Agricultural lands cover a large proportion of the land surface and can play an important role when modelling large scale systems like the global water cycle. Compared to other ecosystems, constant advances in management strategies and the grown crops and cultivars can cause very dynamic temporal and spatial variations in soil-plant-atmosphere interactions of agricultural landscapes. Such management advances might have a considerable impact on large scale systems like climate change or the global water cycle but are currently poorly represented in land surface models. This is mainly caused by the challenge of the process details that are required when measuring and modelling changes in agricultural management on soil-plant interactions, and by the predictability of the scales that are required to measure the impacts. To gain a mechanistical understanding of the feedbacks between temporal and spatial variations in agricultural systems and soil properties, we want to develop a field scale crop model to be later used in an upscaling procedure over the whole of Europe. For this purpose, SIMPLACE < LintulCC2 > , a field-scale crop model was tested regarding its parameter sensitivity for multiple soil types within five different climate zones across Europe. The field-scale model uses a physically based soil water sub-routine, where soil water fluxes are driven by the soil water potential and root water uptake is calculated using a plant hydraulic conductance model. A sensitivity analysis is carried out for winter wheat, with the aim to identify the impacts of changes in model parameters on the model outputs of plant transpiration and total biomass and to get an improved understanding of model response patterns under different environmental conditions. To identify the 10 most important model parameters, the Morris method was used. In a second step, the impact of those 10 parameters is estimated using an Extended Fourier Amplitude Test (FAST). The analysis shows that the parameter sensitivity varies stronger with different climates than with the soil type. For all climates, parameters related to plant hydraulics, photosynthesis and plant development had the strongest effect on both model outputs.
Climate change may lead to extended periods of drought in certain regions of the world. This is particularly problematic for agriculture on sandy soils with low water storage capacity. One way of increasing the water storage capacity of soils is to increase the soil’s organic matter content through management. Although the effect of humus on soil water retention is well studied, its actual impact on the soil water balance at agricultural sites remains largely unclear. Our hypothesis was that increased humus content near the soil surface leads to increased water storage capacity, but can increase unproductive evaporative losses and thus possibly even reduce water availability for crops.
To test our hypothesis, we used the Hydrus-1D software package to simulate the water balance in the soil-plant-atmosphere system for a typical arable crop, on four different soil types, and varied organic matter contents and incorporation depths. The soil hydraulic functions were derived with a newly developed pedotransfer function. We analyzed evapotranspiration, transpiration and groundwater recharge for meteorologically contrasting years and quantified the influence of soil texture, added amount of organic matter and incorporation depth.
The simulations showed that a higher amounts of organic carbon in the soils generally increased evaporation up to a humus layer thickness of about 10 cm. Groundwater recharge decreased correspondingly. Simultaneously, the water storage from winter precipitation increased with the total amount of humus in the soil. The superposition of both effects resulted in a complex relationship of humus quantity, humus content, and incorporation depth with respect to transpiration. Under dry conditions, shallow incorporation led to decreased transpiration, with the effect being most pronounced in coarse textured soils. In contrast, for the heavy soils and deep incorporation, transpiration was even increased.
We conclude that especially for sandy soils humus should be deeply incorporated to prevent non-productive evaporation loss and accompanied decrease in water supply for transpiration. The influence of humus on all variables of the water balance underlines the potential of humus management as a possibility to optimize the soil water balance as a climate adaptation strategy.
Im Zuge eines Nährstoffentzugsversuchs wird seit Anfang der 1990er Jahre dauerhaft Mais in über vierzig ca. 1m² großen Versuchsringen gepflanzt. In den Versuchsringen befindet sich Bodenmaterial eines lössbürtigen Pseudogley-Tschernosems, der zum Zeitpunkt der Ringbefüllung bis zu einer Bodentiefe von 180cm entkalkt war.
Im Rahmen einer Abschlussarbeit werden die Gehalte pflanzenverfügbaren Kaliums und Phosphors des Bodenmaterials der Versuchsringe bestimmt und mit den K- und P-Gehalten der Pflanzensubstanz sowie den Pflanzenerträgen der Ringflächen in Relation gebracht. Die Betrachtung schließt dabei jeweils die Daten mehrere Jahre ein.
Modellinputs und Sensitivitätsanalyse
Die für die Ausführung von Daisy erforderlichen Inputs umfassen Wetter (täglich)-, Boden-, Ernte- und Managementinformationen. Die Bodenbeschreibung (Textur, organische Substanz, Lagerungsdichte, C, N) wurde für 4 Tiefenstufen bis 1 m Tiefe bestimmt. Daraus wurden mittels der Software Hypres die Bodenparameter, die die Wasserretention und die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit bei verschiedenen Bodenwasserdruckpotenzialen gemäß dem van Genuchten-Mualem-Modell beschreiben, berechnet und als Input für die Richards Gleichung in Daisy verwendet.
Zur Überprüfung der Anpassungsgüte wurden neben der optischen Überprüfung objektive Maße genutzt (RMSE, R2, Nash-Sutcliffe).
Die Sensitivitätsanalyse zeigte, dass eine 10-prozentige Änderung des Gehalts an organischer Substanz (Humus) und des C/N-Verhältnisses die simulierte Nitratauswaschung erheblich beeinflusst, während die photosynthetische Leistung der Blätter und die photosynthetische Quanteneffizienz (Fm und QEff) sowie die vegetativen und reproduktiven Entwicklungsraten (DSRate1 und DSRate2) die simulierten Ernteerträge beeinflussen.
Ergebnisse:
Die Modelle der Erträge sowie der Wasserausträge zeigten bei der Betrachtung aller Werte recht genaue Simulationen (Erträge: Kontrolle RMSE: 0,49 dt/ha, hoch gedüngte Variante RMSE: 1,81 dt/ha, Wasserausträge: RMSE: 13-20 mm/Monat).
Mit diesen Parametrisierungen wurden Aspekte des Klimawandels mit Auswirkungen auf Erträge, Sickerwasser- und Nitratausträge modelliert:
Variante 1: Veränderung des Niederschlagsmusters mit Erhöhung der Winterniederschläge um 16% und Verringerung der Sommerniederschläge um 10% im Vergleich zu den Originalbedingungen,
Variante 2: Veränderung des Niederschlagsmusters mit Erhöhung der Winterniederschläge um 16% und Verringerung der Sommerniederschläge um 10% sowie Erhöhung der Jahresmitteltemperatur um 3.9 Kelvin.
Variante 3: Erhöhung der Jahresmitteltemperatur um 3.9 Kelvin und Simulierung von Nässe im Hochwinter (Dezember 100%, Januar 138%, Februar 110%) und Trockenheit im Frühsommer (März 110%, April 100%, Mai 90%, Juni 75%, Juli 95%).
Variante 4: Erhöhung der Jahresmitteltemperatur um 1.1 Kelvin ohne Änderung der Niederschlagsverteilung im Jahresverlauf.
The properties of root systems are of high importance for the efficient exhaustion of soil resources in crop production. Root growth is primarily influenced by assimilate production of the shoot, soil conditions but also by resource availability, specifically water and nutrients. The goal of this study was to evaluate the effects of different cover crops on root development and water uptake of succeeding maize plants using both, field experiments and simulation models.
Root parameters, yield data and soil moisture have been monitored during the maize growing periods 2021 and 2022 at the experimental farm Hohenschulen of Kiel University on a Luvisol with loamy sand texture. Variation in maize development was induced by different pre-crop effects of winter cover crops as monocultures and mixtures. The selected cover crops differed in their rooting characteristics and depth. Root length density was measured in the field via soil cores. Root systems were mapped - using a 2D-method at soil profile– to calculate the catchment area of each maize root (Böhm (1976), Kohl et al. (2007)). Soil moisture was monitored weekly until a depth of 1.60 m over the whole season with the Sentek Diviner System. Further canopy parameters, such as green area index, dry matter accumulation and nitrogen uptake were calculated from spectral reflection data obtained from intermediate harvests and by UAV-based multispectral data.
First results showed, that there was no significant effect of cover crops on the yield of silage maize. Furthermore, beside some indications for an altered root distribution after different cover crops, no significant effect of cover crops on the maize water uptake was observed. In further steps, a water uptake model will be developed on basis of the collected data. The assumption will be based on the work of Kohl et al. (2007) and Gardner (1960).
References
Böhm, W. (1976): In situ estimation of root length at natural soil profiles. In: The Journal of Agricultural Science 87, 365–368.
Kohl, M., Böttcher, U., Kage, H. (2007): Comparing different approaches to calculate the effects of heterogeneous root distribution on nutrient uptake. A case study on subsoil nitrate uptake by a barley root system. Plant Soil 298, 145–159.
Gardner, W.R. (1960) Dynamic aspects of water availability to plants. Soil sci 89:63 – 73
Quantifying root systems and their distribution is essential to facilitate the study of root interactions in soils. However, there is no standardized method for discerning the roots of individuals in plant communities. Previous reports propose the multi-color staining of plant roots as a promising solution.
This approach was tested in course of this study using tomato (Solanum lycopersicum, “Cherrola”) and maize (Zea mays, wildtype, inbred line B73). The plants were grown in rhizoboxes to enable observation of the root system. Three treatments with two plants per rhizobox were distinguished: (1) double-planted tomato, (2) double-planted maize and (3) one tomato and one maize plant. Approximately three weeks after planting, stems were cut, and dyes of different colors were pressure injected. Each rhizobox was divided into 9 blocks, and the root length of each plant was determined in the blocks.
