Analysen zum Einfluss der Fruchtfolge und des Zwischenfruchtanbaus mit und ohne Leguminosen auf den Nitrataustrag unter sandigem Lehm anhand Daten der Lysimeterstation Falkenberg (Altmark)

Universität Rostock in Kooperation mit dem Helmholtz-UFZ und der LLFG Sachsen-Anhalt

Masterarbeit , 2011 , 96 Seiten , Note: gut

Geowissenschaften / Geographie - Geologie, Mineralogie, Bodenkunde

2009 wurde ein Lysimeterversuch zur N-Effizienz durch die Helmholtz-Lysimeterstation Falkenberg des UFZ in Kooperation mit der LLFG ST und der Universität Rostock initiiert. Anhand erster Ergebnisse dieses neuen Versuches mit zwei Maisfruchtfolgen bei nichtwendender und wendender Bodenbearbeitung nach abgefrorenen und vor dem Winter umgebrochenen Lupine-Zwischenfruchtvarianten wurden Nitrat-Austräge unter sandigem Lehm (sl) bei in der Altmark vorherrschenden Klimabedingungen ausgewertet. Untersucht wurden die Gehalte an Nitrat, Ammonium und Nitrit, wovon Stickstoff (N) nur in Nitratform in wesentlichen Mengen auftrat.

Als Vergleichsvarianten dienten eine neu angelegte Schwarzbrache, angesätes mehrjähriges Luzernegras und eine Fruchtfolge Winterroggen vor Winterraps. Wegen der erst kurzen Versuchslaufzeit wurden parallel ausgewählte Lysimeterdaten zu Fruchtfolgegliedern aus den langjährigen Teilversuchen „Ökologischer Landbau“ (Fruchtfolge mit Leguminosen) und „Integrierter Pflanzenbau“ (Fruchtfolge ohne Leguminosen) analysiert und die ersten Ergebnissen einordnend damit verglichen. Zudem wurde ein Vergleich mit den Daten des Jahres vor Versuchsbeginn für die verwendeten nichtwägbaren Lysimeter angestellt.

Als Zwischenfrucht vor Silomais erzielten die Reinbestände mit den Körnerleguminosen Lupinus angustifolius positive Effekte hinsichtlich einer Senkung der Nitrat-Auswaschungsverluste unter sl bei sich wandelnden Klimabedingungen in der Altmark. Unter den Maisvarianten betrug die Nitrat-Perkolation in den ersten sieben Monaten des zweiten Lysimeterjahres 2010/11 weniger als 35 kg ha-1. Damit waren die Lupine-Mais-Winterroggen-Fruchtfolgen im Sinne der EU-WRRL bisher erheblich grundwasserschonender als die Schwarzbrache und auch als die Winterroggen-Winterraps-Fruchtfolge. Unter der Schwarzbrache lagen die vertikalen N-Verluste mit 296 kg ha-1 in 19 Monaten, davon 158 kg ha-1 allein im November 2010, über den vier anderen Varianten. Das Luzernegras verhielt sich in etwa wie das Kleegras des Öko-Langzeitversuches und wies im neuen Versuch die geringste N-Auswaschung auf, wobei die Luzernegrasschnitte bessere Erträge einbrachten als das Kleegras im Mittel der fünfzehn Jahre 1993/94 bis 2007/08. Bei den Langzeitfruchtfolgegliedern traten die höchsten N-Frachten mit durchschnittlich 47 kg ha-1 a-1 unter der ökologisch angebauten Grobleguminose Körnererbse in Hauptfruchtstellung auf.

Inhaltsverzeichnis

1 Problem- und Zielstellungen
1.1 Stickstoffauswaschung aus Agrarökosystemen und Umweltwirkungen
1.1.1 Die Stickstofffixierung durch Leguminosen
1.1.2 Pflanzenbaulicher Grundwasserschutz in der Altmark nach EU-WRRL und Gewässerschutzkonzept Sachsen-Anhalt sowie anderen Regelungen
1.2 Problembeschreibung und Zielsetzungen
1.3 Forschungsstand und bisherige Versuchsergebnisse
1.4 Versuchsfragen

2 Material und Methodik
2.1 Lysimeterstation des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung in Falkenberg (Altmark)
2.1.1 Lysimeteraufbau
2.1.2 Charakterisierung der Bodenart sandiger Lehm in den ausgewählten Lysimetern
2.1.3 Erhebung untersuchungsrelevanter Lysimeterdaten
2.2 Auswahl von Lysimeterversuchsdaten
2.2.1 Versuch „Nährstoffeffizienz in Maisfruchtfolgen mit und ohne Zwischen- fruchtanbau im Vergleich zu mehrjährigem Luzernegrasanbau“ seit 2009
2.2.2 Fruchtfolgeglieder aus Teilversuchen „Ökologischer Landbau“ und „Integrierter Pflanzenbau“ von 1993/94 bis 2007/08
2.3 Erhebung standortspezifischer Klimadaten

3 Ergebnisse und Analysen
3.1 Wasserhaushalt
3.1.1 Klima und Witterung im Untersuchungsgebiet der Altmark
3.1.2 Erste Ergebnisse zu Wasserhaushaltsgrößen des Versuches seit 2009
3.1.3 Auswertung von Wasserhaushaltsgrößen bei Fruchtfolgegliedern aus Teil- versuchen von 1993/94 bis 2007/08
3.1.4 Vergleichende Betrachtung zu Wasserhaushaltsgrößen des neu angefang- enen Lysimeterversuches und der Langzeittestdaten sowie Zwischenfazit
3.2 Nitratausträge: Nitrat-Konzentrationen und Stickstoff-Frachten im Sickerwasser
3.2.1 Erste Ergebnisse zu Stickstoff-Verlusten mit dem unterirdischen Abfluss des Versuches seit 2009
3.2.2 Auswertung von Stickstoff-Frachten unter Fruchtfolgegliedern aus Teilversuchen von 1993/94 bis 2007/08 50
3.2.3 Vergleichende Betrachtung der Nitrat- und Reinstickstoffausträge unter Varianten des neuen Versuches und der Langzeitversuche sowie Zwischenfazit 51
3.3 Stickstoffbilanz: Pflanzenentzüge und Erträge 55
3.3.1 Erste Ertragsergebnisse aus dem Versuch seit 2009 55
3.3.2 Stickstoffeffizienz der Fruchtfolgeglieder aus Teilversuchen von 1993/94 bis 2007/08 56
3.3.3 Vergleichende Betrachtung des neuen Versuches und der Langzeitergebnisse zur Stickstoffeffizienz mit Zwischenfazit 60

4 Zusammenfassende Diskussion sowie Schlussfolgerungen und Empfehlungen 64
4.1 Zusammenfassende Diskussion 64
4.2 Schlussfolgerungen und Empfehlungen 67

Literaturverzeichnis

Anhang
A Abb. A-1: Gebietskulisse der RL Freiwillige Gewässerschutzleistungen ST (idF v. 02.12. 2009)
Abb. A-2: Chemischer Zustand der Grundwasserkörper im Koordinierungs- raum Mittlere Elbe aus dem Gewässerrahmenkonzept für das Land Sachsen-Anhalt (REFERAT WASSER, LVwA ST, 2008)
B Berechnung der Stofffrachten an Nitrat und Reinstickstoff und der mittleren Nitratkonzentration in der Sickerwassermenge (nach MEIßNER, R.; o. J.)
C Lysimeterdaten

Danksagung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Nmin-Richtwerte der LLFG ST nach Ergebnissen der Nmin-Praxisproben in den Frühjahren 2008, 2009 und 2010

Tab. 2: Bodenparameter der ausgewählten Lysimeter (NWLYS) der Station Falkenberg (Altmark)

Tab. 3: Versuchsanbauplan „Nährstoffeffizienz in Maisfruchtfolgen mit und ohne Zwischenfruchtanbau im Vergleich zu mehrjährigem Luzernegrasanbau“ 2009/10/11

Tab. 4: Bewirtschaftung der Lysimeter des Versuchs „Nährstoffeffizienz in Maisfruchtfolgen“

Tab. 5: Bewirtschaftung der ausgewählten Fruchtfolgeglieder der Teilversuche „Ökologischer Landbau“ und „Integrierter Pflanzenbau“ sowie Dauer- brache

Tab. 6: Vergleich des langjährigen Mittels 1993 bis 2010 mit der Referenzperiode 1961 bis 1990 in der Altmark

Tab. 7: Niederschlag, Temperatur und Grasreferenzverdunstung in den Lysimeterjahren 1993/94 bis 2009/10 am Standort der Lysimeter- und Klimastation Falkenberg (Altmark)

Tab. 8: Mit Lysimeter festgestellte Sickerwassermengen unter den neuen Varianten und abgeleitete tatsächliche Evapotranspirationen zu Versuchsbeginn Tab. 9: Mittels Lysimeter gemessene Sickerwassermengen unter Fruchtfolgeglie- dern und abgeleitete tatsächliche Evapotranspiration 1993/94 bis 2007/08

Tab. 10: Anteile der Sickerwassermengen und der tatsächlichen Evapotranspiration am Niederschlag

Tab. 11: Kenngrößen der NO₃-N-Austräge der Varianten 2009/10 des neuen Lysimeterversuches im Vergleich zu Vorjahr und Langzeitlysimeterdaten

