Grundlagen

Als Humus wird die Gesamtheit der abgestorbenen organischen Substanz im Boden bezeichnet. Humus ist als ein komplexes Gemisch von organischen Stoffen aus pflanzlicher, tierischer und mikrobieller Herkunft zu verstehen, dass permanenten Ab-, Um- und Aufbauprozessen unterliegt. Die Humusvorräte des Bodens werden in Pools verschiedener Stabilität und Lebensdauer eingeteilt (siehe SCHMIDT et al., 2011).

Der größte Anteil der Humusvorräte des Bodens besteht aus dem Dauerhumus. Diese Fraktion ist langfristig z. B. nach der letzten Eiszeit im Rahmen der Bodenbildung entstanden und kann heute durch Bewirtschaftungsmaßnahmen nur noch wenig beeinflusst werden. Abbauprodukte der organischen Substanz gehen unter Einwirkung von Stabilisierungsmechanismen mit den Ton- und Feinschluff-Gehalten des Bodens feste Bindungen ein, so dass ein weiterer Abbau auf lange Sicht verhindert wird. Der Dauerhumus ist deshalb durch Verweilzeiten von Hunderten bis Tausenden von Jahren gekennzeichnet. Die über die Ernte- und Wurzelrückstände (EWR) und Wirtschaftsdünger zugeführten organischen Materialien und deren Abbauprodukte gehören zu einer sog. labilen Humusfraktion, dem Nährhumus, der ca. 20 – 50 % der Humusstoffe des Bodens umfasst.

Nach einer Phase der mechanischen Zerkleinerung und Einarbeitung in den Boden werden die leicht abbaubaren Bestandteile meistens schon innerhalb weniger Monate von den Bodenlebewesen als Nahrungs- und Energiequelle genutzt und zu Kohlendioxid veratmet (z. B. Gründünger). Die schwerer abbaubare organische Substanz mit weiten C/N-Verhältnissen und hohen Ligningehalten reichern sich im Boden zunächst etwas an, da sie nur verzögert umgesetzt werden. Unter praktischen Gesichtspunkten kann davon ausgegangen werden, dass die organischen Materialien im Zeithorizont von einigen Jahrzehnten schließlich einem vollständigen Abbau unterliegen.

Die abgebaute organische Substanz wird als Wasser und Kohlendioxid in den Boden und die Atmosphäre abgegeben. Von den gespeicherten Nährstoffen erfolgt bereits im ersten Jahr nach der Einbringung eine weitgehende Freisetzung der Funktionselemente (K, Na, Mg, Ca), weil sie meistens nicht in die Zellstrukturen der organischen Substanz eingebaut sind. Entsprechend der Stabilität der chemischen Bindung werden dann auch die organisch gebundenen Grundnährstoffe N, P, S sowie einige Mikronährstoffe mit der Zeit freigesetzt und für das pflanzliche Wachstum verfügbar (= Mineralisation; siehe SWIFT et al., 1979).

Wie lange die organische Substanz im Boden verweilt, hängt entscheidend von der Abbauintensität je Zeiteinheit ab. Der Abbau der Humusstoffe ist hierbei im Wesentlichen von den nachfolgend genannten Einflussgrößen abhängig:

• von der biochemischen Zusammensetzung und Abbaustabilität der organischen Substanz
• von der Nährstoffverfügbarkeit für die Bodenlebewesen
• von chemischen und physikalischen Stabilisierungsprozessen des Bodens
• von klimatischen und hydrologischen Einflussgrößen des Standortes.

Der aktuelle Humusgehalt bzw. das aktuelle Versorgungsniveau mit organischer Substanz eines Bodens kann so als offenes Fließgleichgewicht zwischen Zufuhr und Abbau der organischen Bodensubstanz angesehen werden. Bei Annahme einer jährlich gleichbleibenden Zufuhr an organischer Substanz, z. B. in Form einer gleichhohen Zufuhrmenge an Stroh, kommt es zur Ausprägung einer typischen kumulativen Gesamtwirkung bis nach einer Zeitperiode von ungefähr 20 - 30 Jahren die Humusgehalte nicht mehr ansteigen und das Fließgleichgewicht erreicht ist (Abb. 1). Die durch Mineralisation verloren gegangene organische Substanz muss also im Sinne einer Bilanz immer wieder durch Zufuhr neu gebildeter Ernte- und Wurzelrückstände aus dem Anbau der Fruchtarten und den organischen Düngern ersetzt werden, um einen bestimmten Humusspiegel zu erhalten.