The roots of tomato were dyed well, so it was easy to allocate them to the corresponding plant. However, for maize there was some uncertainty as the root system was not completely stained. The results for double-planted tomato illustrated that at the intermediate position between the plants, each tomato contributed nearly 50 % of the total root length. On the left side dominated the left plant and on the right side respectively the right plant. Double-planted maize showed a less distinct trend, due to the less successful staining. When tomato and maize were planted together, tomato clearly dominated. In this treatment tomato also possessed a higher root length and shoot dry weight compared to the double-planted tomato. In contrast, maize plants grown next to each other revealed higher growth compared to these planted next to tomato.
Our results indicate that the staining of plant roots has the potential to discern rooting patterns of neighboring plants. Yet, we also address important limitations and difficulties that should be taken into account before application.
Bei Pflanzenwachstumsexperimenten unter kontrollierten Bedingungen, z. B. in einer Klimakammer, wachsen die Pflanzen in der Regel in Gefäßen einer gewisser Größe. Die Abmessungen (Durchmesser und Höhe) dieser Gefäße hängt meist von der Wachstumsdauer der Pflanzen und dem verfügbaren Platz in der Klimakammer ab. Bei kleinen Säulen können mehr Pflanzen gleichzeitig verwendet werden und der Ressourcenverbrauch – insbesondere des Bodens - ist geringer. Wenn bildgebende Verfahren wie Röntgen-CT zur Visualisierung und Quantifizierung des Wurzelwachstums eingesetzt werden, ermöglichen kleine Töpfe zudem eine höhere Auflösung der Bilder und damit eine bessere Erkennungsrate von Feinwurzeln mit geringen Durchmessern. Je kleiner die Töpfe sind, desto größer ist jedoch die Abweichung der Wachstumsbedingungen im Vergleich zu Feldbedingungen hinsichtlich des verfügbaren Bodenvolumens zur Ausprägung der Wurzelsystemarchitektur.
Dies wirft die Frage auf, welche Gefäßgröße einen sinnvollen Kompromiss darstellt und inwieweit die Größe selbst einen Einfluss auf das Wachstumsverhalten der Pflanzen hat. Bisherige Studien zu dieser Fragestellung beziehen sich größtenteils nur auf die oberirdische Biomasse. Ziel dieser Arbeit ist es daher, den Einfluss der Topfgröße sowohl auf die Ausprägung der Wurzelsystemarchitektur als auch die Entwicklung der oberirdischen Pflanzenorgane zu untersuchen. Hierfür werden zwei Genotypen von Gerste (Hordeum vulgare; BERE („Landrasse“) und CONCERTO („moderne Elite“)) verwendet, die sich grundsätzlich in ihrem Wachstumsverhalten unterscheiden. Es soll gezeigt werden, ob diese Unterschiede in allen Gefäßgrößen erkennbar sind und wie stark sie von der Gefäßgröße abhängig sind. In allen Gefäßen kommt das gleiche sandige Substrat zum Einsatz. Die verwendeten Durchmesser der Gefäße betragen 2,8 cm, 5,0 cm, 7,0 cm und 9,8 cm, bei identischer Höhe (23 cm). Dies entspricht einem Bodenvolumen von 142 cm³, 452 cm³, 885 cm³ und 1735 cm³. Die Wachstumsdauer beträgt 21 Tage unter kontrollierten Bedingungen (12/12h bei 22/18°C).
Die Reaktion der Wurzeleigenschaften auf die unterschiedlichen Bodenvolumina wird als Wurzelplastizität interpretiert. Unterschiede in der Reaktion zwischen den Genotypen als unterschiedliche Fähigkeit das Wurzelsystem plastisch an die Gegebenheiten anzupassen. Die Daten dienen außerdem als Grundlage zur 3D-Modellierung der Boden-Pflanze-Interaktion.
Plants are expected to suffer increasing water stress due to climate change. Roots are the primary site of water uptake by plants, yet their connection with the soil is still poorly understood. As the soil dries, the liquid-phase continuity is put in danger by root shrinking. The formation of gap between the root and the soil might trigger a premature limitation of root water uptake.
Recent measurements revealed at which water potential roots lose contact with the soil. Here, we show that this critical water potential is not unique, but it depends on soil properties, such as soil particle size and porosity, and root properties, like root hair density and mucilage production.
We identified and quantified the adhesive forces that hold soil in contact with the root, counteracting the root shrinkage caused by decreasing water potential and cells losing turgor. Our analysis considers root hairs, capillary forces and mucilage elastic properties. Thresholds of gap formation at the root-soil interface are identified for varying soil particle size and porosity and for varying root hair density and mucilage elastic properties.
We show that considering soil properties is essential in the study of root-soil contact dynamics to better characterize the hydraulic continuity across the root-soil interface, providing insights on plant response to water limitation.
Background and Aim: Root hairs are a postulated to be a relevant trait in root water uptake. However, little is known on the prerequisite, concerning root hydraulic conductivities, under which root hairs are expected to matter. Here, we introduce a model that investigates the interaction of root hairs with axial and radial conductivity as a root type specific function of maturation and with soil type specific conductivity during soil drying.
Methods: The finite-difference approach based on Ohm’s analogy was used to describe water flow in a single root of each root type of maize (lateral, seminal, brace, crown) in sand and loam. Single roots and the surrounding rhizosphere, including root hairs, are represented at a scale at which hydraulic parameters can be experimentally measured. Literature data were found for hydraulic parameters of each model compartment (soil, xylem, radial root, root hair). Simulations are run at different soil water potentials for each scenario of root hair density and hair shrinkage as a function of soil drying and turnover time. This allows to investigate the overall effect of root hairs and root hair traits for each root type.
Key Results: (1) Root hairs are increasingly relevant at decreasing soil water potentials. (2) Root hairs are more efficient in root water uptake when they are located at lateral roots. (3) The relative effect of root hairs on root water uptake is stronger in sand than in loam. (4) A high root hair density prevents the loss of functionality due to shrinkage at low soil water potentials.
Conclusion: Lateral roots in maize are particularly hydraulically adapted to enable the functionality of root hairs in water uptake. This supports the notion that laterals are a key root type in water uptake. Furthermore, the utility of root hairs depend also on soil and root hair traits, such as shrinkage and density. In conclusion, root hairs could be a relevant trait for root water uptake in soils with unfavorable hydraulic properties such as sand, provided that root hydraulic properties allow it.
Drought events are predicted to become more frequent in consequence to climate change, potentially causing limitations in plant water supply by the soil, which has been shown to be one of the largest impediments to food production worldwide. The flexibility of stomatal regulation allows plants to timely react to water stress to possibly avoid an unfavourable plant water status. Although the coordination between stomatal regulation and aboveground hydraulics has extensively been studied, our understanding of the impact of soil-plant hydraulics in the context of soil drying remains elusive. Therefore, we investigated the response of 48 contrasting maize (Zea mays L.) genotypes to soil drying, utilizing a novel phenotyping facility. We measured the relationship between leaf water potential, soil water potential, soil water content and transpiration, as well as root, rhizosphere and aboveground plant traits. We found that genotypes differed in their responsiveness to soil drying. The critical soil water potential at which plants started decreasing transpiration was related to a combination of above- and belowground traits: genotypes with a higher maximum transpiration and plant hydraulic conductance as well as a smaller root and rhizosphere system closed stomata at less negative soil water potentials (i.e. in wetter soil conditions). With the help of a soil-plant hydraulic model, we show that those traits impact the development of water potential gradients around the roots, i.e. the belowground hydraulic conductance during soil drying. Thereby, our results demonstrate the importance of belowground hydraulics for stomatal regulation and hence drought responsiveness during soil drying. Furthermore, this finding supports the hypothesis that stomata start to close when hydraulic conductivity drops at the root-soil interface.
Steigende Energiepreise sowie die zunehmende Verknappung an Ressourcen führten im letzten Jahr zu deutlich gestiegenen Mineraldüngerpreisen. Das Thema des Nährstoffrecyclings und der Kreislaufwirtschaft gewinnt dadurch zusätzlich an Bedeutung und bereits im letzten Jahr hat sich dies in einer gestiegenen Nachfrage nach organischen Düngern wiedergespiegelt.
Organische biobasierte Dünger sind aber auch für die Kohlenstoffspeicherung im Boden von Bedeutung sowie für das Bodenleben und wichtige Bodenfunktionen. Das Spektrum an möglichen organischen Düngern ist breit und seit 2021 werden in einem Praxisversuch 7 organische Dünger (Bioabfallkompost, gemischter Gärrest aus Schweinegülle, Hühnermist und 74% NaWaRo, Gärrest aus Schweinegülle, Grünschnittkompost, Hühnertrockenkot, Klärschlamm, Klärschlammkompost) im Vergleich zu einer Mineraldüngervariante und einer Strohvariante hinsichtlich ihrer Düngewirkung und Schadstoffeinträgen in einem Feldversuch untersucht. Die Ausbringung der Dünger orientiert sich an den zulässigen Höchstgrenzen für Stickstoff (N) bzw. Phosphor und das jeweils andere Element wird über mineralische Düngung ausgeglichen, so dass alle Plots die gleichen Mengen an Stickstoff und Phosphor erhalten.