Verzeichnis der Abbildungen

Abb. 1: Der landwirtschaftliche N-Kreislauf in Anlehnung an S. L. JANSSON

Abb. 2: Helmholtz-Lysimeteranlage mit Klimastation in Falkenberg (Altmark)

Abb. 3: Aufbauplan der ausgewählten nicht wägbaren Lysimeter

Abb. 4a, b, c: Unterirdisch begehbare Sickerwasserauffanganlage des UFZ in Falken- berg (Altmark)

Abb. 5a-f: Stadien der Varianten 2,3 und 4

Abb. 6: Klimadiagramm 1993 bis 2010 für Falkenberg (Altmark)

Abb. 7: Klimadiagramm 1961 bis 1990 für Seehausen (Altmark) nach WALTER

Abb. 8: Jährliche Niederschläge und jährliche Temperaturen der Kalenderjahre 1993 bis 2010

Abb. 9: Monatliche Niederschlags- und Temperaturmittel sowie monatliches Grasreferenzverdunstungsmittel 1995/96 bis 2009/10

Abb. 10: Klimatische Wasserbilanz aus der Differenz von korrigierten Jahresniederschlägen und Jahresgrasreferenzverdunstung 1995/96 bis 2009/10

Abb. 11a: Tatsächliche Evapotranspiration der neu angelegten Varianten und Nie- derschlagssummen in den Monaten des Lysimeterjahres 2009/10

Abb. 11b: Tatsächliche Evapotranspiration der Varianten und Niederschlagssummen von Mai bis November im angebrochenen Lysimeterjahr 2010/11

Abb. 12: Vergleich der Sickerwassermengen vor und zu Versuchsbeginn in den Lysimeterjahren 2008/09 und 2009/10

Abb. 13a: Vergleich der monatliche Niederschlagsverteilung 2008/09 und 2009/10

Abb. 13b: Vergleich der monatlichen Temperaturen 2008/09 und 2009/10

Abb. 14: Monatliche Sickerwasserraten unter den Varianten 1 bis 5 in den Lysimeterjahren 2008/09 und 2009/10

Abb. 15: Vergleich der tatsächlichen Evapotranspiration vor und zu Versuchsbeginn 2008/09 und 2009/10

Abb. 16: Verteilung der jährlichen Sickerwassermengen der Fruchtfolgeglieder in den Lysimeterjahren 1993/94 bis 2007/08

Abb. 17: Verteilung der jährlichen Sickerwassermengen je Fruchtfolgeglied und der Jahresniederschlagsmengen über den Zeitraum 1993/94 bis 2007/08

Abb. 18: Jährliche tatsächliche Evapotranspiration der Fruchtfolgeglieder 1993/94 bis 2007/08

Abb. 19: Entwicklung der Sickerwassermengen und tatsächlichen Evapotranspiration unter den Varianten von Mai bis November des zweiten Lysimeterjahres 2010/11

Abb. 20a: Ausgewaschene Nitrat-Frachten und Anteile Reinstickstoff (NO₃ -N) im ersten Lysimeterversuchsjahr 2009/2010

Abb. 20b: Ausgewaschene Nitrat-Frachten und Anteile Reinstickstoff (NO₃ -N) von Mai bis November des zweiten Lysimeterversuchsjahres 2010/11 Abb. 21: Vergleich der Nitrat-Stickstoff-Frachten vor und zu Versuchsbeginn in den Lysimeterjahren 2008/09 und 2009/10

Abb. 22: Monatliche Stickstoff-Frachten unter den Varianten 1 bis 5 im Vergleich zwischen den Lysimeterjahren 2008/09 und 2009/10

Abb. 23: Jährliche Stickstoff-Frachten unter Fruchtfolgegliedern über einen Untersuchungszeitraum von 15 Lysimeterjahren

Abb. 24: Erste Erträge der Varianten 2 bis 5 im Herbst 2010

Abb. 25: Mittlerer N-Entzug der Fruchtfolgeglieder und mittlere ausgewaschene N-Frachten aus der 15jährigen Untersuchungszeit 1993/94 bis 2007/08

Abb. 26: Mittlere Trockensubstanz-Erträge der Fruchtfolgeglieder anhand 15jähriger Langzeitversuchsergebnisse

Kapitel 1 Problem- und Zielstellungen

1.1 Stickstoffauswaschung aus Agrarökosystemen und Umweltwirkungen

Das Makronährelement Stickstoff (N) in der Pedosphäre ist für die Kulturpflanzenpro- duktion essentiell und ertragsbestimmend (LEINWEBER, P. et. al.; 2007 und SCHEF- FER, F.; SCHACHTSCHABEL, P. et. al.; 2002). Den landwirtschaftlichen N-Kreislauf zeigt Abb. 1. Zwischen einem bis zu zehn Gewichtsprozent der Pflanzen kann N aus- machen. N ist dabei Bestandteil von Proteinen, Aminosäuren, Ribonukleinsäuren, Des- oxyribonukleinsäuren und anderen organischen Verbindungen. (SCHLUNGBAUM, G.; 2005). Die Pflanzenwurzeln können N ausschließlich - bis auf wenige Ausnahmen - in anorganischer Form von Ammonium (NH4+), das bei der Ammonifikation entsteht, und von Nitrat (NO₃ ), das durch Nitrifikation gebildet wird, aufnehmen (LEINWEBER, P. et. al.; 2007 und SCHLUNGBAUM, G.; 2005).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Schema des landwirtschaftlichen -Kreislaufes (in Anlehnung an S. L.

JANSSON, In: SCHEFFER, F.; SCHACHTSCHABEL, P. et. al.; 2002)

Neben dem N-Bedarf der aktuell angebauten Kultur fließen der mineralisch gebundene, pflanzenverfügbare Stickstoff (Nmin) im Wurzelraum, die Nmin-Nachlieferung aus der organischen Substanz des Bodens (OBS, Humus), darunter insbesondere die Nmin-Lie- ferung aus Rückständen der Vorfrucht einschließlich der gegebenenfalls erfolgten orga- nischen (Herbst-)Düngung in die N-Bilanzen zur Düngebedarfsermittlung und Ablei- tung der N-Düngeempfehlungen ein (VON WULFFEN, LLFG ST et. al.; 2008 und LEIN- WEBER, P. et. al.; 2007). Folgt der Ernte keine unmittelbare Neuansaat, kann dem vege- tationslosen Boden kein NO₃ mehr zur Biomasseakkumulation entzogen werden

(LEINWEBER, P. et. al.; 2007). Dann können die NO₃ -Anionen bei entsprechendem Bodenwasserhaushalt vermehrt der Auswaschung aus dem Wurzelraum in das Grundwasser (GW) ausgesetzt sein, während die NH4+-Kationen i. d. R. nicht angereichert werden, weil die mikrobielle Umwandlung in leicht lösliches NO₃ im temperierten Klimabereich in Böden unter aeroben Verhältnissen schneller verläuft als NH4+ ausgewaschen wird. (SCHEFFER, F.; SCHACHTSCHABEL, P. et. al.; 2002).

Neben ihrer humantoxikologischen Relevanz beim Trinkwasser führen diffuse NO₃ - Einträge aus Ackerböden in GW und über diesen Pfad weiter in Oberflächengewässer zur Eutrophierung aquatischer Ökosysteme und Landschaften in den Einzugsgebieten dieser Gewässer. Bei der Eutrophierung kommt es zu Algenmassenblühen, Wasserver- lusten, Verlandungsprozessen und zur Artenverarmung durch Verdrängung der auf nährstoffarme Bedingungen spezialisierten Flora und Fauna. Für den Acker- und Pflan- zenbau bedeutet bei der Perkolation ausgespültes NO₃ das Herabsetzen der N-Effizienz des Bodennutzungssystems mit seiner Fruchtfolge. (LEINWEBER, P. et. al.; 2007 und SCHLUNGBAUM, G.; SELIG, U.; 2008) Während der Trinkwassergrenzwert für NO₃ bei 50 mg l-¹ in der TrinkwV (idF v. 21.05. 2001) gesetzlich festgelegt wurde, setzt der wissenschaftliche Eutrophierungsgrenzwert bei der Wechselwirkung zwischen N und Phosphor (P) an: Das Phytoplankton und andere Wasserpflanzen produzieren bei Vor- liegen der N- und P-Verbindungen im Verhältnis 16:1 verstärkt Biomasse (ZENTRUM FÜR ALLGEMEINE WISSENSCHAFTLICHE WEITERBILDUNG DER UNIVERSITÄT ULM, 2010). Die N-Konzentrationen sind in den Gewässern häufig sehr viel höher als sie von diesen Algen gebraucht werden. In diesen Fällen wirken die P-Konzentrationen limitierend auf die Eutrophierungen. Bei sehr hohen P-Konzentrationen kann N das eu- trophierende Pflanzenwachstum limitieren. (SCHLUNGBAUM, G.; SELIG, U.; 2008). Darum gilt es, anthropogene N- und P-Einträge in Gewässer zu vermeiden.