Abb. 1: Anhäufung, Abbau und Umsatz nach jährlicher Zufuhr einer gleichbleibenden Menge an organischer Substanz im Boden: Abbauverhalten der ersten Gabe (rote Kurve); Anreicherung bei jährlicher Zufuhr (brauner Bereich) (nach SAUERBECK, 1985, verändert)

Die durch den Humusabbau zwischenzeitlich entstandenen chemischen Umwandlungsprodukte sind nach heutiger Ansicht keine langkettigen sog. Huminstoffe, sondern können als verhältnismäßig kleine, kurzkettige chemische Verbindungen umschrieben werden (SIMPSON et al., 2002). Durch die direkte Beteiligung von Bodenlebewesen entstehen Verbindungen zwischen diesen vielfältigen Abbauprodukten der organischen Substanz und den mineralischen Bestandteilen des Bodens, die schließlich als Ton-Humus-Komplexe bezeichnet werden (Abb. 2). Durch diese sog. »Lebendverbauung« und die »Bioturbation« werden stabile Bodenkrümel aufgebaut, wodurch der Boden gegenüber Erosion und Verschlämmung stabilisiert und das Porenvolumen erhöht wird, und so günstige Voraussetzungen für den Luft- und Wasserhaushalt geschaffen werden.

Abb. 2: Modell eines Humusaggregats (PAUL & CLARK, 1989 verändert durch BECK, Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft)

Wie aus einer entsprechenden Auswertung von Dauerversuchen zu entnehmen ist, werden durch Anhebung des Versorgungsgrades mit organischer Substanz von einem deutlichen Mangelzustand bis zur oberen Grenze gewöhnlicher ackerbaulicher Möglichkeiten sowohl physikalische, chemische als auch biologische Eigenschaften der Bodenfruchtbarkeit deutlich verbessert (Tab. 1).

Tab. 1: Auswirkungen einer Erhöhung des Versorgungsgrades mit organischer Substanz vom Niveau der Unterversorgung (= 100 %) auf einen guten bis sehr guten Versorgungszustand (um ca. +500 HÄQ/ha) auf physikalische, chemische und biologische Eigenschaften der Bodenfruchtbarkeit von Ackerland (HÄQ = Humusäquivalente; Zusammenstellung von Ergebnissen aus Dauerfeldversuchen von KOLBE, 2012 )

Merkmal		Veränderung (in %)
Physikalische Eigenschaften
- Lagerungsdichte		-2	bis	-13
- Porenvolumen		+1	bis	+3,5
- Aggregatstabilität		+8	bis	+34
- Anteil Makroporen		+8	bis	+11
- Infiltrationsrate (Wasser)		+27	bis	+80
- Wasserkapazität		+3	bis	+4
- Nutzbare Feldkapazität	S L	+24 +13	bis bis	+28 +15
Chemische Eigenschaften
- Corg- und Nt-Gehalte		+30
- Potenzielle N-Mineralisierung		+26	bis	+33
- Effektive Kationenaustauschkapazität	S L	+20 +10
Biologische Eigenschaften
- Mikrobielle Biomasse		+6	bis	+50
- Regenwurmdichte		+38	bis	+40
- Fruchtartenertrag	MW Max	+10 (kon) +123 (kon)	bis bis	+33 (kon) +127 (öko)
S = Sand; L = Lehm; kon = konventioneller Landbau; öko = ökologischer Landbau; MW = Mittelwert; Max = maximale Werte

 

Die in Ackerböden vorzufindenden unterschiedlichen Humusgehalte sind das Ergebnis von Standort- und Bewirtschaftungsfaktoren. Im Ergebnis der langjährigen Wirkung dieser Faktoren stellt sich ein standorttypischer Humusgehalt ein. Auf terrestrischen Böden kann die folgende Gewichtung der Einflussfaktoren angenommen werden (KOLBE, 2012: Auswertung von ca. 240 Dauerversuchen aus Mitteleuropa):

• Klima bzw. Witterung mit meistens über 50 %
• Eigenschaften des Bodens mit 20 – 30 %
• Maßnahmen der Bewirtschaftung (Fruchtfolge, pH-Wert, Düngung, Bodenbearbeitung, etc.) mit 5 – 30 % der Variationsbreite.

Über die Zusammenfassung von Untersuchungen vieler Ackerflächen (n = 114.178 Analysen) können die mittleren Gehalte und Schwankungsbreite der C_org-Werte bestimmt werden (KOLBE et al., 2015):

• Leichte Böden: 1,24 (0,56 – 3,59) % C_org
• Mittlere Böden: 1,48 (0,79 – 3,78) % C_org
• Schwere Böden 1,91 (1,07 – 4,08) % C_org.

Insgesamt ist eine enorme Spannbreite der vorkommenden Werte auf allen Bodenarten zu erkennen, so dass bei Kenntnis der Bodenart nur eine grobe Zuordnung oder Einstufung der Humusgehalte für streng umgrenzte regionale Gebiete gelingen kann.