Die Fruchtfolge umfasste bislang Mais (2021), Winterweizen (2022) und Raps (2023) und Ertragsunterschiede waren in der Strohvariante zu erkennen, da Stroh während der Zersetzung zunächst Nährstoffe bindet, was zu einem geringeren Ertrag führte. Bei relevanten Parametern wie dem Humusgehalt im Boden, der Wasserhaltekapazität oder dem Bodenleben sind signifikante Effekte erst zu einem späteren Zeitpunkt zu erwarten.
Die ersten drei Versuchsjahre zeigen, dass mit der organischen Düngung vergleichbare Erträge erzielt werden wie mit mineralischer Düngung. Tendenziell ist zu erkennen, dass der Raps 2023 bei Herbstdüngung mit Klärschlammkompost und mit gemischtem Gärrest besonders gut auflief, während die Pflanzendichte bei Düngung mit Grünschnittkompost am geringsten war. Dies lässt sich über den Anteil an pflanzenverfügbarem N erklären, der beim Grünschnittkompost deutlich geringer war als im Klärschlammkompost oder dem gemischten Gärrest.
Am Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) wurden seit 2016 auf der Lysimeterstation in Paulinenaue „Musterbetriebe“ für die Wassereinzugs-gebietsbewirtschaftung unter Grünland angelegt. Verglichen wurden organische Düngungsvarianten des ökologischen Landbaues mit mineralischen Düngungsvarianten des „konventionellen“ Landbaus mit und ohne Nitrifikationshemmer. Die Versuche wurden 2016 mit jeweils vierfacher Wiederholung gestartet. Insgesamt umfasste der Versuch 20 monolithische Grundwasser-Lysimeter mit einer Oberfläche von einem Quadratmeter und einer Tiefe von 1,5 m. Die drei ausschließlich mit Wirtschaftsdüngern gedüngten Varianten des Ökolandbaues wurden mit Bakterienzusätzen (B. azospirillum und B. subtilis) und gänzlich ohne Zusätze von Mikroorganismen durchgeführt.
Die Düngung wurde zunächst einheitlich auf 150 kg N/ha beschränkt. Ab 2018 wurde die N-Düngung verdoppelt. Die Bilanzen umfassten die Zufuhr mit Düngern und Zuflusswasser sowie die Entzüge mit dem Erntegut und Abfluss mit dem Sickerwasser. Wie in den Abbildungen 4 und 5 dargestellt ist, waren bei einer Düngehöhe von 150 kg N/ha die Stickstoffbilanzen alle deutlich negativ. Hierbei zeigten die konventionellen Varianten ertragsbedingt deutlich negativere N-Salden, als die Varianten des Ökolandbaus. Selbst in der zweiten Hälfte der Versuchslaufzeit mit einer Düngung von 300 kg N/ha, waren die konventionellen Varianten noch negativ, was in einer besseren N-Verfügbarkeit und höheren Erträgen begründet lag. Der N-Austrag über Sickerwasser war insgesamt mit weniger als 1mg/ltr vernachlässigbar gering (Ammonium + Nitrat). Auch wenn Düngungshöhen von 300 kg N/ha im Ökolandbau praktisch keine Relevanz besitzen, kann die hohe Verwertungseffizienz von Düngergaben im Grünland daran aufgezeigt werden.
The formation and turnover of soil organic matter (SOM) includes the biogeochemical processing of the macronutrient elements nitrogen (N) and phosphorus (P), which alters their stoichiometric relationships to carbon (C) and to each other. We sought patterns among soil organic C, N, and P in data from about 500 samples from the forest soil data base of the Swiss Federal Research Institute WSL comprising a representative selection of forest soil types of our country, covering all soil horizons.
As for a global data set published earlier (Tipping et al. 2016), strong negative correlations were found between N:C and P:C ratios on one hand, and % organic C on the other hand, showing that SOM of soil samples with low organic C concentrations (high in mineral matter) is rich in N and P. Overall, the enrichment of N with decreasing C concentrations in the Swiss data set was equal to the one in the global data set while P enrichment was a bit stronger relative to both C and N. We then inspected the Swiss data set for systematic deviations of the enrichment patterns in specific soil types and pedogenetic horizons. P enrichment relative to C and N was stronger in acidic than in carbonate containing samples, whereas N enrichment relative to C was similar in both groups of soil samples. N and P enrichment relative to C was weak in well-drained soils and soil horizons, while it was strong in groundwater affected soils, most prominently in soil horizons with a fluctuating water table, and in soil horizons with clay enrichment. These findings are consistent with transport of fresh nutrient-poor litter-derived organic matter to greater soil depth in well drained soils such as podzols, and the formation of particularly strong sorption sites in the aforementioned soil horizons. P enrichment relative to N was particularly strong in Cambisols, and generally in acidic A and B horizons, which may be explained by the high abundance of positively charged sorption sites in acid soil horizons.
Overall, our analysis corroborates the assumption of preferential stabilization of nutrient-rich organic matter by binding to strongly sorbing mineral surfaces with progressing pedogenesis. It further provides soil-type specific constraints to models of carbon turnover and nutrient dynamics in soils of temperate zones.
Tipping, E., Somerville, C.J., Luster, J. (2016). The C:N:P:S stoichiometry of soil organic matter. Biogeochemistry 130: 117-131.
Praxisprojekt DaLeA: Die europäische Kommission hat mit dem „European Green Deal“ ehrgeizige Ziele formuliert. Bei der Umsetzung des „Green Deals“ kommt der europäischen Landwirtschaft eine zentrale Rolle zu. Es wird angestrebt, den Einsatz von Pestiziden und damit deren Schadwirkung bis 2030 um 50% zu reduzieren. Zudem sollen die Nährstoffverluste bei gleichzeitiger Beibehaltung der Bodenfruchtbarkeit um 50% verringert werden. Bis 2030 ist eine Reduktion des Düngemitteleinsatz um mindestens 20% geplant.
Zur Umsetzung dieser Ziele im Kontext der zunehmend herausfordernden klimatischen Bedingungen müssen neue landwirtschaftliche Produktionssysteme erprobt und entwickelt werden. Ein solches Produktionssystem im Ackerbau könnte durch die Etablierung von Lebendmulchen geschaffen werden.Kern des Anbausystems ist der komplette Verzicht auf Bodenbearbeitung. So werden alle Fruchtfolgeglieder über Direktsaat mittels einer eigens für diesen Zweck angepassten Sämaschine direkt in den im Vorfeld etablierten Klee gesät. Um die Effekte des Anbausystems wissenschaftlich untersuchen zu können, werden auf Schlägen mit unterschiedlichen Fruchtfolgegliedern jeweils eine Variante mit Klee als Lebendmulch und eine praxisüblich bewirtschaftete Variante in gespiegelten Großparzellen verglichen. Zentrale Fragestellungen in den unterschiedlichen Projektphasen sind:
Lässt sich durch Klee als Lebendmulch die Nitratauswaschung verringern und somit eine effiziente N-Düngung in konventionellen Direktsaat-Anbausystemen umsetzen?
Lässt sich durch den Lebendmulch der Einsatz von Herbiziden und anderen Pflanzenschutzmitteln reduzieren?
Welchen Einfluss hat der dauerhafte Lebendmuch auf den Wasserhaushalt im Boden und somit auf die Wasserversorgung der Kulturpflanzen?
Wie wirkt sich der dauerhafte Lebendmulch auf das Mikroklima im Bestand aus und lassen sich Effekte hinsichtlich der CO2-Bilanz feststellen?
Entsteht ein positiver ökonomischer Effekt durch die Etablierung des Lebendmulches und wie ist dieser langfristig zu bewerten?
Zur Erfassung der Nitratgehalte im Boden werden in allen Parzellen monatlich Bodenproben gezogen und im Labor ausgewertet. Ergänzend wird der Stickstoffversorgungsgrad der Kulturpflanzen mittels Messung des Chlorophyllgehaltes (N-Tester) erfasst. Parallel hierzu wird wöchentlich der volumetrische Wassergehalt durch eigens hierfür installierten Messsonden bis in eine Tiefe von ca. 1m bestimmt.
Weitere Informationen: www.dalea.blog
Of all nutritional elements essential for plants, animals and humans, phosphorus (P) is one of the most limited resources worldwide, available approx. for the next 300 years. Large amounts of P are currently released into the environment in a non-reversible diffuse distribution, causing severe eutrophication of water bodies. Germany is characterized by a strong misdistribution of P resulting in high surpluses in areas with high livestock and biogas plant densities, and fertilizer deficits in other intensive cropping regions. Large amounts of P contained in sewage sludge and kitchen waste are not reused for primary production but dumped. The recycling potential for P in Germany, including organic fertilizers, P in sewage sludge and other waste materials, is huge. In an estimate of changes in P use and losses in the food chain of China from 1950 to 2010, more than 50% of excreted P was lost to the environment. The greatest losses were due to the direct discharge of manure into water bodies or landfills. The current fate of P can therefore be considered as an open cycle where P is supplied by mining, and fertilizer and food/feed additive production followed by different steps of P utilization including crop production, animal feed, human food, and conversion of biomass to energy and raw materials, with severe losses in each compartment.