1.1.1 Die Stickstofffixierung durch Leguminosen

Leguminosen (Leguminosae, Fabales, Hülsenfrüchtige) sind eine zu den Rosidae gehö- rende Ordnung höherer Pflanzen. Die Wurzeln der Leguminosen aus der Familie der Fabaceae leben in Symbiose mit Rhizobium-Bakterienarten, sogenannten Knöllchen- bakterien, die unter Ausbildung charakteristischer Wucherungen bzw. Knöllchen an den Wurzeln molekularen Stickstoff (N₂) biologisch binden. Der Familie der Fabaceae (Pa- pilionaceae, Schmetterlingsblütler) werden viele Gattungen wichtiger Futter- und Ei- weißpflanzen wie Klee, Luzerne, Erbse, Bohne und Lupine zugeordnet. (SCHÜTT, P. et. al.; 2007 und LERCH, G.; 1991). Die Wurzelknöllchen entstehen nicht obligatorisch mit der Leguminosenentwicklung, sondern werden stets durch bakterielle Neuinfektion in- duziert. Zwischen gebildeten Knöllchen und Wurzelgewebe der Wirtspflanzen findet nach der Infektionsphase ein reger Stoffaustausch statt. Das Enzym Nitrogenase, mit dessen Hilfe Luftstickstoff gebunden werden kann, wird synthetisiert. Unter echten Symbioseverhältnissen beziehen Bakteroide Wasser, Mineralstoffe und Kohlenhydrate von der Wirtsleguminose und liefern dafür organische N-Verbindungen in Form von Aminosäuren und ihrer Derivate u. a. an die Wurzelzellen. Die Leistung der symbioti- schen N₂-Fixierungssysteme wird beeinflusst durch Wechselwirkungen zwischen:

- Bodentemperatur im Wurzelbereich und darum Aussaattermin (Optimum für Legumi- nosen des gemäßigten Klimas: 20 bis 24 °C, Minimum: 7 °C, Erhöhte Temperaturen beschleunigen die Alterung der Knöllchen. Winterleguminosen müssen rechtzeitig im Herbst ausgesät werden, damit bei noch milden Bodentemperaturen ausreichend Knöllchen gebildet werden können.)
- Bodenfeuchtigkeit (Wassermangel hemmt die Beweglichkeit der Rhizobien und den Gasaustausch im Boden, wodurch weniger Wurzeln langsamer infiziert werden oder die Nitrogenase-Aktivität sinkt. Überflutungen unterdrücken mangels Bodendurchlüftung und Sauerstoff (O2) -Versorgung der Wurzeln die Knöllchenbildung und N₂- Fixierung.)
- pH-Wert des Bodens (Bodenversauerung bei pH < 4,5 hemmt die symbiotische Bindung von N₂ aus der Luft. Das Optimum liegt zwischen schwach saurer bis schwach alkalischer Reaktion.)
- CO₂-Angebot, auch über organische Düngung (Durch gesteigerte Photosynthese wird die Symbiose zwischen Rhizobien und Leguminosen gefördert.)
- mineralischer N-Düngung (Mineralische N-Dünger haben mit Ausnahme bei starkem N-Mangel im Boden hemmende Wirkung. Insbesondere NO₃ verzögert und unter- drückt die Infektion der Wurzeln mit Rhizobien, die Knöllchenbildung sowie N₂-Fixierung. Zu hohe Nmin-Gaben zerstören Feinstrukturen der Knöllchengewebe und zerset- zen Bakteroide. Die Wirtsleguminosen bevorzugen zudem den leichter zugänglichen Nmin, anstatt den Umweg über Bakteroidensymbiose zu wählen. Nur bei starkem N-Mangel im Boden verhält es sich anders. Daher spricht LERCH (1991) von einer kritischen Grenze für leguminosenverfügbaren Bodenstickstoff.
- Lichtstärke (Die Knöllchenbildung läuft erst bei 50 % Lichtgenuss normal ab. Das Optimum wird bei zunehmender Beleuchtungsstärke bei 80 % erreicht. Zu starkes Licht wirkt hemmend.)
- Einflussgrößen, die auf die Lebensweise der spezialisierten Rhizobienstämme im Bo- den und ihre Befähigung zur Infektion von Leguminosenwurzeln wirken (Rhizobien sind keine obligaten Symbionten, aber können lange im Boden leben. Keimtötende Pflanzenschutzmittel wie Fungizide können die Infektionstüchtigkeit der Knöllchenbakterien beeinträchtigen. Um solchen unwägbaren Bodeneinflüssen zu begegnen, wird der Boden vor der Aussaat mit passenden Rhizobienstämmen geimpft.)

und

- Kohlenhydratbereitstellung, Photosyntheserate, Stoffproduktion und Gesundheit der oberirdischen Leguminosenorgane.

(LERCH, G.; 1991 und SCHEFFER, F.; SCHACHTSCHABEL, P. et. al.; 2002).

Schätzwerte für die symbiotisch fixierte N₂-Menge der Leguminosen betragen 120 kg ha-¹ bei Erbsen, 150 kg ha-¹ bei Ackerbohnen, 170 kg ha-¹ bei Rotklee und 225 kg ha-¹ bei Luzerne (SCHEFFER, F.; SCHACHTSCHABEL, P. et. al.; 2002). In Leguminosenbe- ständen des gemäßigten Klimas werden durchschnittlich 200 bis 300 kg ha-¹ N₂ a-¹ in Hauptfruchtstellung und 50 bis 70 kg ha-¹ N₂ a-¹ als Zwischenfrüchte durch Knöllchen- bakterien nutzbar gemacht (KÄMPF, R.; 1987). Starke Abweichungen sind durch vorher geschilderte Einflussgrößen möglich. Mit dem Verblühen der Wirtspflanzen bei einjäh- rigen Leguminosenarten bzw. -anbau oder erst nach mehreren Jahren bei andauernden Leguminosen altern die Knöllchenzellen, sterben ab und werden zerfallend abgebaut. Die Reste der Zellinhalte der Wurzelknöllchen können ggf. noch von den Wirtslegumi- nosen verdaut werden, bevor auch diese absterben (abfrieren), zur Gründüngung um- gebrochen oder zur Futter-, Nahrungs- bzw. Biomassegewinnung geerntet werden.

(LERCH, G.; 1991). Der beim Abbau der Wurzeln und Pflanzenreste durch Bodentiere und Mikroorganismen hinterlassene N wird für die Nachfrucht erst durch Mineralisierung und Nitrifikation pflanzenverfügbar. Die Ausnutzung des N aus Leguminosen als Vorfrucht durch nicht legume Kulturpflanzen liegt zwischen 12 und 50 Prozent, so dass der Nachfrucht eine N-Menge von 15 bis 80 kg ha-¹ zur Verfügung steht (KÄMPF, R.; 1987). Die Werte in der DüV (idF v. 27.02. 2007) für anzurechnende pflanzennutzbare N-Lieferungen aus Vorfrüchten reichen z. Zt. jedoch nur bis maximal 40 kg N ha-¹.

1.1.2 Pflanzenbaulicher Grundwasserschutz in der Altmark nach EU-WRRL und Gewässerschutzkonzept Sachsen-Anhalt sowie anderen Regelungen

Der Untersuchungsstandort Falkenberg (Altmark) befindet sich im Landkreis Stendal im Norden des Bundeslandes Sachsen-Anhalt (ST). Zur Altmark zählt auch der Land- kreis Salzwedel. ST befindet sich mit 97 Prozent der Landesfläche im Flussgebiet der Elbe. Die übrigen 3 Prozent Landesfläche liegen im benachbarten Flussgebiet der We- ser. Das Bundesland hat Anteile an 77 Grundwasserkörpern, von denen sich etwa die Hälfte in noch keinem guten chemischen Zustand befindet, wie er laut EU-WRRL (idF v. 23.10. 2000) bis Ablauf des Jahres 2015 bzw. bei Fristverlängerung wie auch in ST später erreicht sein soll. Ursache hierfür sind unter anderem diffuse Nährstoffbelastun- gen aus Ackerböden, die noch über den Anforderungen der EU-WRRL liegen. (REF- ERAT WASSER, LVwA ST, 2008). Über den Pfad Boden-GW-Oberflächengewässer kön- nen N-Frachten in Seen und Flüsse gelangen. Insbesondere die NO₃ -Konzentrationen in den Fließgewässern mit den chemischen Güteklassifikationen II/III bis IV sind zu hoch und befinden sich teilweise in der Altmark (LHW ST, 2005). Die mengenmäßigen Zustände der Grundwasserkörper sind überwiegend gut - in der Altmark zu 100 Prozent.

Der Entwurf der Maßnahmenplanung im Rahmen des Gewässerschutzkonzeptes für ST sieht bislang Auflagen und Beschränkungen für die Verursacher diffuser Quellen mit negativen Auswirkungen auf den chemischen GW-Zustand vor, die über die DüV (idF v. 27.02. 2007) als nationale Umsetzungsverordnung der Nitratrichtlinie des Europäi- schen Rates (idF v. 12.12. 1991) sowie das BBodSchG (idF v. 17.03. 1998) und das nationale Abfallrecht abgedeckt werden. Konkret sind das die einzelschlagsbezogene Düngebedarfsermittlung nach Richtwerten, das Aufstellen von betrieblichen N- und P- Nährstoffbilanzen, die Begrenzung der betrieblichen N- und P-Salden sowie der Wirt- schaftsdüngerausbringung, Klärschlammausbringungsverbote bzw. -beschränkungen, die Reduzierung der N-Salden, Ausbringverbote für Düngemittel unter bestimmten Um- ständen, Sperrfristen für die N-Düngung, eine Güllelagerkapazität von mindestens 6 Monaten und optimale Ausbringzeitpunkte der N-Düngung. Nach § 6 DüV (idF v. 27.02. 2007) ist je nach begonnenen Düngejahren ein N-Überschuss zwischen 80 und 60 kg ha-¹ im Durchschnitt der drei letzten Düngejahre zulässig. Darüber hinaus wird Ursachenforschung betrieben, um weitere Maßnahmen optimal zu planen.