Bodenuntersuchung. Durch die Bodenuntersuchung auf den Gehalt an Kohlenstoff (C_org) und Stickstoff (N_t) sowie das C/N-Verhältnis des Bodens werden Informationen über die allgemeine Höhe der Humusgehalte und der -qualität des Standortes vermittelt:

• C_org–Gehalt x 1,724 (Schwankungsbreite: 1,4 – 3,3) = Humusgehalt (gemessen in % der TM des Bodens).

Durch die Bodenuntersuchung wird Kenntnis über die konkreten Gehalte an Humus auf den Ackerflächen erlangt. Von einem ermittelten Wert eines Schlages kann jedoch nicht abgelesen werden, ob die Fläche einen ausreichenden Versorgungsgrad mit organischer Substanz aufweist oder nicht. Der Einfluss von landwirtschaftlichen Bewirtschaftungsmaßnahmen auf den Humusversorgungszustand der Böden kann daher, im Gegensatz zur Nährstoffversorgung, meistens nicht direkt aus der Bodenuntersuchung unter Ableitung von Richtwerten für optimale Humusgehalte ermittelt werden.

Humusbilanzierung. Zur Beurteilung von Bewirtschaftungsveränderungen sind in der Regel Methoden erforderlich, die im Vergleich zur Bodenuntersuchung durch eine deutlich höhere Sensibilität gekennzeichnet sind (KÖRSCHENS, 2010). Daher haben Methoden der Humusbilanzierung verstärkte Aufmerksamkeit erlangt, bei denen die Ermittlung des Versorgungsgrades mit organischer Substanz aus der Fraktion des Nährhumus im Mittelpunkt steht (Abb. 3).

Zu den einfachen Verfahren gehört z. B. die VDLUFA-Methode oder die STAND-Methode zur Humusbilanzierung (EBERTSEDER et al., 2014; KOLBE, 2010), deren Berechnungsgrundlagen aus einer Vielzahl von Dauerversuchen stammen. Unter Verwendung von Schlagkarteiaufzeichnungen kann der Versorgungsgrad des Bodens mit organischer Substanz nach folgender Bilanzierungs-Gleichung berechnet werden (HÄQ/ha u. Jahr): 

+ Humifizierungsleistung humusmehrender Fruchtarten
– Humifizierungsleistung humuszehrender Fruchtarten
+ Humifizierungsleistung organischer Dünger
= Humusbilanz.

Die erlangten Ergebnisse der Humusbilanzierung können in Abhängigkeit vom Anbausystem mit Hilfe einer 5-stufigen Skala einer Bewertung unterzogen werden. Es wird die Versorgungsklasse C angestrebt, bei der sowohl die Bodenfruchtbarkeit als auch ein optimales Ertragsniveau der Fruchtarten auf Dauer gesichert werden kann.

 

Abb. 3: Das Prinzip der Humusbilanzierung (KOLBE, 2007)

Die humifizierende Wirkung der Fruchtarten können hierbei als Koeffizient dargestellt werden ( HÄQ/ha u. Jahr), die als komplexe Summenwirkung zwischen Anbaudauer, Bodenruhe, Menge und C/N-Verhältnis der Ernte- und Wurzelreste in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Standortes (Boden, Klima) angesehen werden (Abb. 4, Balkenlänge = Variationsbreite der Standorte).

Von den verschiedenen Maßnahmen der Bewirtschaftung wird somit die Humusbilanz entscheidend dadurch bestimmt, welche Fruchtarten zum Anbau gelangen. Durch Feldfutter, Körnerleguminosen und Untersaaten entstehen auf allen Standorten positive Salden. Die Untersaaten und Zwischenfruchte können als Maßnahmen angesehen werden, die in Ergänzung einer Hauptfrucht zusätzliche Mengen an organische Substanz einbringen. Alle Fruchtarten mit positiven Koeffizienten werden daher auch als »Humusmehrer« bezeichnet.

Je größer der Anteil an Getreide und vor allem an Mais und Hackfrüchten in der Fruchtfolge ist, umso negativer wird der Saldo ausfallen. Weil bei diesen Fruchtarten die eingebrachten EWR-Mengen nicht ausreichen, um den Humusabbau zu kompensieren werden sie auch als »Humuszehrer« bezeichnet. Die gewöhnlich hohe Intensität der Bodenbearbeitung in Folge Anbau und Erntearbeiten einiger Hackfrüchte verstärkt den Humusabbau zusätzlich (Abb. 5).

Abb. 4: Bandbreite der Humifizierungskoeffizienten (HÄQ) der Fruchtarten (Dunkelgrün = Humusmehrer; Hellgrün = Humuszehrer; (KÖRSCHENS et al., 2004; KOLBE, 2010)

Quelle: SCHMIDT, Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
Abb. 5: Bei intensiven Maisfolgen zur Biogaserzeugung und Rückführung der Gärsubstrate können ausgeglichene Humussalden auf den meisten Standorten erst durch Integration einer Untersaat gewährleistet werden.