In an interdisciplinary system-oriented approach, thirteen complementary research groups at the China Agricultural University (CAU) and the University of Hohenheim investigate (1) the genetic potential of maize populations and mechanisms of their ability to adapt to limited phosphate supply, (2) maize cultivation under limited phosphate supply at field scale, (3) mechanistic interactions of related products with their utilization in human and animal nutrition, and phosphate recovery by biomass conversion. (4) An economic evaluation is done at plot, farm, region and sector levels, including market effects. Joint central field experiments in China and Germany allow for complementary and comparative analyses.
The Sino-German International Research Training Group (IRTG) AMAIZE-P is co-funded by the German Research Foundation (DFG GRK 2366/1, 2) and the CAU. Twelve doctoral researchers and a post-doc on the German and Chinese sides, respectively, plus several external ones form each three-year cohort. In total, three cohorts will pass through this nine-year programme. This poster gives a general introduction to the IRTG AMAIZE-P.
Die Niedermoore in der Region Berlin/Brandenburg werden seit Jahrhunderten zur Rohstoffgewinnung und landwirtschaftlichen Produktion genutzt. Die verschiedenen dabei angewandten Meliorationsverfahren haben zu einer gesteigerten ökonomischen Nutzung geführt. Jedoch litten infolge dieser Eingriffe der Moorkörper und seine Systemleistung. Die gegenwärtig neuentdeckte Wertschätzung wird der Moore und ihrer Ökosystemleistung wird unter anderem durch deren rechtlichen Schutzstatus deutlich. Die nun angestrebte Vereinbarkeit ökonomischer und ökologischer Aspekte erfordert eine schonendere und nachhaltigere Nutzung der Moore. Dies soll unter anderem durch umweltgerechte Düngung mit ausgewogenem Nährstoffverhältnis erreicht werden, welche sich wiederum am ertragsbedingten Entzug orientiert. In dieser Arbeit wurde die Ertragsleistung von Niedermoorgrünland in Abhängigkeit vom Relief und der damit verbundenen Nährstoffversorgung und dem Grenzflurabstand untersucht. Dafür wurde eine Versuchsfläche ausgewählt, welche als Folge von Sanddeckkulturen einen heterogen ausgeprägten Moorkörper und Relief aufweist. Auf der Untersuchungsfläche wurden Wildsamenmischungen sowie drei Kleesorten als Fräs- bzw. Mulchvarianten hinsichtlich ihres Ertrags untersucht. Dabei zeigte sich eine indirekte Korrelation zwischen der Reliefhöhe und dem Grundwasserstand, was deren Nutzung als Proxy für den Grenzflurabstand nahelegt. Des Weiteren wurde eine indirekte Korrelation zwischen dem Relief, der organischen Substanz und dem Nährstoffgehalt verzeichnet. Der geringere Nährstoffgehalt der höher gelegenen Bereiche wird durch den erhöhten Sandanteil im Boden und den degradierten Moorkörper verursacht. Des Weiteren wiesen Fräsvarianten einen erhöhten Etablierungserfolg der Saatmischungen auf, jedoch stieg ebenso der Mineralisierungsgrad im Vergleich mit den Mulchvarianten, was im Sinne des Moorschutzes zu berücksichtigen wäre.
The mobilization and uptake of highly immobile nutrients, such as phosphorus (P) are not only driven by root morphology, but also by plant-microbe interactions in the rhizosphere, such as symbiosis with arbuscular mycorrhiza fungi (AMF). Soils in the sub-tropics are often P-depleted and have a low P availability. Changing environmental conditions, like drought reduce nutrient availability to a higher extent. To ensure sustainable food production, crops with high efficiency for P mining and drought adaptation mechanisms are required. Therefore, we applied a novel experimental setup, that not only allowed the quantification of different P mobilization mechanisms, but also disentangled the uptake by plants (sorghum) and/or microorganisms. The ‘double-ring pot’, is a system where two layers of hyphae-penetrable but root-impenetrable gauze surround a hydraulic barrier and effectively separate two soil volumes (rhizo-mycosphere and mycosphere). By applying 33P – labelled P sources in both compartments, the contribution to plant P uptake by eighter root-rhizosphere interactions or accurate quantification of AMF’s P mobilization and transport towards the symbiotic partner are feasible. P uptake was measured under well-watered and drought conditions.
The 33P-recovery from the rhizo-mycosphere compartment in root and shoot tissue of sorghum was twofold higher under well-watered than under drought conditions. However, the recovery from the mycosphere compartment was only pronounced under drought, indicating that sorghum- AMF interactions are intensified under stress conditions. These results were confirmed by the 33P-recovery of polar membrane lipids of the soil microorganisms (33P-PLFA), where water scarcity triggered microbial activity in the mycosphere, likely driven by an increased allocation of photo-assimilated carbon by the sorghum plants to their AMF. AMF root colonization rate displayed not to be a suitable proxy for its P mobilization efficiency nor the hyphae extension ability, as plant P uptake from root inaccessible P sources was proven and its potential to enhance microbial activity was of significance under drought conditions, although root colonization was reduced.
In summary, our data suggest that the genetic potential of rhizosphere traits and the exploitation of root-soil-microbiome interaction for P nutrition is far from fully exploited and bears great potential for crop improvement in the tropics.
Efficient utilization of crop residues is an essential part of sustainable crop production. Corncobs serve as feedstock for biochar production through pyrolysis. Besides C stabilization and crop residue recycling, biochar may have beneficial effects on soil microbial activity and accelerate nutrient cycling leading to increased efficiency of applied nutrients, especially phosphorus.
We aimed to improve mechanistic understanding of corncob biochar effects on soil microbial activity and P (im)mobilization under low total application rate, but using a localized band application in close proximity to the seeds (key zone for crop productivity), coupled with classical mineral P fertilization.
Corncobs were transformed to biochar at low-temperature (350 oC) slow pyrolysis (0.2-0.3 oC s-1). From grinded biochar we prepared suspension and mixed it with phosphate solution (as monopotassium phosphate) To simulate “soil-biochar-P” interactions as prevalent in the application band, we set up an incubation experiment on soil collected from a cultivated loamy Luvisol in northern Bavaria.
Four biochar rates (BC0 – no biochar, BC0,5 – 75 kg ha-1, BC1 – 150 kg ha-1, and BC2 – 300 kg ha-1) jointly applied with one P rate (30 kg ha-1) were compared to control soil. Destructive sampling on days 7, 14 and 32 was used to measure soil pH, available phosphorus (resin-extracted), microbial biomass P, C and N (MBP, MBC, MBN by fumigation-extraction method).
Soil pH decreased in all treatments compared to the control, which was mainly attributed to P solution. Biochar, especially in the highest rate (300 kg/ha) mitigated this acidifying effect. Soil acidification may both increase soil P availability and decrease precipitation of applied mineral P.
Biochar application didn’t change the amount of available P in the soil compared to only P applied. This indicates no significant immobilization of phosphorus within the application band.
In the first 7 days MBC and MBN decreased in all treatments compared to control, while the effect of biochar on MBP was not clear. After an initial boost in microbial activity, there was no treatment effect on MBC, MBN and MBP visible after 32 days any more.
We conclude that band application jointly with mineral P fertilizer neither leads to significant abiotic nor biotic (microbial) P immobilization. However, proof of concept, i.e. long-term constant P availability for roots by biochar band co-application requires verification with specific P tracing approaches, e.g. via its radioisotopes.
Denitrification, the reduction of nitrate (NO3-) to nitrous oxide (N2O) and dinitrogen (N2), has been extensively investigated in the rooted zone and especially in the topsoil. In the unsaturated leachate zone below the root zone (deep vadose zone), data are still lacking so far. However, this area is particularly important when estimating nitrate degradation and thus NO3- leaching to groundwater.
In the joint project DeniDrain, NO3- degradation by denitrification in the deep vadose zone is investigated and modeled. For this purpose, 30 typical sites in Germany will be identified using maps and information systems considering the biogeochemical conditions, which are important for denitrification. After a comprehensive characterization, soil monoliths will be sampled from depths between 2 and 25 m (depending on the thickness of the unsaturated zone) at these sites. Using the 15N gas flux method, current denitrification rates are determined in the laboratory. Important factors controlling denitrification, such as NO3-, O2, and DOC concentrations, will be additionally investigated to provide a basis for the mathematical description of denitrification. Based on existing models that take denitrification into account, a model for the subsoil is developed and parameterized using laboratory data. The new model will also provide a site-specific assessment of nitrate degradation. Nitrate degradation in the deep vadose zone will be regionalized and presented in the form of overview maps using the model and data from the BÜK1000 soil map and other geospatial information. The project set-up and research aim’s will be presented.
Im Rahmen des Projektes „LaNdwirtschaft 4.0 – Ohne chemisch synthetischen PflanzenSchutz (NOcsPS)“ soll ein neues Anbausystem entwickelt und analysiert werden. Im Vergleich zum konventionellen Anbau wird im Falle des Winterweizens von Drillsaat auf Gleichstandsaat umgestellt. Die resultierende geringere Bestandsdichte hat eine reduzierte, angepasste N-Düngung zur Folge. Ebenfalls wird chemisch-synthetischer Pflanzenschutz durch mechanischen Pflanzenschutz ersetzt. Die geänderten Bewirtschaftungsmaßnahmen können maßgebliche Steuergrößen der Freisetzung des klimarelevanten Spurengases Lachgas (N2O) in Böden beeinflussen.