Derzeit können Landwirtschaftsbetriebe in der Gebietskulisse des Landesförderpro- grammes „freiwillige Gewässerschutzleistungen“ gemäß RL FGL ST (idF v. 02.12. 2009) Zuwendungen in Höhe von 63,- € ha-¹ erhalten, wenn sie eine spezielles Dünge- management zum Erreichen, Einhalten oder Unterschreiten eines jährlichen Zielsaldos von 40 kg ha-¹ ein- und durchführen. Die in der RL FGL ST (idF v. 02.12. 2009) festge- setzte Gebietskulisse in der Altmark (vgl. Abb. A-1 in Anh. A) entspricht dem Grund- wasserkörper „MBA 2“ mit Namen „Altmärkische Moränenlandschaft (Biese)“, dessen chemischer Zustand schlecht ist (vgl. Abb. A-2 in Anh. A) und im prioritären Beobach- tungsraum „MEL 05 - Milde/Biese/Aaland“ liegt (REFERAT WASSER, LVwA ST, 2008). Die Verpflichtung, die N-Düngung anhand einer Düngeempfehlung auf der Grundlage von N-Untersuchungen in jedem Frühjahr für alle beantragten förderfähigen Ackerflä- chen vorzunehmen und die empfohlene Düngehöhe der ersten und zweiten N-Gabe zu unter- aber nicht zu überschreiten, besteht laut RL-FGL ST (idF v. 02.12. 2009) nicht, soweit zu Leguminosen und Leguminosengemengen keine N-Düngung erfolgt.

Über das Förderprogramm „Markt- und standortangepasste Landbewirtschaftung (MSL)“ werden die Fruchtartendiversifizierung mit fünf verschiedenen Hauptfruchtarten jährlich, einem maximalen Getreideanteil von 2/3 und fünf Prozent Leguminosenbestellung sowie Winterfruchtanbau nach den Leguminosen mit 45,- bis 75,- € ha-¹ gefördert. Darüber hinaus werden Mulch- und Direktsaatverfahren im Rahmen des MSLFörderprogramms mit 55,- € ha-¹ unterstützt. (ALFF Altmark, 2009).

Weitere Anreize für eine boden- und gewässerschonende Bewirtschaftung werden über europäische Förderprogramme (REFERAT WASSER, LVwA ST, 2008), wie nach der ELER-VO (EG) Nr. 1698/2005 (idF v. 20.09. 2005) geschaffen. Das GW wird bei- spielsweise vor N-Einträgen aus Ackerböden geschützt indem mit der Cross-Compli- ance-Vorgabe, die OBS erhalten wird. Dies kann entweder durch den Anbau mindestens drei verschiedener Kulturen auf je 15 Prozent der Betriebsfläche oder eine jährliche Humusbilanz oder Bodenhumusuntersuchungen im Turnus von maximal sechs Jahren realisiert werden, wenn der organische Kohlenstoff (Corg) bei einem Wert über -75 kg ha-¹ a-¹ im Durchschnitt von drei Jahren liegt. Alternativ kann mindestens 1 bzw. 1,5 Prozent Humus bei einem Bodentongehalt bis 13 bzw. über 13 Prozent nachgewiesen werden. (BMELV, 2006). Zur Umrechnung von Corg auf OBS wird der Faktor 1,724 angewendet (LEINWEBER, P. et. al.; 2007).

In der Altmark sind Tieflandsböden mit Pseudogley-Braunerde aus lehmigem Geschie- bedecksand über Geschiebelehm häufig vorkommend (BISCHOFF, J.; 2010 und FELD- HAUS, D.; HARTMANN, K.-J et. al.; 2006). Diese Böden werden zum großen Teil acker- und pflanzenbaulich genutzt. Mais ist in der von Milchviehhaltung und Biogasanlagen geprägten Agrarregion neben Wintergetreide und -raps eine bedeutende Hauptanbaukul- tur (MLU, o. J./ 2008). Die Zahl der Landwirte, die konservierende Bodenbearbeitungs- verfahren einschließlich Direktsaat zum Schutz vor Bodenerosion und zur Verbesserung der Infiltration sowie Wasserspeicherfähigkeit des Bodens durch OBS nutzen, erfährt stetigen Zuwachs (EPPERLEIN, J.; GKB; 2010). Der Zwischenfruchtanbau kann enge

Maisfruchtfolgen auflockern, dient der Gründüngung, dem Erosionsschutz, der biologi- schen Unkrautregulierung und kann als Futter oder zur Biogasgewinnung verwendet werden. Tiefwurzelnde Arten wie Lupine, Ölrettich, Ackerbohne und einige Kleearten mit kräftigen tiefreichenden Pfahlwurzeln werden zur Sanierung von Bodenschadver- dichtungen und Unterbodenlockerung eingesetzt. (BISCHOFF, J.; HOFMAN, B.; 2009

Auf der Grundlage dreijähriger Nmin-Frühjahrsvergleichswerte der LLFG ST (2010) in Tab. 1 lässt sich die aktuelle N-Dynamik der ackerbaulich genutzten sandigen Lehme (sl) und lehmigen Sande (ls) in der Altmark charakterisieren. Im Jahr 2009 lagen die mittleren Nmin-Gehalte dieser beiden Bodenarten in der Altmark um 22 bzw. 26 kg ha-¹ über denen des Jahres 2010 und sogar um 32 bzw. 45 kg ha-¹ über denen des Jahres 2008. Hieran ist ersichtlich, dass in jedem Frühjahr standortspezifische Stickstoffbe- darfsanalysen (SBA) vor den N-Düngungsmaßnahmen in Abhängigkeit von dem Bedarf des rezent angebauten Fruchtfolgegliedes unabdinglich sind - bei mehreren Frühjahrs- gaben am präzisesten vor jeder Einzeldüngungsmaßnahme, um N-Verluste durch Aus- waschung zu minimieren (LAURENZ, L.; 2010). Ursachen für die von Frühjahr zu Früh- jahr veränderlichen Bodenvorräte an pflanzenverfügbarem N (NH4+, NO₃ ) eines Stand- ortes sind die Zu- und Abnahme sowie Mobilisierung und Immobilisierung der Arten und Mengen organischer N-Reserven, die in N-Bodenpools gebunden oder fixiert oder je nach mikrobiellen Ammonifikations- und Nitrifikationsleistungen des Edaphons im Bodenwasser in Abhängigkeit von der NH4+-Kationenaustauschkapazität und NO₃ -An- ionensorption gelöst vorliegen können. Im Pflanzenbau beeinflussen des Weiteren Wechselwirkungen zwischen Bodenart, Witterung - insbesondere Bodentemperatur und Bodenwasserhaushalt -, Fruchtarten und -folge sowie N-Düngung einschließlich Dün- gerformen und Düngungsniveaus die zeitlich variierenden Nmin-Gehalte der Böden. (LEINWEBER, P. et. al.; 2007 und SCHEFFER, F.; SCHACHTSCHABEL, P. et. al.; 2002). Im Hinblick auf Vorfruchteffekte auf die Nachlieferung von N wurden die mittleren Nmin-Gehalte der Böden Sachsen-Anhalts nach den Vorfruchtgruppen, die auch in den Lysimeterversuchen vorkamen, in die Tab. 1 aufgenommen. Die höchsten mittleren Nmin-Gehalte in den Schichten 30 bis 60 bis 90 cm tauchten nach einjährigen Körnerle- guminosen zu Vegetationsbeginn 2009 auf. In der obersten Bodenschicht (der Krume) bis 30 cm hinterließen Futterpflanzen von allen Vorfruchtgruppen den meisten Nmin. Die höchsten Minimumwerte für Nmin lagen sowohl 2009 als auch 2010 nach Zwischen- früchten im Boden vor - allerdings beruhen diese Werte nur auf ein bis zwei Proben jährlich ohne Benennung der Fruchtarten. Nach Getreide wurde im Frühjahr 2008 mit 465 kg ha-¹ der höchste Nmin-Einzelwert festgestellt.

Tab. 1: min-Richtwerte der LLFG ST nach Ergebnissen der min-Praxisproben in den Frühjahren 2008, 2009 und 2010

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Datenquelle: LLFG ST (2010); Zahl: Höchstwerte

*¹ Nmin-Gehalte nach Vorfruchtgruppe aus „Stickstoffbedarfsanalyse (SBA)“ für ST (LLFG ST, 2010)

*² n: Probenanzahl

Neben dem Gewässerschutzkonzept hat die Landesregierung ST eine Strategie mit dazugehörigem Aktionsplan zur Anpassung an den Klimawandel in Sachsen-Anhalt beschlossen. Auswirkungen des Klimawandels auf Wasser, Boden, Landwirtschaft u. a. wurden untersucht und Anpassungsmaßnahmen formuliert. Die Umsetzungsphase wird durch eine Arbeitsgruppe begleitet. (THIEL, D.; 2010).

