusreproduktion zur Verfügung gestellt. Die Mineraldüngung leistet damit einen wesentlichen Beitrag zur Erhaltung und Mehrung des Humusgehaltes und der Bodenfruchtbarkeit. Der Umfang dieses Beitrages hängt erheblich von den angebauten Fruchtarten ab (Klimanek, 1997).

In den ausgewerteten Feldversuchen ist die humuserhöhende Wirkung der Mineraldüngung weniger deutlich erkennbar als im Bodenbildungsversuch, weil in den Feld­experimenten bereits zu Versuchsbeginn ein hoher Humus­gehalt im Boden vorlag. Außerdem beeinträchtigt die generelle Abnahme der C- und N-Gehalte in den letzten Jahrzehnten das Sichtbarwerden dieses Prozesses. Als Hauptursache für den Rückgang der C- und N-Gehalte kommt die fortlaufende Vertiefung der Ackerkrume auf dem Kühnfeld in Betracht (Herbst und Schmidt, 2009; Merbach et al., 2013). Diese Vertiefung setzte Ende der 1960er Jahre mit der Umstellung vom pferdegezogenen auf den traktorgezogenen Pflug ein (von 20 auf 25 cm Krumentiefe) und wurde seit den 1990er Jahren bis zur Gegenwart durch den Einsatz immer stärkerer Traktoren und größerer Pflugschare fortgesetzt. Seit der Jahrtausendwende ist die Pflugtiefe von ca. 30 cm auf jetzige ca. 35 cm vergrößert worden. Das oftmals erkennbare Hochpflügen von „totem“ Boden führte zweifellos zu einer „Verdünnung“ der C- und N-Gehalte in der Ackerkrume. So lag z.B. 1959 bei der NPK-Variante in der Bodenschicht 20–40 cm der C-Gehalt bei nur 55% des Gehaltes in 0–20 cm (Garz, 1979). Im Jahre 2006 waren es in 30–60 cm Tiefe beim C-Gehalt nur 64% und beim N-Gehalt sogar nur 40% der Gehalte in 0–30 cm. Mit der „Verdünnung“ der Gehalte war aber vermutlich keine Veränderung der C- und N-Gesamtmengen im Boden verbunden, da diese Mengen nur auf ein größeres Bodenvolumen verteilt wurden.

Neben der Krumenvertiefung könnte bei der Abnahme der C-und N-Gehalte auch eine verstärkte Mineralisierung von Humusbestandteilen infolge erhöhter Temperaturen in den letzten Jahrzehnten eine Rolle gespielt haben (Merbach et al., 2013). Weiterhin kann von Bedeutung sein, dass es ab den 1970/80er Jahren zu einem Rückgang des Flugstaubeintrages aus dem Hausbrand und dem nahe liegenden starken Zugverkehr gekommen ist, der davor einen bedeutenden Umfang eingenommen hatte (Scharf, 1967, Schmidt und Merbach, 2004). In den letzten Jahrzehnten hat sich auf dem Versuchsfeld in Halle neben dem partikulären C-Eintrag auch der N-Eintrag aus der Luft vermindert (Herbst und Schmidt, 2009, Merbach et al., 2013).

Ungeklärt bleibt, weshalb es – wie bereits in den Untersuchungen von Scharf (1967) Anfang der 1960er auf dem Feld E des Kühnfeldes – teilweise zu einer Erhöhung bzw. Nichtabnahme der C-Gehalte, aber gleichzeitig zu einer Verringerung der N-Gehalte im Boden gekommen ist.

Wie insbesondere der Bodenbildungsversuch erkennen lässt, spielt für die Richtung und das Ausmaß der Veränderungen des Humusgehaltes im Boden dessen Ausgangsniveau eine entscheidende Rolle (Körschens et al., 2002). Bei einem niedrigeren Ausgangsgehalt kommt es eher zu einer Zunahme als bei hohem Ausgangsgehalt und umgekehrt.