Vor diesem Hintergrund wurde ein Parzellenversuch auf einer Parabraunerde nahe Hohenheim angelegt, um den Einfluss sämtlicher im Vergleich zum konventionellen Anbau geänderten Bewirtschaftungsmaßnahmen zu bewerten. Zusätzlich wurde in dem Versuch eine Kontrolle ohne N-Düngung etabliert, sowie Maßnahmen die zur N2O-Minderung geeignet sein könnten (CULTAN-Verfahren, Nitrifikationsinhibitor) getestet.
Seit März 2022, kurz vor der ersten Düngung des Winterweizens, wurden die N2O-Emissionen sowie Steuergrößen (NO3- und NH4+-Gehalte, Bodenfeuchte und -temperaturen, Wetterdaten) mindestens wöchentlich bestimmt. Die Messungen laufen noch bis Ende März 2023. Ebenso wurden die Erträge sowie die C- und N- Gehalte des Aufwuchses bestimmt.
Erste Auswertungen der N2O-Flussraten zeigen, dass die Saattechnik (Drillsaat vs. Gleichstandsaat) keinen Einfluss auf die N2O-Emissionen hatte. Die ungedüngte Kontrolle wies mit Abstand die geringsten N2O-Emissionen auf, somit kann der N-Eintrag als maßgeblicher Einflussfaktor gedeutet werden. In den Varianten mit mechanischer Unkrautbekämpfung ließen sich erhöhte N2O-Emissionen nach Hackeinsatz beobachten. Die höchsten N2O-Emissionen konnten beim CULTAN Verfahren nachgewiesen werden, während bei Einsatz von Nitrifikationsinhibitor eine deutliche N2O-Minderung beobachtet werden konnte. Auf dem Poster sollen die bis zur Tagung vollständig ausgewerteten Daten des Versuchs gezeigt werden.
Increasing extreme events and drastic shifts in the variability, intensity and frequency of droughts, heavy precipitation and frost are predicted to accompany further climate change. It is most likely that an increasing occurrence of such events will be accompanied by soil feedback of GHG emissions, particularly nitrous oxide (N2O) which is known to be an extremely sensitive GHG. The increase in extreme events can lead to an increased occurrence of short-term emission pulses, referred to as ‘hot moments’, which can contribute significantly to the total annual N2O emission balance.
To account for this potential feedback to the climate system, biogeochemical models driven by climate projections of multi-model ensembles (CPM) can be used to generate scenarios observing future trends in N2O emission behavior.
Most commonly, the CPM average is used as climate input in biogeochemical models. While averaging CPM’s may provide the best overall comparison with real mean climate change, it poses the risk of ‘averaging out’ expected extreme events, thereby biasing soil-atmosphere feedbacks and future N2O emission trends!
We follow the hypothesis, that, for nitrogen-saturated soils as common in industrialized countries, the annual N2O emissions simulated by the averaged CPM differ from the average annual N2O emissions simulated by the individual CPM’s, as hot moment inducing extreme climate events are averaged as well.
For our biogeochemical model simulations, we used weather data from ten selected individual climate-projections based on the multi-model ensemble of the EURO-CORDEX initiative. To focus on the effects of climate and to exclude possible biases, remaining input parameters were unified, i.e., homogeneous soil horizons and a single crop rotation were assumed. In addition, each simulation period/management period was initialised with the same parameters to exclude possible changes in fluxes resulting from soil carbon and nitrogen cycling.
First results with CANDY and LDNDC seem to support our hypothesis, showing that annual N2O emissions simulated with the averaged CPM differ clearly from those resulting from the output mean of the individual CPM’s.
This emphasises to consider using the averaged output based on individual CPM’s rather than relying solely on averaged CPM’s for predicting future N2O emission trends.
Soil erosion is one of the main causes of nutrient losses in agriculture and can lead to environmental pollution as it alters the turnover of SOM (Behre et al. 2018). Little is known about the effects of soil erosion status on N transformation processes and gaseous N losses, although most N in soils is in organic forms.
To quantify the effect of soil erosion on N dynamics (mineralization, immobilization) and gaseous N losses (N2O, N2), a short-term 15N-tracer experiment was conducted under controlled conditions. Three erosion states were simulated by mixing different amounts of topsoil (Ap horizon) with subsoil material (Bt horizon) from a Nudiargic Luvisol. The soil was mixed with NH4NO3 at a rate of 50 kg N ha-1, containing either 15N-labelled NO3- or NH4+ (50 at.%). To determine the impact of plant presence on different erosion conditions, half of the pots were planted with maize seedlings (Zea mays). We recorded almost all N fluxes by regularly sampling shoots, roots and soil throughout the 7-day-incubation. Additionally, N2O were determined automatically by a gas chromatograph and N2 losses by isotope ratio mass spectrometry.
In the presented experiment, 15N mass-balancing is combined with the 15N gas flux method (Well et al. 2019) and 15N dilution / enrichment techniques (Müller et al. 2007; Rütting et al. 2011) to obtain a comprehensive understanding of N dynamics and N losses in eroded soils. First results will be presented.
References
Berhe, A.A., Barnes, R.T., Six, J., Marín-Spiotta, E. (2018): Role of Soil Erosion in Biogeochemical Cycling of Essential Elements: Carbon, Nitrogen, and Phosphorus. Annu Rev of Earth and Planet Sci 46, 521-548.
Müller C., Rütting T., Kattge J., Laughlin R.J., Stevens R.J. (2007): Estimation of parameters in complex 15N tracing models by Monte Carlo sampling. Soil Biol Biochem 39, 715–726.
Rütting, T., Huygens, D., Staelens, J., M., Müller, C., Boeckx, P. (2011): Advances in 15N tracing experiments: new labelling and dataanalysis approaches. Biochemical Society Transactions 39, 279–283.
Well R., Burkart S., Giesemann A., Grosz B., Köster J.R., Lewicka‐Szczebak D. (2019): Improvement of the 15N gas flux method for in situ measurement of soil denitrification and its product stoichiometry. Rapid Commun Mass Spectrom 33, 437–448.
Fertilizer derived ammonia (NH3) emissions affect environment, climate and human health and concomitantly reduce nitrogen use efficiency in crop production. Against this background, the reduction of ammonia losses along with the use of synthetic nitrogen fertilizers has gained importance. Reliable and representative measurements for typical field conditions as well as for potential mitigation options are needed to derive realistic emission factors as a basis for recommendations to both, policy makers and farmers. However, to date there is a lack of data on simultaneous comparative evaluation of synthetic fertilizers in multiplot measurements for the assessment of fertilization strategies and mitigation options.
Our study focuses on the most common synthetic nitrogen fertilizers in Germany, i. e. urea, calcium ammonium nitrate, ammonium nitrate urea solution, ammonium sulphate urea and evaluates different mitigation options for ammonia emissions, such as (i) choice of nitrogen form, (ii) use of urease and nitrification inhibitors and (iii) fertilizer injection. Combinations of different sensors (e. g. acid traps, dynamic chamber method, laser-based techniques) and flux calculation approaches (e. g. Integrated Horizontal Flux, backwards Lagrangian stochastic (bLs) modelling, eddy covariance) were tested and cross-validated on different spatial scales (small scale multi-plots, field scale) to accurately quantify ammonia emissions.
In 2020 and the following 3 years a set of coordinated field trials was implemented in winter wheat, comprising 10 sites across Germany and covering different climatic regions and soil types. Measurements were carried out after each of the three fertilizer applications per year for several weeks. Our results show that ammonia emissions differ between treatments and sites, where lowest emissions were recorded in the calcium ammonium nitrate treatment. Different mitigation options (i, ii, iii) and their effect size as well as the derivation of new, site-differentiated emission factors for emission reporting will be discussed.
Phosphor (P) ist ein notwendiger und nicht substituierbarer Nährstoff für Pflanzen. Die moderne Landwirtschaft ist daher auf mineralische P-Dünger und P aus Wirtschaftsdüngern angewiesen. Gleichzeitig wird eine weltweite Verknappung der endlichen Phosphatgesteinen und damit eine Begrenzung der mineralischen P-Dünger für die zukünftige landwirtschaftliche Produktion prognostiziert. Dennoch sind 71% der weltweiten Ackerböden mit Phosphor überversorgt, was zu einem hohen Risiko für diffuse Phosphorverluste führt (Fischer et al. 2017). In Deutschland werden 50% der P-Verluste der Landwirtschaft zugeschrieben (Nieder et al. 2010). Allein die Erosion durch Wasser macht mehr als 50% der gesamten P-Verluste aus der Landwirtschaft aus. Dies kann zu zunehmender Gewässereutrophierung führen und infolgedessen zu einer verringerten Gewässerqualität (Alewell et al. 2020), die gemäß der WRRL zu vermeiden ist.