1.2 Problembeschreibung und Zielsetzungen

Der Anbau von ungedüngten Körnerleguminosen wie Erbsen und Lupinen in einer Fruchtfolge kann in Wechselwirkung mit NO₃ -Konzentrationen im GW stehen. Nach der Ernte der Hülsenfrüchte als Hauptfrucht wird N durch Mikroorganismen freigesetzt und unterliegt zu leicht löslichem NO₃ nitrifiziert dem Risiko, mit dem Sickerwasser (SW) in das GW gespült zu werden - besonders dann, wenn nicht sofort eine Neuansaat nachfolgt. Nach Getreide können Haupt- oder Zwischenfrüchte zusätzlich zu den ver- fügbaren N-Rückständen der letzten Düngungsmaßnahme bis zu 75 Prozent anderweiti- gen Bodenstickstoff, etwa mobilisiert aus N-Pools, aufnehmen. Eine Ausnahme bilden dabei Leguminosen, die dem Boden während ihres Wachstums als „N-Mehrer“ weniger N entziehen als Nicht-Leguminosen, die als „N-Zehrer“ gelten. Entscheidend für den NO₃ -Austrag mit dem unterirdischen Abfluss kann sich auswirken, ob die Zwischen- frucht abfriert oder vor dem Winter umgebrochen und der Aufwuchs in den Boden ein- gearbeitet wird, wobei wieder N durch Mineralisation freigesetzt werden kann. Die Ab- erntung des Aufwuchses verringert die in den Boden gelangende, ggf. proteinreiche

Grünmasse und damit den Anteil Nmin, aber kann die Humusbilanz ungünstiger werden lassen. (KÄMPF, R.; 1987).

Die Fruchtfolgegestaltung durch Auswahl und Anbau-Reihenfolge von legumen und nichtlegumen Fruchtarten in Haupt- und Zwischenfruchtstellung sowie alle organischen und mineralischen N-Düngungs- und Bodenbearbeitungsmaßnahmen sowie Bewirt- schaftungsweisen während dieser Fruchtfolge können wesentlichen Einfluss auf die NO₃ -Auswaschung in das GW haben. Mit den vorliegenden Lysimeterversuchsaus- wertungen wird dieser Einfluss der Fruchtfolgegestaltung auf sl in Wechselwirkung mit den Klimabedingungen der Altmark analysiert, um experimentell begründete Entschei- dungshilfen und Empfehlungen für standortspezifische Anpassungsstrategien zur Ver- meidung von N-Auswaschungsverlusten - konform mit der EU-WRRL (idF v. 23.10. 2000) - geben zu können. (SCHRÖDTER, M.; LLFG ST; 2009). Übergeordnete Ziele waren es, diffuse N-Einträge des Ackerbaus in das GW zu quantifizieren und Erkennt- nisse über Fruchtfolgen hinsichtlich ihres Einflusses auf die N-Verlagerung in der unge- sättigten Zone in Wechselwirkung mit der GW-Neubildung zu gewinnen.

1.3 Forschungsstand und bisherige Versuchsergebnisse

Über Fruchtfolgen einschließlich Zwischenfruchtanbau mit und ohne Leguminosen ist allgemein schon Vieles bekannt, aber es mangelt an konkreten Erkenntnissen unter be- stimmten Standortbedingungen, die sich aus lokalen bis regionalen Boden- und Klima- gegebenheiten zusammensetzen. Zudem befindet sich das Klima im globalen Wandel, so dass Forschungsbedarf hinsichtlich der Auswirkungen der klimatischen Veränderun- gen auf die N-Dynamik in einer Fruchtfolge besteht. SPIESS, E. und STAUFFER, W. (2007) wiesen auf ungenügende Kenntnisse über den Einfluss der Leguminosen auf die NO₃ -Auswaschung hin.

BERG, M. (2005) fand bei der Auswertung von Nmin-Untersuchungen und Messungen des NO₃ -Gehaltes eines ls und eines tonigen Lehms (tl) mittels Saugkerzen in der SW- Periode heraus, dass sich mit ökologischem Landbau die NO₃ -Austräge gegenüber konventionellen und auch integrierten Bewirtschaftungsweisen deutlich verringern las- sen. Hinsichtlich des NO₃ -Gehaltes im Boden ergab sich die Reihenfolge: ökologisch < integriert < konventionell. Eine Versuchsfrage war, ob durch den Anbau von Legumi- nosen mit höheren N-Austrägen zu rechnen sei. Körnererbsen, Ackerbohnen und Klee- gras wurden ökologisch angebaut. Nach Ackerbohnen stand als Zwischenfrucht Ölret- tich aus Untersaat und nach Körnererbsen Winterrübse als Blanksaat. Nach dem Zerstö- ren der Kleegrasnarbe wurde vor Zuckerrüben eine Gelbsenf-Zwischenfrucht einge- schoben. In allen Anbausystemen konnten die Brassicaceen-Zwischenfrüchte die Rest- NO₃ -Mengen vor dem Winter auf unter 25 kg ha-¹ im Boden senken und führten zu niedrigen NO₃ -Austrägen und NO₃ -Konzentrationen, insbesondere unter der Zwi- schenfrucht nach Körnerleguminosen. HAUGGAARD-NIELSEN, H. et. al. (2009) bestä- tigten mit einem Lysimeterexperiment unter sl, dass die NO₃ -Versickerungen nach Körnerleguminosen (Bohne, Lupine, Erbse) signifikant verringert werden konnten, wenn über den Herbst und Winter N auffangende Kulturen (Kleegrasmischung aus Un- tersaat) vor dem nachfolgenden Sommerweizen angebaut wurden. BERG, M. (2005) stellte weiter fest, dass nach Absterben der Zwischenfrüchte frei werdender NO₃ -N jedoch z. T. rasch und für die Nachfrucht Kartoffeln nicht erreichbar aus dem Wurzel- raum des ls verlagert wurde. Ein vergleichsweise hoher N-Austrag in einem Versuchs- jahr unter Senf-Zwischenfrüchten wurde auf eine späte Saat und nicht unerheblich auf die N-Freisetzung aus der abgestorbenen Pflanzenmasse im Frühjahr zurückgeführt. Andernfalls wurde bis in 1,50 m Bodentiefe verlagertes NO₃ von den nachfolgenden Zuckerrüben aufgenommen, so dass im Herbst der NO₃ -N-Bodengehalt bis 90 cm Tiefe des tl bei ökologischer Bewirtschaftung trotz Leguminosen in der Fruchtfolge im dreijährigen Mittel mit 48 kg ha-¹ um 13 und 24 kg ha-¹ niedriger war als bei integrierter und konventionellen Fruchtfolgen ohne Leguminosen. Unter Kleegras waren die NO₃ - Gehalte stets niedrig. Zu Kartoffeln sowie anderen Körnererbsen wurde das Kleegras erst im Frühjahr bzw. unmittelbar vor der folgenden Aussaat umgebrochen. Die Bedeu- tung der Höhe der N-Düngung schien auf austragsgefährdeten Standorten gegenüber anderen Bewirtschaftungsmaßnahmen, wie Umbruchtermin oder Absterbezeitpunkt und Art der Zwischenfrucht zurückzutreten. Geringere NO₃ -Austräge ergaben sich bei BERG, M. (2005) aufgrund geringerer SW-Mengen bei hohen mittleren NO₃ -Gehalten. Bei hohen SW-Mengen wurde unter ls wesentlich mehr N ausgetragen als unter tl. Überdurchschnittlich hohe Niederschläge in einem Winterhalbjahr führten an beiden Standorten zu NO₃ -Verlagerungen aus dem untersuchten Bodenraum, während sie in niederschlagsarmen Wintern und Frühjahren nur in dem durchlässigen Boden auftraten, weil der ls Feldkapazität erreicht hatte.

SPIESS, E. und STAUFFER, W. (2007) untersuchten mittels Lysimetergefässen, die mit Quarzsand und 3 Prozent Bentonit befüllt waren, die ausgewaschenen NO₃ -Mengen bei Reinbeständen von Luzerne, Rot- sowie Weissklee. Die SW-Mengen nahmen i. d. R. mit steigenden Niederschlägen zu, aber auch mit sinkenden Erträgen infolge der ge- ringeren Transpiration. Die jährliche NO₃ -Auswaschung betrug im Mittel bei allen drei Leguminosenarten unter 10 kg N ha-¹. Beträchtliche Schwankungen zwischen den Ly- simeterjahren waren stärker auf Unterschiede im NO₃ -Gehalt als in der SW-Menge zurückzuführen. Die biologische N₂-Fixierung betrug 497 kg ha-¹ N bei Luzerne, 376 kg ha-¹ bei Rotklee und 281 kg ha-¹ bei Weissklee. Von diesen N-Entzügen der oberirdi- schen Pflanzenmasse konnten maximal 25 kg N ha-¹ aus Deposition stammen. Aufgrund des künstlichen Bodensubstrates kam es zu keiner Auswaschung infolge der Minerali sierung von Humus. Der N-Entzug und somit die Erträge nahmen während der siebenjährigen Versuchszeit einschließlich Ansaatjahr stark ab.