Bemerkenswert sind die Ergebnisse des Ewigen Roggenbaus zur Wechselwirkung zwischen dem Pflanzenwachstum und dem Humusgehalt des Bodens. Sie zeigen, dass in diesem Versuch der Pflanzenertrag viel stärker den Humusgehalt bestimmt als umgekehrt der Humusgehalt den Pflanzenertrag. In Untersuchungen von Stumpe et al. (2000) im Feld F3 des Kühnfeldes wurde weiterführend nachgewiesen, dass Unterschiede im Humusgehalt des Bodens nicht zu Ertragsunterschieden geführt haben, wenn ein entsprechender Mineraldünger-N-Ausgleich erfolgt war. Bereits Schmalfuss sah nach 17-jähriger Versuchsdurchführung des Bodenbildungsversuches mit seinen Ergebnissen den Beweis erbracht, dass „die höhere Pflanze den Humus nicht als Nährstoff bedarf, sondern sie sich ausschließlich von Mineralstoffen ernährt“ (Schmalfuss, 1966).

Von den Dauerdüngungsversuchen im Osten Deutschlands ergeben die Versuche in Bad Lauchstädt (Körschens, 1997), Bad Salzungen, Methau und Spröda (Ansorge und Pössneck, 1992; Albert und Pössneck, 1995; Zorn und Schröter, 2015) ähnliche positive Effekte der Mineraldüngung auf die Boden-C- und -N-Gehalte wie in Halle. Die jüngsten Untersuchungen in Methau und Spröda (Grunert und Albert, 2012) konnten jedoch diese Wirkung nicht bestätigen. Auch im N/Stroh-Dauerdüngungsversuch Thyrow wurde kein eindeutig positiver Effekt steigender N-Düngung auf den C-Gehalt des Bodens nachgewiesen (Schweitzer et al., 2015). In Groß Kreutz (Zimmer et al., 2005) lag bei Mineraldüngung ein geringerer C- und N-Gehalt als in der ungedüngten Variante vor. Eine zeitliche Abnahme der C- und N-Gehalte im Boden sowohl bei mineralisch als auch organisch gedüngten Varianten ist wie in den Hallenser Feldversuchen auch im statischen Nährstoffmangelversuch in Thyrow zu verzeichnen (Ellmer und Baumecker, 2005). Diese Abnahme wurde von den Autoren vorrangig auf einen erwärmungsbedingten verstärkten Humusabbau zurückgeführt. Körschens et al. (2014) weisen jedoch in Auswertung zahlreicher Untersuchungen nach, dass es in den letzten Jahrzehnten in Deutschland nicht zu einer klimabedingten Verringerung der Humus­gehalte gekommen ist.

Da Veränderungen des Humusgehaltes nur sehr allmählich von statten gehen, erfordert ihr Nachweis höchste Sorgfalt bei der Bodenprobenahme und Analyse sowie „geeichte“ Analysenverfahren. Die Maschinen, welche für die Entnahme von Bodenproben unter Praxisbedingungen entwickelt worden sind, können oftmals eine gleichbleibende und ausreichende Probenahmegenauigkeit unter Versuchsbedingungen nicht gewährleisten.

Selbst bei der Gewährleistung einer hohen Sorgfalt bei der Probenahme und Analyse der Boden-C- und -N-Gehalte, ist es häufig schwierig, einen statistisch gesicherten Nachweis über Veränderungen zu erbringen. In den vorgenommenen Auswertungen war es nur bei Feld F möglich, eine varianzanalytische Auswertung vorzunehmen. Dabei ist erkennbar, dass die Streuung der Einzelmesswerte beim C-Gehalt generell größer ist als beim N-Gehalt. Die Ursache dafür könnte neben der hohen räumlichen und zeitlichen Variabilität der C-Gehalte (Körschens, 2010) auch in der verwendeten C- Analysemethode liegen.

Zusammenfassend ist zu vermerken, dass die Mineraldüngung den Humusgehalt des Bodens – zumindest auf humusarmen Böden – entgegen zuweilen geäußerter Befürchtungen über vermehrte Ernte- und Wurzelrückstände erhöht.