In der Ökobilanzierung landwirtschaftlicher Produktionssysteme wird seit Jahren die Bedeutung von Feldemissionen und deren Umweltauswirkungen wie globale Erwärmung oder Eutrophierung hervorgehoben (Henryson et al. 2020). Es gibt zahlreiche Hinweise, dass Feldemissionen durch regionale Merkmale wie Boden und Klima beeinflusst werden (Mathivanan et al. 2021). Yang et al. (2018) zeigen, dass eine räumliche Differenzierung in der Sachbilanz zu einem zwei- bis vierfachen Unterschied in den Ergebnissen für die meisten Wirkungskategorien einer Ökobilanz führt. Um die Auswirkungen genauer zu quantifizieren, ist es daher sehr wichtig, diese regionalen Einflüsse zu berücksichtigen. Für andere Feldemissionen liegen bereits umfangreiche Untersuchungen zu deren regionalen Einflüssen vor. Für P-Emissionen gibt es nur wenige Ansätze.
Mit dieser Studie wird daher eine Analyse für regionalspezifische Bodenerosion unter Verwendung frei zugänglicher Daten sowie zur Abschätzung der daraus resultierenden P-Emissionen des Pflanzenbaus in Deutschland vorgestellt. Anhand einer Fallstudie wird der Einfluss der Regionalisierung der berechneten P-Emissionen auf die Gewässereutrophierung aus landwirtschaftlichem Anbau demonstriert.
Der vorgestellte Ansatz konnte regionale Merkmale und landwirtschaftliche Bewirtschaftungspraktiken widerspiegeln, sodass regionale Unterschiede bei der Bodenerosion sowie bei den P-Emissionen identifiziert wurden. Ein Vergleich zwischen generisch ermittelte P-Emissionen und einer regionalen Auflösung zeigt eine 60-116% Überschätzung bei der generischen Anwendung.
The increasing trends of ammonia (NH3) emissions entering into the atmosphere is a huge concern at the international level. One of the main sources of NH3 is intensive animal husbandry. In the animal husbandry, 83-91% of ammonia is released into the environment from the total emission on land (i.e., about 8-9 million tons per year).
Gaseous NH3 reacts with sulfuric acid, nitric acid and hydrochloric acid to form an ammonium salt, which increases the concentration of PM 2.5 particles as an atmospheric pollutant. Ammonia released into the atmosphere can re-enter into farmland and natural ecosystems through dry and wet deposition, which increases nitrogen content in soil and water, leading to eutrophication, which leads to changes in plant species and to the extinction of some other species.
On the other hand, the volatilization of ammonia from livestock manure results in loss of ammoniacal nitrogen, resulting in reduced manure quality, and agricultural systems often require supplemental nitrogen supplementation with mineral nitrogen fertilizers.
Currently, there are several methods for determining ammonia volatilization from farmland. These moths mainly include two types: indirect and direct measurement techniques. The present work discusses the main principles, methods of operation, as well as advantages and disadvantages of these methods. The results of previous authors' researches were analyzed and summarized in detail. After comparing the similarities and differences among the various methods, the principal aim of our study was to develop a system to estimate ammonia volatility over 24 hours, and verify its reliability using the wind tunnel method.
Date revealed an error of results among the wind tunnels of +/- 0.3 mg/L NH4. The concentration of NH4 was determined by a TACAN device according to established standards. The ammonia removal from the test sample was 159 mg in 24 hours, which corresponded to 144 mg NH3 of the standard; thus the difefrence was only 15 mg, of which might be tthe ammonia being evaporated during the technical sealing of the wind tunnels. The outcome of the study was considered acceptable, and the results will help to improve the reliability of the data for estimated emissions of ammonia from soils of different structures at different temperatures further in the future.
Key words: Ammonia, method, wind tunnel
Die Düngung mit Harnstoff und harnstoffhaltigen Produkten ist mit dem höchsten Risiko von Ammoniak (NH3)- Emissionen unter allen synthetischen Düngemitteln verbunden. Verschiedene Maßnahmen zur Reduktion dieser Emissionen wie Anwendung von Ureaseinhibitoren und Einarbeitung werden diskutiert und bereits implementiert. Neben variabler Reduktion der NH3-Emissionen ist vor allem die Quantifizierung der Wirkung dieser Maßnahmen auf Treibhausgasemissionen mit hohen Unsicherheiten verbunden.
In zwei miteinander verknüpften Inkubationsversuchen wurde die Wirkung der linienhaften Einarbeitung (‚Einschlitzen‘ in 7 cm Tiefe) von Harnstoff und dessen Behandlung mit Ureaseinhibitor (2-NP) allein und in Kombination mit einem Nitrifikationsinhibitor (3-MP) auf Ammoniakemissionen und Treibhausgasemissionen (N2O, NO, CO2) untersucht. In beiden Versuchen wurde ein humoser Sandboden (Ap) bei 15°C, 70% FK und einer Rückverdichtung auf 1.4 g/cm³ verwendet. Bei der Ammoniakmessung (2 Wochen Dauer) wurden Kleingefäße (500 ml) mit ca. 300 g Boden gefüllt und dann die Ammoniakemission bei einer Luftaustauschrate von 15 Volumen/Minute durch Auffangen des Ammoniaks in Waschflaschen quantifiziert. Treibhausgase wurden in schwach durchströmtem (20 ml/Minute) Gefäßen (4 l, befüllt mit 2.5 kg Boden) erfasst (10 Wochen). Zur Aufklärung des N2O Emissionsprozesses wurden eine Nitritzwischenbeprobung vorgenommen und Gasproben zur Erfassung der 15N-Isotopensignatur erfasst.
Das Einschlitzen reduzierte die Emissionen am stärksten (-78%), während beide Behandlungen mit Ureaseinhibitor die Emissionen um ca. 40 % verringerten. Das Einschlitzen hatte über die gesamte Inkubationszeit geringere N2O Emissionen zur Folge als die anderen Varianten. Nach Ablauf der Wirkung des Nitrifikationsinhibitors erreichten die Gesamt-N2O Emissionen dieser Varianten dasselbe Niveau wie Harnstoff und Harnstoff mit Ureaseinhibitor, welche sich nicht unterschieden. Die Maßnahmen zur Reduktion von NH3-Emissionsreduktion nach Harnstoffdüngung hatten hier also keine erhöhten THG Emissionen zur Folge. Die Isotopenanalyse zeigte Unterschiede im Prozessgeschehen der verschiedenen Varianten. Prozesse und die Bedeutung für das agrarökologische Dünger-Management werden diskutiert und in den Kontext weiterer Inkubationsversuche gestellt.
Since ammonia has numerous negative impacts on the environment and human health the European Union has set the National Emission Ceiling (NEC) as an objective for the member states to reduce their emissions. Despite great efforts, Germany has only partially succeeded in reducing ammonia emissions over the last 30 years. The calculation of the emissions is based on emission factors (EF) which have changed numerous times over the last two decades. The EFs for different nitrogen-containing fertilizers depend on climate and soil pH. Because emissions only occur when ammonia is leaving the canopy and enters the atmospheric boundary layer, the crop and its growth stage are factors that influence the actual emissions, but there is only one EF for different crops and growth stages. Considering that winter wheat, the most important arable crop in Germany, can take up ammonia through its stomata there is likely a difference between the emissions that are calculated and the actual emissions at different growth stages due to reabsorption in the canopy of ammonia emitted at soil level. Earlier studies showed that this reabsorption is likely to occur in different field crops like wheat, tomato, coffee and grass-clover mixture. Since there are no recent studies available for winter wheat in Germany, this study was conducted within the NH3 Min research project.
To estimate the reabsorption of ammonia by winter wheat, the 15N enrichment technique was used. A solution of 15N enriched ammonium sulfate was applied in containers open on the upper side between the rows of a winter wheat crop so that the 15N could only be taken up by the wheat via ammonia absorption whereas uptake over the root was disabled. To enforce a uniform ammonia release from the ammonium sulfate solution, a sodium bicarbonate buffered sodium hydroxide solution (adjusted at pH 9) was added. Covering a total period of three days, the solution was exchanged every 24 hours. The total amount of simulated ammonia emission over these three days corresponded to a loss of 5 and 12.5 kg N ha 1. After three days the wheat plants were cut and analyzed for its 15N concentrations. To assess the influence of the growth stage on ammonia reabsorption, the experiment was carried out during stem elongation and flowering of the wheat.
Der Einsatz von organischen Düngern im Ackerbau kann potenziell dazu beitragen Nährstoffkreisläufe zu schließen, da im Gegensatz zu den meisten Mineraldüngern keine energieintensive Synthese oder Aufbereitung erforderlich ist. Der Anfall von org. Dünger ist regional unterschiedlich und naturgemäß in Regionen mit hohen Viehbesatzdichten und vielen Biogasanlagen am höchsten. In Ackerbauregionen wird deutlich seltener organisch gedüngt. In der Praxis wird oft angemerkt, dass tonige Ackerbaustandorte sehr umsatzträge sind und der über org. Dünger applizierte Stickstoff nur eingeschränkt düngewirksam ist. Trotzdem differenziert das Düngerecht bei der Wirksamkeit org. Dünger nicht nach Standort, sondern legt diese pauschal nach Düngertyp fest.