Berichte zum pflanzenbaulichen GW-Schutz im Oberpfälzer Jura (STEINERT, K.; 2008) und in Donauried-Hürbe (KAATZ, C.; HAAKH, F.; 2005) trugen im Ergebnis eines vier- jährigen Forschungsprojektes „Vergleich optimierter mit konventioneller Ackernut- zung“ (Donauried) und eines GW-Schutzprojektes auf Grundlage freiwilliger Bewirt- schaftungsverträge (Oberpfalz), bei dem die NO₃ -Auswaschung in den Wintermonaten aus der Differenz zwischen Nmin-Werten im Herbst und Frühjahr erfasst wurden, ähnli- che geeignete Maßnahmen zum GW-Schutz im Pflanzenbau zusammen. Darunter bilde- te die konservierende Bodenbearbeitung einen wesentlichen Bestandteil der Strategien. Darüber hinaus konnten N-Verluste durch grundwasserschonende Umstellung bzw. Er- weiterung der Fruchtfolge, Zwischenfruchtanbau, Maisanbau mit (winterharter) Unter- saat, Herbstbegrünung und reduzierte N-Düngung in Unterfuß- oder Reihenausbringung mit maximalen Einzelgaben von 50 kg N ha-¹ im Abstand von mindestens drei Wochen nach schlagspezifischen Düngeempfehlungen auf Grundlage von Bodenproben deutlich verringert werden. N-Überschüsse konnten bei stabilen Erträgen und Qualitäten auf 50 bis 60 Prozent gesenkt werden. Die Nmin-Werte der Flächen mit optimierter Ackernut- zung lagen in Donauried etwa auf Niveau des parallel untersuchten Dauergrünlands bei konstant niedrigen Nmin-Werten im auswaschungsrelevanten Zeitraum Oktober bis März. In der Oberpfalz wird ein Herbst-Nmin von unter 40 kg ha-¹ angestrebt, indem z. B. nach Sommerkulturen wie Silomais konsequent Sommerzwischenfrüchte angebaut werden. Eine weitere Senkung der NO₃ -Einträge in das GW wird hier mittels Precision Farming zur teiflächenspezifischen N-Düngung anvisiert. Dadurch verbleibe dann kaum noch auswaschungsgefährdeter Rest-N im Boden.

1.4 Versuchsfragen

SW-Mengen und NO₃ -Konzentrationen im GW stehen in enger Wechselwirkung zu- einander (SCHEFFER, F.; SCHACHTSCHABEL, P. et. al.; 2002). Daher wurden zunächst das Auftreten von SW-Mengen und die bedeutendsten Einflussgrößen, insbesondere die Niederschlagsmenge und -verteilung sowie die Evapotranspiration (ET) darauf analy- siert, ob sich der globale Klimawandel auch regional bis lokal in der Altmark bemerkbar macht. Die klimatischen Verhältnisse können im Jahresverlauf und zwischen den Jahren stark variieren, was vorab zu untersuchen war. Leguminosen können als Haupt- oder Zwischenfrüchte angebaut werden. Ferner können Zwischenfrüchte vor dem Winter umgebrochen werden oder bis zur Direktsaat im Frühjahr abfrieren. (RENIUS, W.; LÜT- KE ENTRUP, N.; 1992). Die zentrale Versuchsfrage war: Führen Fruchtfolgen mit Le- guminosen auf der Bodenart sl unter den vorherrschenden Klimabedingungen in Falkenberg in der Altmark zu höheren O3 -Konzentrationen im SW als Frucht- folgen ohne Leguminosen? Verschiedene Bewirtschaftungsweisen wie die konservie- rende Bodenbearbeitung, der ökologische Landbau und der integrierte Pflanzenbau be- einflussen im Ergebnis von Versuchen (vgl. Kap. 1.3) die Bodeneigenschaften und da- mit den NO₃ -Austrag in das GW unterschiedlich. Zudem haben legume Feldfrüchte, insbesondere Eiweißpflanzen wie Lupinen und Erbsen, eine hohe Vorfruchtwirkung be- züglich der Nmin-Lieferung. Daher stellten sich weiterhin die Fragen, wann und unter welchen Bedingungen es mit und ohne Leguminosen in der Fruchtfolge zu über- durchschnittlichen O3 -Konzentrationen in mehr oder weniger hohen SW-Meng- en und damit zu unterschiedlich hohen O3 --Frachten kommt. Dabei ist von Interesse in welchem Grad NO₃ -Frachten sowie Anteile molekularen Stickstoffs (NO₃ -N) verloren gehen und die N-Effizienz der jeweiligen Fruchtfolge schmälern. Aus lang- jährigen Versuchsreihen lassen sich grundsätzlich gesichertere wissenschaftliche Aus- sagen ableiten als von Daten aus nur ein bis zwei Lysimeterjahren (RASCH, D. et. al.; 2007). Parallel zu den Daten des ersten Lysimeterversuchsjahres und sieben weiterer Monate wurden darum Langzeitlysimetertestdaten zu folgenden Aspekten untersucht:

- Zeiträume der GW-Neubildung und Höhe der SW-Mengen unter sl und Fruchtfolge gliedern bei Klimabedingungen am Standort Falkenberg in der Altmark
- Zeitliches Auftreten und Höhe der NO₃ -Konzentrationen bzw. NO₃ -Frachten bzw. NO₃ -N-Frachten in den Sickerwässern unter Fruchtfolgegliedern auf sl im Vergleich
- Ermittlung der mittleren NO₃ -Konzentrationen als Produkte aus jährlichen SW- Mengen und jährlichen Gesamt-N-Frachten unter den Feldfrüchten im Vergleich
- Analyse variabler Faktoren (Fruchtart, Vorfrucht, Bewirtschaftungsweise, Bodenbearbeitungsverfahren, Düngung, Ertrag, N-Pflanzenentzug) darauf, wann hohe und wann niedrige NO₃ -Konzentrationen bzw. NO₃ -N-Frachten im SW vorkommen (Konstanten aller Fruchtfolgeglieder waren die Lysimeterbodenart sl und das Klima) - N-Effizienz der Fruchtfolgeglieder auf Grundlage von N-Bilanzen durch Gegenüber- stellung der N-Entzüge (N-Pflanzenentzüge, Verluste an NO₃ -N-Frachten im SW) und der N-Zufuhren (Vorfruchtlieferung, N₂-Fixierung der Leguminosen, Düngung)
- einordnender Vergleich der kurzzeitigen mit den langjährigen Lysimeterversuchsdaten

Kapitel 2 Material und Methodik

2.1 Lysimeterstation des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung in Falkenberg (Altmark)

Das am 12. Dezember 1991 in Halle-Leipzig gegründete Helmholtz-Zentrum für Um- weltforschung (UFZ) ist ein Forschungszentrum mit über 900 Mitarbeitern, das der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands - der Helmholtz-Gemeinschaft - ange- hört. Gesellschafter sind die Bundesrepublik Deutschland über das Bundesministerium für Bildung und Forschung, der Freistaat Sachsen über das Sächsische Staatsministeri- um für Wissenschaft und Kunst und das Land Sachsen-Anhalt über dessen Kultusminis- terium. Übergeordnete Ziele sind es, die komplexen Wechselwirkungen zwischen Mensch und Umwelt in genutzten und gestörten Landschaften zu erforschen sowie Kon- zepte und Verfahren zu entwickeln, die die natürlichen Lebensgrundlagen für nachfol- gende Generationen sichern helfen. Im Departement Bodenphysik des Fachbereiches Wasser- und Bodenforschung unterhält das UFZ eine Lysimeterstation in Falkenberg in der östlichen Altmark, die Abb. 2 darstellt. (UFZ, 2010).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Helmholtz-Lysimeteranlage mit Klimastation in Falkenberg (Altmark) (Foto: KLÄMT, G.; 2010)

2.1.1 Lysimeteraufbau

Die Zeichnung in Abb. 3 gibt den Aufbau der verwendeten Versuchslysimeter wieder. Die für die vorliegenden Untersuchungen ausgewählten Lysimeter (griech.: „lysis“ - die Lösung, „metron“ - das Maß) der Station Falkenberg (Altmark) sind kastenförmige Be- hälter, die oberflächengleich in den Boden eingebaut und mit geschichteten Bodensub- straten befüllt wurden. Ihre nutzbare Tiefe beträgt 125 cm, wobei in den untersten 20 bis 25 cm ein Drainrohr in einer gestuften Filtrierschicht aus Sand, Kies und Schotter zur freien Entwässerung verläuft. Die Kastenlysimeter waren von ihren 1 m² großen Ober- flächen her dem lokalen Klima ausgesetzt und wurden verschiedenen zu prüfenden

Fruchtfolgen und Bewirtschaftungsweisen unterzogen. Lateraler Abfluss trat aufgrund der metallischen Lysimeterwände dabei nicht auf. (GODLINSKI, F.; 2005).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Aufbauplan der ausgewählten nicht wägbaren Lysimeter (LEINWEBER, P. et. al.; 1999)

Lysimeter sind Anlagen zum Erfassen von SW als Grundlage zur Mengen- und Stoffbilanz in Abhängigkeit von Boden, Gestein, Bewuchs, lokalem Klima und anderen Randbedingungen. SW ist das unterirdische Wasser, das sich durch Überwiegen der Schwerkraft im Sickerraum abwärts bewegt. (DIN 4049-3, 1994). Es werden wägbare (WLYS) und nichtwägbare (NWLYS) Lysimeter unterschieden. Für diese Untersuchungen wurden NWLYS herangezogen. NWLYS messen das in einem Bezugszeitraum (hier monatlich) versickernde Wasser in einem definierten und gegen umliegende Bereiche physisch abgegrenzten Bodenvolumen. (MEISSNER R. et. al.; 2010).