Im FNR-Projekt RESOURCE untersuchen wir in einem Feldversuch, wie die N-Düngewirksamkeit von Gärresten auf einem tonigen Standort (Pelosol-Pseudogley, Pseudogley-Kolluvisol), der langjährig ausschließlich mineralisch gedüngt wurde, ausfällt. Im Jahr 2022 wurde eine N-Düngestaffel mit Mineraldünger und äquivalenter Menge an Gärrest (bezogen auf Norg) in den Kulturen Wintergerste und Silomais bei Braunschweig angelegt. Die N-Düngehöhe lag bei 100 %, 80 % und 60 % des N-Bedarfswerts zuzüglich des Frühjahrs-Nmin-Gehalts im Boden. Zusätzlich zu den Ertragsergebnissen wurden auch N-Verluste durch Bodengase (Ammoniak und Lachgas) sowie Auswaschung (über Nmin-Gehalte nach der Ernte und vor Winter) erhoben.
Erste Ergebnisse zeigen, dass die mittlere agronomische Effizienz des Gärrests, definiert als Quotient zwischen Mehrertrag gegenüber der Kontrolle und appliziertem Dünger, nur bei 25-40 % in der Gerste liegt. Die Mineraldüngervarianten wiesen teils signifikant höhere Wirksamkeiten von 50-70 % auf. Die Frühjahrs- und Sommertrockenheit führten zu einer niedrigen N-Verwertung der Bestände. Im später ausgesäten Mais konnten keine Unterschiede zwischen den Varianten festgestellt werden.
Die ganzjährig wöchentlich erhobenen Lachgasemissionen liegen im Mittel in den Mineraldüngervarianten tendenziell höher als in den Gärrestvarianten und fallen in der Gerste mit 0,4-0,8 um ein Vielfaches geringer aus als im Mais mit 1,9-5,0 kg Lachgas-N pro Hektar und Jahr. Dies kann vor allem auf die trockenheitsbedingt eingeschränkte N-Verwertung des Maises und daraus resultierende hohe Nach-Ernte-Nmin-Gehalte zurückgeführt werden. Denn hohe Lachgasverluste traten insbesondere nach Bodenbearbeitungsgängen in Kombination mit hohen Nmin-Gehalten auf.
Im F&E-Verbundprojekt StaPrax-Regio (2021-2023) werden hocheffiziente N-stabilisierte Düngungsstrategien auf Basis agrarmeteorologisch-bodenkundlicher Standortanalysen identifiziert und über innovative Beratungstools zeitnah in die Düngepraxis überführt. Ziel ist eine deutlich verbesserte Übertragung der vielfältigen und komplexen Vorteilseffekte der N-stabilisierten Düngung (Minderung von N-Verlusten über alle Verlustpfade, verbesserte N-Verfügbarkeit, Förderung von Wurzel- und Jugendentwicklung) in adäquate Steigerungen der Dünger-N-Effizienz. Vor allem im Wintergetreide gelingt dies bislang nur unzureichend. Im Vorgängerprojekt StaPlaRes (Projektförderung BMEL, Projektträgerschaft BLE) wurde nachgewiesen, dass bei optimaler Adaption N-stabilisierter Düngungsstrategien an Standort- und Witterungskonstellationen eine deutliche Effizienzsteigerung erreicht werden kann. Dieses Potenzial wird in einem flächendeckenden Ansatz erschlossen.
Die Ergebnisse sollen im Sektor der integriert-konventionellen Landbewirtschaftung die Etablierung ökologisch und ökonomisch angepasster Strategien in Düngung und Pflanzenbau ermöglichen. Der Erkenntnisgewinn zu Zusammenhängen zwischen standortspezifischen bodenkundlichen und agrarmeteorologischen Parametern einerseits und der Verfügbarkeit und Effizienz des Düngerstickstoffs andererseits, soll in optimierte Düngungs- und Beratungsstrategien einfließen. Das Projekt leistet damit einen substanziellen Beitrag zum ökonomischen und ökologischen Ressourcenschutz sowie zur Akzeptanz und Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Landwirtschaft und zur Erfüllung der ökologischen Ziele der EU-Agrarpolitik.
Zur Bearbeitung des Themas hat sich ein Verbund aus dem Deutschen Wetterdienst, der Hochschule Harz, dem Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie und der SKW Stickstoffwerke Piesteritz GmbH zusammengeschlossen. Mit weiteren namenhaften Partner der angewandten agrarwissenschaftlichen Forschung und Lehre sowie der Offizialberatung des Freilandversuchswesens der Länder, werden ab 2021 deutschlandweit mehr als 60 randomisierte Exaktversuche in Winterweizen, Wintergerste und Winterroggen angelegt.
Die Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung ist Projektträger des Vorhabens.
Die Arbeitsgruppe Emissionsberichterstattung am Thünen-Institut hat das Berechnungsmodell py-GAS-EM (python GASeous EMissions) zur Verwendung für die nationalen Emissionsinventare für Treibhausgase und Luftschadstoffe entwickelt. Das Modell folgt dem Massefluss durch die Landwirtschaft – für 23 Tierarten von der Futteraufnahme, über die Verdauung und Ausscheidung, bis zu den Emissionen aus Stall und Wirtschaftsdüngerlager. Anschließend werden direkte und indirekte Emissionen aus landwirtschaftlichen Nutzflächen und Kulturen berechnet. In den letzten Jahren wurde das Modell im Bereich der Emissionen aus Böden erheblich verbessert, es wurden zum Teil deutschlandspezifische und regionalisierte Emissionsfaktoren erarbeitet.
Durch internationale Abkommen hat sich Deutschland verpflichtet, sowohl die Emissionen von Treibhausgasen als auch von Luftschadstoffen zu senken. Für die Treibhausgasemissionen wurden im Bundesklimaschutzgesetz von 2019 und seiner Novellierung von 2021 Emissionsbudgets für die verschiedenen Sektoren festgelegt, die von 2020 bis 2030 jährlich kleiner werden (BMU, 2021). Die Landwirtschaft (inklusive Verbrennung von Energieträgern) soll im Jahr 2030 nur noch maximal 56 Mio. Tonnen CO2-Äquivalente emittieren. Im Gegensatz zu Treibhausgasemissionen stammen Ammoniakemissionen in Deutschland nahezu ausschließlich aus der Landwirtschaft (95 % der Gesamtemissionen). Laut NEC-Richtlinie (EU, 2016) muss der Ammoniakausstoß bis 2030 um 29 % gegenüber den Emissionen von 2005 reduziert werden, weil Ammoniak ein gesundheitsschädlicher Luftschadstoff ist. Maßnahmen hierzu hat die Bundesregierung in ihrem Luftreinhalteprogramm beschrieben.
Neben der Umsetzung von Maßnahmen zur Emissionsreduktion wird in Zukunft auch die Herausforderung sein die Fortschritte bei der Umsetzung zu monitoren und anschließend im Emissionsberechnungsmodell abzubilden.
Maßnahmen zur Minderung direkt und indirekt klimawirksamer Emissionen, die durch Denitrifikation in landwirtschaftlich genutzten Böden verursacht werden – Projekt MinDen
Das Verbundvorhaben adressiert die Themen der Minderung der Lachgasemission und Verbesserung der Stickstoffeffizienz durch Modellierung, der Bewertung möglicher Minderungsmaßnahmen und der standortdifferenzierenden Bewertung der Denitrifikation. Gasförmige Emissionen aus der Denitrifikation verursachen pflanzenbaulich relevante N-Verluste und verursachen direkte N2O-Emissionen des Pflanzenbaus. Pflanzenbauliche Klimaschutzmaßnahmen im Bereich der Düngung, Bodenbearbeitung, Fruchtfolge sind im Hinblick auf die Rolle der Denitrifikation kaum erforscht. Ein pflanzenbauliches Management welches N-Effizienz optimiert und gleichzeitig N-Emissionen minimiert ist daher bisher nicht verlässlich definiert. Übergeordnetes Ziel des vorliegenden Projekts ist es, pflanzenbaulich praktikable Minderungsmaßnahmen im Hinblick auf N2 und N2O-Emissionen der Denitrifikation für Ackerbausysteme in Deutschland zu identifizieren, indem der Kenntnisstand zu denitrifikativen N-Verlusten durch Feld- und Laborstudien verbessert und zur Parametrisierung, Validierung und Anwendung von Simulationsmodellen eingesetzt wird. Unsere Teilziele sind wie folgt:
1. Regionalisierung der N-Verluste durch Denitrifikation in Deutschland auf Basis vorhandener Modelle
2. Bestimmung der Wirkung von pflanzenbaulichen Klimaschutzmaßnahmen auf N2- und N2O-Verluste
3. Prüfung von Minderungsoptionen auf der Modell-, Labor- und Feldskala unter Berücksichtigung des Oberbodens und des durchwurzelten Unterbodens für verschiedene Böden
4. Weiterentwicklung von Denitrifikationsmodellen, um die Abbildung von Minderungsmaßnahmen zu verbessern anhand vorhandener und neuer Messdaten
5. Prüfung der Minderungsoptionen für Deutschland anhand der verbesserten Modelle unter Berücksichtigung von Ertrag, Wirtschaftlichkeit, Technologiebedarf, N2O-Emission, N-Effizienz, Düngerbedarf, NH3-Emisissionen und Nitratauswaschung.
Wir geben eine Überblick der Vorgehensweise und des aktuellen Stands der Arbeiten des Anfang 2023 gestarteten Verbundprojekts.