2.1.2 Charakterisierung der Bodenart sandiger Lehm in den ausgewählten Lysimetern

Alle ausgewählten Lysimeter, sowohl des neuen Versuches als auch der Langzeitversu- che enthielten sl. Die Bodenart stellte somit eine Konstante bei den Versuchsauswer- tungen dar. Das Bodensubstrat wurde 1981/82 gestört, in zwei Schichten (Oberboden- schicht: 0 bis 30 cm und Unterbodenschicht 31 cm bis Lysimetergefäßboden) von Hand eingefüllt und stammte aus der Region bei der Ortschaft Bretsch, die sich 12 Kilometer Luftlinie westlich von Falkenberg (Altmark) entfernt befindet. Eine nicht monolithische Befüllung bedeutet, dass der Boden nicht natürlich gewachsen ist. Gleichwohl das Bo- densubstrat in den Lysimetern nach 25jähriger Betriebsdauer als quasi-natürlich gewachsen angesehen werden kann, bleibt das Porensystem dennoch gestört und ist nicht vergleichbar mit einem ursprünglich natürlich gewachsenen Boden. Nachdem die Lysimeter mit dem Bodenmaterial gefüllt waren, wurde so lange beregnet bis sich vergleich- bare Abflussverhältnisse einstellten. Lysimeterdaten liegen seit 1985 vor. (MEISSNER, R. et. al.; 2010).

Die Parameter in Tab. 2 wurden am Ausgangsmaterial und anhand des sl aus ausgebau- ten oder in Nutzung befindlichen Lysimetern erhoben (GODLINSKI, F.; 2005). Mi- schungen von Sand und tonigen Bestandteilen ab 8 Prozent bis 45 Prozent werden als Lehmböden eingruppiert (AD-HOC-AG Boden, 2005). Je nach Anteil des Sandes und des Tones (und des Schluffes) wird zwischen Sandlehmen (sl), Normallehmen (ll) und Ton- lehmen (tl) unterschieden. In den ausgewählten Lysimetern handelt es sich um Boden mit weniger als 15 Prozent Ton und über 50 Prozent Feinsandanteil bei einem Sandan- teil von über 70 Prozent insgesamt. Dieser Lysimeterboden ist nach der weltweit gülti- gen Bodenklassifikation der Food and Agricultural Organisation (FAO) als sandiger Lehm (sandy loam) einzustufen. Im engeren Sinne lässt er sich auch als feinsandiger Lehm definieren. Nach der in Deutschland angewendeten „Bodenkundlichen Kartieran- leitung (KA5)“ zählt die oberste tonigere (12,1 %) Bodenschicht bis 30 cm zu den Sandlehmen (sl), die der Hauptgruppe der Lehme (l) angehören (AD-HOC-AG BODEN, 2005). Die sandigere, schluffigere und dafür weniger tonige (7,4 %) Bodenschicht dar- unter, also ab 31 cm bis zum Lysimetergefäßboden wird hingegen nach KA5 den Lehm- sanden (ls) in der Hauptgruppe der Sande (s) zugeordnet.

Tab. 2: Bodenparameter der ausgewählten Lysimeter ( WLYS) der Station Fal- kenberg (Altmark)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Datenquellen: GODLINSKI, F.; 2005 und MEISSNER, R. et. al.; 2010)

In der vorliegenden Arbeit wird der Lysimeterboden in seiner Gesamtheit nach der FAO-Bodennomenklatur (SCHEFFER, F.; SCHACHTSCHABEL, P. et. al.; 2002) als san- dy loam (sl) eingestuft und bezeichnet. Die vorher genannten Informationen nach KA5 sollen verdeutlichen, dass es sich um einen sandigen Lehmboden mit einem Tongehalt im unteren Bereich der Lehmböden bzw. im mittleren Bereich von Sandböden handelt. Lehmböden sind Dreikorngemenge resp. Sand-Schluff-Tongemenge mit bestimmten Gemengeanteilen (AD-HOC-AG BODEN, 2005). Die Korngrößenzusammensetzung, also die Fraktionsanteile der Bodenarten Ton, Schluff und Sand in der Schichtabfolge eines Bodensubstrates haben Einfluss auf die Anteile an mineralisch gebundener OBS. Organisch-mineralische Verbindungen, wie sie besonders als Ton-Humus-Komplex, aber auch in der Feinschlufffraktion vorkommen, wirken stabilisierend auf den Boden, da sie vor dem Abbau durch Bodenorganismen besser geschützt sind als die zwischen groben Sandfraktionen isolierten organischen Fragmente. Böden mit hohen Anteilen an Grob- und Mittel-Sanden sind demzufolge humusärmer, instabiler und strukturschwä- cher. Außer von der Bodenart ist der OBS-Gehalt vom Klima und von der Vegetation und Bodennutzung abhängig. Auf die Humusbildung in pflanzenbaulich genutzten Bö- den wirken besonders die Fruchtfolgen der Kulturarten und deren Bodenbearbeitung und Düngung. Ein standorttypischer Gehalt an OBS (§ 17 Abs. 2 Nr. 7. BBodSchG idF v. 17.03. 1998) erhöht den Anteil wasserspeichernder Mittelporen und verbessert die Wasserspeicherfähigkeit des weniger verdichtungsanfälligen Bodens, wodurch weniger SW anfällt. Gleichzeitig steigert der Humusanteil im Pedon die Kationenaustauschkapa- zität und damit die Nährstoffspeicherung sowie -verfügbarkeit, was die N-Auswaschung vermindern kann. Der OBS-Gehalt gilt darum als die wichtigste Kenngröße für die Bo- denfruchtbarkeit landwirtschaftlich genutzter Böden. Standortuntypische, zu hohe OBS- Gehalte können allerdings auch die NO₃ -Auswaschungsgefahr heraufsetzen. Das Op- timum an OBS-Gehalt eines Sandes mit 10 Prozent Feinanteil aus Ton und Feinschluff beträgt 1,4 bis 2,1 Prozent (Corg * 1,724). (LEINWEBER, P. et. al.; 2007). Der Corg-Ge- halt der OBS kann je nach Humusfraktionierung stark schwanken. Ein weites Corg/Nt (C/N)-Verhältnis (> 15 bis 60) steht für Ackerböden mit zunehmend unzersetzter Pflanzenmasse. (GISI, U.; 1997 und SCHEFFER, F., SCHACHTSCHABEL, P.; 2002).

2.1.3 Erhebung untersuchungsrelevanter Lysimeterdaten

Ein Kanister je Lysimeter fing eine Sammelprobe des anfallenden SW im monatlichen Turnus auf (vgl. Abb. 4a, b, c). Die SW-Mengen wurden gewogen und in mm erfasst sowie von Anfang Mai bis Ende April für ein Lysimeterjahr und für Subperioden wie etwa Sommer- und Winterhalbjahre (April bis September bzw. Oktober bis März) oder von Mai bis November 2010 bei der Auswertung aktueller Versuchsergebnisse aufbe- reitet. Innerhalb von „Lysimeterjahren“ nach DVWK-Definition (1980) anstelle von Kalenderjahren konnten die Fruchtfolgeglieder, Bewirtschaftungsmaßnahmen und deren Wirkungen auf den Bodenwasserhaushalt und die N-Dynamik ausgewertet werden (RICHTER, G.; 2003). Zu jeder Variante flossen zwei Messungen ein. Nach dem Prinzip der Wiederholungen ist dies die Mindestanzahl, um die Varianz als Maß der Variabilität der beobachteten Merkmale ermitteln zu können (RASCH, D. et. al., 2007).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4a, b, c: Unterirdisch begehbare Sickerwasserauffanganlage des UFZ in Falkenberg (Altmark) (Fotos: KLÄMT G., 2010)

Die NO₃ -Konzentrationen in den Sickerwässern wurden mittels Ionenchromatographie nach entsprechenden DIN-Vorschriften in mg l-¹ ermitteln. Die Proben wurden außer auf NO₃ auf NH4+ und Nitrit (NO2 ) untersucht. Wesentlich N-Mengen traten aber nur als NO₃ auf, so dass der gesamte N (Nt) im SW dem Reinstickstoffanteil des NO₃ (NO₃ N) entsprach. Wenn die Bezeichnung N-Fracht auftaucht, handelt es sich also um die NO₃ -N-Fracht. Die NO₃ -Frachten, mittleren NO₃ -Konzentrationen und Reinstick- stofffrachten lassen sich aus den monatlichen Werten der gemessenen SW-Menge und der laboratorisch ermittelten NO₃ -Konzentration berechnen (vgl. Anh. B). Für weiter- gehende Analysen wie etwa N-Bilanzen wurden lysimeterweise Erträge in g/m² Frisch- masse (FM) und Trockensubstanz (TS) sowie N-Entzüge der Pflanzen in g/m² erhoben. Alle Bewirtschaftungsmaßnahmen je Lysimeter wurden in Zeitreihen dokumentiert.

2.2 Auswahl von Lysimeterversuchsdaten

Für Untersuchungen zur Beantwortung der Versuchsfragestellungen wie in Kapitel 1.4 beschrieben, wurden mehrere Lysimeterversuche betrachtet. Eingeflossen waren erste Messergebnisse eines Lysimeterversuches zu NO₃ -Konzentrationen mit dem SW in Anbausystemen mit und ohne Leguminosen, der im folgenden Kapitel 2.2.1 beschrieben wurde. Dieser Versuch zur Analyse der Nährstoffeffizienz in Maisfruchtfolgen ist im Spätsommer 2009 in Zusammenarbeit zwischen dem UFZ und der Landesanstalt für Landwirtschaft Forsten und Gartenbau (LLFG) ST begonnen worden. Lysimeterdaten eines einzigen vollständigen Lysimeterjahres zu Beginn einer Nutzungsänderung durch eine neu gestaltete Fruchtfolge verbunden mit anderen Bewirtschaftungsweisen wie der konservierenden Bodenbearbeitung (Direktsaat) lassen noch keine statistisch gesicher- ten Auswertungen zu. Im Verlaufe der nächsten Jahre kann sich die Fruchtfolge unter den Standort- und Klimabedingungen der Altmark etablieren und lässt sich dann anhand langjähriger Messdaten auf Haupteffekte analysieren (FAHRMEIR, L. et. al., 1999). Auf- grund der erst kurzen Versuchslaufzeit wurden darum zusätzlich ausgewählte Lysime- teraltdaten eines 15jährigen Untersuchungszeitraumes von 1993/94 bis 2007/08 für die Analyse von Fruchtfolge- und Zwischenfrucht-Einflüssen mit und ohne Leguminosen auf den NO₃ -Austrag im SW bereitgestellt. Erläuterungen finden sich in Kapitel 2.2.2.

2.2.1 Versuch „ ährstoffeffizienz in Maisfruchtfolgen mit und ohne Zwischen- fruchtanbau im Vergleich zu mehrjährigem Luzernegrasanbau“ seit 2009

Zur Beschreibung des Versuches mit Bezeichnung wie in der Überschrift dienen der Versuchsanbauplan in Tab. 3, die verglichenen Varianten des mehrjährigen Luzernegrases im Ansaatlysimeterjahr und des Lupine-Zwischenfruchtanbaus in Abb. 5 sowie die Bewirtschaftungsmaßnahmen in Tab. 4. Der Versuch umfasst fünf Varianten. Alle beteiligten Lysimeter waren vor Versuchsbeginn im Sommer 2009 mit Gerste (Hordeum vulgare) bzw. Weizen (Triticum aestivum) bewachsen, um Störvariablen der Ausgangsbedingungen zu homogenisieren (FAHRMEIR, L. et. al.; 1999).

Tab. 3: Versuchsanbauplan „ ährstoffeffizienz in Maisfruchtfolgen mit und ohne Zwischenfruchtanbau im Vergleich zu mehrjährigem Luzernegrasanbau“ 2009/10/11

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

* Zwischenfruchtanbau mit Leguminosen

Ab Mitte Juli 2009 wurden die Lysimeter unterschiedlichen Nutzungen unterzogen. Dies war zum einen der legume Zwischenfruchtanbau der bitterstoffarmen Lupine „Bo- ruta“(Lupinus angustifolius), wovon eine Variante vor dem Winter umgebrochen wurde (2) und die andere Variante über Winter abfror (3) (vgl. Abb. 5b,d,f). Ende April 2010 folgte auf den Lysimeteroberflächen mit den Vorfrüchten Lupinen der Anbau von Silo- mais (Zea mays), einerseits nach einer Pflugfurche (2) und andererseits in Direktsaat (3). Dem Silomais folgte jeweils im Oktober 2010 die Aussaat von Winterroggen (Secale cereale). Ein weiteres Lysimeterpaar wurde zum Vergleich mit mehrjährigem Luzernegras (Medicago sativa) der Sorte „Country“ (4) mit einem Leguminosenanteil von 80 Prozent Luzerne und einem Nichtleguminosenanteil von 20 Prozent aus Wiesenschwingel (15 Prozent) und Lieschgras (5 Prozent) bestellt. (vgl. Abb. 5a,c,d).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5a,b,c,d,e,f: Stadien der Varianten 2,3 und 4 (Fotos: KLÄMT, G.; 2009/10)

Als weitere Vergleichsvarianten dienten die Schwarzbrache (1) sowie der Anbau von Winterroggen (Secale cereale) ohne Zwischenfruchtanbau und folgender Winterraps (Brassica napus var. napus) (5). Neben den Fruchtfolgen in Tab. 3 sind die Bewirt- schaftungsmaßnahmen in Tab. 4 ersichtlich. Im Folgenden werden einige Besonderhei- ten der Bewirtschaftung, die in Tab. 4 aufgelistet wurden, erläutert. Zum Einen müssen die Notbewässerungen im Juli (14., 30.), August (19., 31.) und September (9., 23.) des Jahres 2009 von je 10 mm Wasser (H2O) nach der Aussaat der Versuchskulturen Lupine (Varianten 2 und 3) und Luzernegras (4) genannt werden, ohne die das Auflaufen, Kei- men und Anwachsen nicht gesichert gewesen wäre. Am 23. und 29. Juni des Folgejah- res 2010 mussten die beiden Silomais-Varianten (2, 3) mit zweimal 10 mm bewässert werden. Das Luzernegras (4) erhielt am 30. Juni 2010 10 mm H2O. Nach der Winter- rapssaat (5) am 3. September 2010 wurden ebenfalls 10 mm gewässert. Die Notbewäs- serungen wurden bei den Auswertungen berücksichtigt, wenn nicht anders vermerkt.

Zum Anderen musste aufgrund von Schädlingsbefall der Lupinen eines Lysimeterpaares nachgesät werden. Um den Vergleich der beiden Lupine-Zwischenfrucht-Varianten „vor Winter umgebrochen“ und „abfrierend“ nicht zu beeinträchtigen, wurden die bei- den Lysimeterpaare mit Lupinen neu aufgeteilt, so dass bei jedem Paar ein nachgesäter Bestand einfloss. Die Lysimeterpaare mit Nummern 23 und 24 sowie 27 und 28 wurden in die Lysimeterpaare mit Nummern 23 und 27 sowie 24 und 28 umgeändert. Dadurch erhielten die Lysimeterwiederholungen jeweils andere Vorfrüchte, was bei den Auswer- tungen berücksichtigt wurde. Damit waren nun die Mittelwerte der beiden Lysimeter- paare der Varianten 2 und 3 gleichen Vorfruchtwirkungen (jeweils einmal Mais / Som- mergerste und einmal Wintergerste / abfrierender Ölrettich / Sommergerste) ausgesetzt, was den Effekt des Umbrechens der Lupinen vor Pflugmais versus des Abfrierens der Lupinen zur Mais-Direktsaat als einziges Unterscheidungsmerkmal herausstellte. Um den Ansprüchen von Lupine und Luzernegras an einen pH-Wert im schwach sauren bis neutralen Bereich (RENIUS, W.; LÜTKE ENTRUP, N.; 1992) gerecht zu werden, wur- de zur Aussaat am 14. Juli 2009 gekalkt. Damit wurde der Tendenz zur Versauerung der Böden in humiden Klimaten (LEINWEBER, P. et. al.; 2007) entgegengewirkt.

Empfohlen wird, die Fruchtfolge-Variante 3 zum Vergleich zukünftig konsequent pfluglos via Mulch- und Direktsaatverfahren zu bestellen, wenn eine Fortsetzung folgt.

Tab. 4: Bewirtschaftung der Lysimeter des Versuchs „ ährstoffeffizienz in Maisfruchtfolgen“ 2008/09 bis ovember 2010

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*Zwischenfruchtanbau

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• Hochschule: Universität Rostock (Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät)
• Veranstaltung: Master-Abschlussarbeit mit Kolloquium
• Note: gut
• Autor: Gundula Klämt (Autor:in)
• Erscheinungsjahr: 2011
• Seiten: 96
• Katalognummer: V168306
• ISBN (eBook): 9783640853748
• ISBN (Buch): 9783640854004
• Sprache: Deutsch
• Schlagworte: Nitrat-Auswaschung, Stickstoff, pflanzenbaulicher Grundwasserschutz, Boden, sandiger Lehm, Altmark, Klimawandel, Sickerwasser, Niederschläge, Mais, Direktsaat, Lupine-Zwischenfrucht, konservierende Bodenbearbeitung, Körnererbse, Luzernegras, Kleegras, Winterweizen, abfrierender Ölrettich, Lysimeter, Evapotranspiration, Reinstickstoff-Anteil, N-Frachten, N-Verluste, N-Effizienz, EU-WRRL, Europäische Wasserrahmenrichtlinie, Ökologischer Landbau, Integrierter Pflanzenbau, Nitratrichtlinie