Moorböden sind durch einen großen und vulnerablen Pool an organischem Kohlenstoff (Corg) gekennzeichnet. Trotz ihres geringen Anteils (< 7%) an der landwirtschaftlichen Produktionsfläche tragen Moorböden ca. 7% zu den deutschen Treibhausgas (THG)-Emissionen bei. Auf Grund der großflächigen Entwässerung und der dadurch verursachten Torfmineralisation sind Kohlenstoffdioxid (CO2) -Emissionen für ca. 90% der Gesamtemissionen verantwortlich. Im Klimaschutzgesetz sowie der Bund-Länder-Zielvereinbarung zum Moorbodenschutz wurden Klimaschutzziele des Bundes für den LULUCF-Sektor bzw. für Moorböden fixiert. Für die Bewertung der Umsetzung sind nicht nur Informationen zu THG-Minderungsma߬nahmen, sondern auch Daten zum Status quo der Eigenschaften von Moorböden notwendig. Zur Erhebung der notwendigen Daten für die deutschlandweite Modellierung von THG-Emissionen sowie deren Steuerfaktoren wurde das Thünen-Institut für Agrarklimaschutz durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft mit dem Aufbau eines Moorbodenmonitorings im Offenland beauftragt.
Bis zum Ende der Einrichtungsphase im Mai 2025 sollen bis zu 200 Standorte im Offenland eingerichtet werden, die in Deutschland vorkommenden Bodentyp-Landnutzungs-Kombinationen repräsentativ abbilden sowie innovative Landnutzungstypen als mögliche Maßnahmen zur Minderung der THG-Emissionen integrieren. An den Standorten werden langfristig CO2-Emissionen über die wiederkehrende Erfassung der Geländehöhen sowie Bestimmung der Corg-Vorräte abgeleitet und die wesentlichen Steuergrößen (Wasserstand, Bodeneigenschaften) erfasst. Die Bodentypen der einzurichtenden Standorte reichen von mächtigen oder flachgründigen Moorböden bis hin zu stark degradierten organischen Böden mit Moorvergangenheit sowie durch anthropogene Einwirkung in ihrem Aufbau gestörte Moorböden. In diesem Beitrag werden die bisher eingerichteten Standorte in ihrer Vielseitigkeit vorgestellt und grundlegende bodenphysikalische und bodenchemische Parameter in Abhängigkeit der vorhandenen Standorttypen und der Horizont-Substrat-Kombinationen präsentiert. Dies umfasst u.a. Horizont- und Substratabfolgen, Corg- und Stickstoff-Konzentrationen und Vorräte, pH-Werte, Nährstoffvorräte und hydraulische Leitfähigkeiten. Die gezeigten Informationen sollen die Heterogenität der Moorböden und deren Eigenschaften verdeutlichen und Bewusstsein für bevorstehenden Herausforderung bei der Planung und Umsetzung von THG-Minderungsmaßnahmen verdeutlichen.
This study aimed to assess the climate-regulation and biomass provisioning function of rewetting and afforestation as after-uses of extracted peatlands in nemo-boreal Sweden. Specific objectives were to evaluate and compare soil and biomass carbon (C) storages, carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) emissions, C balances as well as the biomass production of both after-uses.
Peat mineralisation at afforested sites led to high C losses that could not be compensated with organic litter formation. Natural recolonisation by trees was slow, while the rewetted site revegetated rapidly. The biomass C accumulation of rewetted sites were found to successfully compete with the one of afforested sites, when given the same time to develop. Carbon gas emissions were significantly higher at afforested sites, almost twice as high as emissions from the rewetted site. Methane emissions did not contribute considerably to C losses in the first years after rewetting. Overall, results indicated that C neutrality could be achieved approx. 12 years after rewetting. Afforested biomass compensated for some C losses, but a C balance close to zero was not reached. Findings suggested that the biomass production of paludiculture is similar to the yield of afforested sites.
It was concluded that rewetting, out of the two investigated after-use options, maximised the C regulation function of extracted peatlands. Paludiculture and afforestation were both found to have similar economic benefits, while higher climate-regulation functions were discovered for paludiculture. Hence, it was recommended to rewet extracted peatlands at areas with no monetary pressure, while paludiculture can meet the demand for economic benefits. Afforestation should only be considered for areas, where rewetting is not practicable.
Influence of water management on GHG-balances along a land use intensity gradient in fen peatlands.
In Europe, about half of all peatlands are under influence of landuse. They are often drained to facilitate classical landuse options, causing the accumulated organic matter to be degraded and thereby triggering a significant increase in green house gas (GHG) emissions. Many studies suggest raising the overall water level in drained peatlands will lead to significant savings in GHG emmissions. Hence, to combine agricultural landuse, peat conservation and climate protection on a large scale, we suggest the concept of water management systems in currently drained, agriculturally used peatlands. Our ongoing research encompasses two interconnected research projects, called MOORbewi and MOORclimbII. Both projects focus on GHG fluxes from peat-soils influenced by water management systems, the potential of climate protection and synergies with conservation of biodiversity. Measurements and data collection take place on a large array of different land-use intensities, reaching from highly intensive arable maize fields, over moderately used meadows, sowed with a grassland seed mixture adapted to wet conditions, to extensively managed species-rich litter meadows. We installed suitable water management systems in every research site to lower water levels and allow for better accessibility for farming machinery when needed, but ensure near surface water levels for the vast majority of the year. To validate the impact of water management systems on GHG-balances we measure the exchange of CO2, CH₄ and N₂O between the ecosystem and the atmosphere with a portable manual chamber system in combination with infrared gas analyzers and gas chromatography. Our aim is to identify applicable water management systems and optimized water level-dynamics to combine carbon conservation and adapted agricultural usage. Lastly, we want to look at water management as a mitigation option for water dependent litter meadows and species rich wet meadows threatened by the influence of climate change.
Daniel Lenz
Peatland Science Center – PSC
Institut für Ökologie und Landschaft | Institute of Ecology and Landscape
HOCHSCHULE WEIHENSTEPHAN-TRIESDORF | University of Applied Sciences
Am Hofgarten 1 | 85354 Freising | Germany
Tel: +49 (0)8161 71-6531
daniel.lenz@hswt.de | http://www.hswt.de
In wetland soils, many biotic processes are steered by the soil’s abiotic conditions and vice versa. One type of biologically steered process is flux emissions of greenhouse gases from soils. These fluxes can be positive or negative depending on the ratio between production and consumption of greenhouse gases by the soil microbial community. Various knowledge gaps remain to exist on the controls of greenhouse gas fluxes in wetland soils. One ecosystem that is especially interesting, in the light of their climate change mitigation potentials, are tidal wetland soils. In this project, methane and nitrous oxide are studied along a salinity gradient and across flooding frequency gradients in the Elbe estuary. I hypothesize that due to present abiotic gradients, pronounced differences in magnitude and alternation of net positive to negative and negative to positive methane and nitrous oxide fluxes occur in the Elbe estuary. Three different salinity zones (salt, brackish and fresh) have been selected for sampling of soil pore water solution at different depths. Additionally, measurements of land-atmosphere exchange fluxes are conducted with the manual closed chamber method. The soil pore water solution samples are analyzed on mineral nitrogen, Fe(II), Fe(III), Mn(IV), sulfate, chloride, pH, EC, dissolved carbon dioxide, methane and nitrous oxide, and the results are compared to the gases measured at soil surface. In this poster the first results are presented and the first findings discussed in context of interactions between biotic and abiotic conditions. This project is part of a larger scientific study on the role of biota on estuarine carbon cycling, in the form of a research training group (RTG2530) and is funded by the DFG.
In Germany, approx. 300.000 ha of organic soils are forested. These forested peatlands have diverse functions and provide fundamental ecosystem services. Although, long-term management practices, especially the use of drainage systems, have widely caused changes of the hydrological situation and therefore of the physico-chemical soil properties. It is well known that the resulting peat decomposition goes along with enhanced greenhouse gas (GHG) emissions. Within the regulations to report national GHG inventories from the sector land use, land use change and forestry (LULUCF) all GHG emissions have to be determined and quantified. Additionally, the conservation and improvement of water retention in forested organic soils are highly important for climate protection and adaptation, in particular, as an enhance of drought events is expected.
However, reliable data of the highly heterogeneous forested peatlands in Germany are still lacking. Large uncertainties persist within the current carbon (C) and nitrogen (N) distributions, including derived C budgets from the above biomass, accompanied with a poor understanding of the C and N dynamics and changes of the water tables across various time scales. Thus, the main objectives of the German peatland monitoring programme for climate protection (“MoMoK–forest”) are to (i) ascertain accurate data of the status quo of forested peatlands in order to estimate and compare the quantity and distribution of the C and N stocks of the soils and biomass; (ii) to monitor C and N dynamics continuously and their contribution to global GHG emissions. The programme is thereby coordinated with Thünen Institute of Climate-Smart Agriculture, which focuses on monitoring organic soils of the open land areas (MoMoK–open land).
The forested organic soil landscape of Germany is characterised by a wide range of peatland types from sloping bogs of the mid-range mountain areas to typical lowland semi-natural fens. To cover the regional diversity, nationwide 50 monitoring sites were selected according to their type (bog, fen, non-peat organic soils), hydrological conditions (semi-natural, drained) and stand (Picea, Pinus, Betula, Alnus). Here, we present preliminary results of the field parameters (e.g., peat thickness, water levels, C/N, Corg, pH) and the estimated current C budgets of the so far implemented sites.