Entsprechend ihrem Abbauverhalten weisen die organischen Materialien auch eine stark unterschiedliche Humusreproduktionsleistung auf, die ebenfalls durch Humifizierungskoeffizienten (in HÄQ/t FM-Substrat) dargestellt werden kann (Abb. 6). Auf Frischmasse (FM) bezogen kommt den Komposten und dem Stroh eine relativ hohe Wirkung zu, während die Humifizierung je aufgebrachter Gewichtseinheit bei den Flüssigmisten sowie bei der Gründüngung am geringsten ist. Folgende Rangfolge der absteigenden Reproduktionsleistung organischer Materialien kann formuliert werden:

- Kompost >Rottemist >Gärprodukte >Frischmist >Rindergülle >Schweinegülle >Stroh >Gründüngung.

Abb. 6: Rangfolge und Variationsbreite der Humusreproduktion der organischen Materialien (KÖRSCHENS et al., 2004; KOLBE, 2010)

Im Rahmen zunehmender Differenzierung der Landbewirtschaftung kann es zu einer einseitigen Ausgestaltung pflanzlicher und tierischer Produktionsrichtungen in Betrieben kommen. Kennzeichen hierfür sind deutlich unausgeglichene Bilanzen mit organischer Substanz und auch mit anderen Nährstoffen. Es können sowohl Zustände permanenter Unterversorgung als auch eine Überversorgung mit diesen Stoffen auftreten, wodurch auf lange Sicht, die Bodenfruchtbarkeit und Nachhaltigkeit als auch die Ertragsleistung der Betriebe gefährdet wird. Liegen deutlich defizitäre Humusbilanzen der Versorgungsstufen B und A vor, sollten unter Beachtung von Standortunterschieden nachfolgend genannte Verbesserungsstrategien ins Auge gefasst werden:

• Nebenprodukt-Management. Nicht nur in getreidebetonten, viehlosen Anbausystemen fallen erhebliche Mengen an Nebenprodukten in Form von Stroh und anderen Koppelprodukten an. Mit 50 – 90 % der humusmehrenden Komponenten kommt dem Stroh in der Humusbilanz eine große Bedeutung zu: Getreide-Stroh 200 – 500 HÄQ, Raps- u. Körnermais-Stroh 300 – 600 HÄQ, Zuckerrüben-Blatt 40 – 160 HÄQ/ha und Jahr. Als Faustzahlen für eine Abfuhrbegrenzung gilt es, nicht mehr als 50 % des Strohanfalls abzufahren (Abb. 7).
• Integration von humusmehrenden Zwischen- und Hauptfrüchten in die Anbausequenz. Mit organischer Substanz unterversorgte Fruchtfolgen sind oft durch Anbau von stark humuszehrenden Fruchtarten gekennzeichnet (Hackfrüchte, Mais, Getreide). Eine Verbesserung kann nur erreicht werden, wenn Fruchtarten aufgenommen werden, die durch eine positive Humuswirkung gekennzeichnet sind (Humusmehrer) oder durch Integration einer „Zweitfrucht“ in Form von Zwischenfrüchten, da die bestehenden Fruchtfolgen hierzu nicht verändert oder angepasst werden müssen: Zwischenfrüchte, Untersaaten, Körnerleguminosen 50 – 400 HÄQ, Futterleguminosen, Ackergras 250 – 850 HÄQ/ha und Jahr.
• Integration organischer Düngemittel. Einen Teil der zu verabreichenden Düngung nicht mit mineralischen sondern gezielt mit organischen Düngemitteln abdecken. Von der verfügbaren Palette an angebotenen Düngern sind diejenigen am besten geeignet, die bei Berücksichtigung der Gesamtkosten (incl. der Transportkosten) neben dem Nährstoffwert durch eine möglichst hohe Humuswirksamkeit gekennzeichnet sind. Hierzu tragen je nach Trockenmasse-Gehalt und Anwendungshöhe insbesondere die festen organischen Düngemittel bei: Stallmist, Kompost 20 – 100 HÄQ, Rinder-, Schweinegülle, Gärrückstände 3 – 12 HÄQ/t FM. Auf Grund der günstigen Humuswirkung reicht es aus, in zwei bis drei Fruchtfolgerotationen mit einer organischen Düngung nach folgendem Muster zu verfahren, um die Humussalden aufzubessern: 1 x 30 t/ha feste organische Düngemittel ≈ 600 – 2000 HÄQ/ha (Abb. 8).

Quelle: GRUNERT, Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
Abb. 7: In viehlosen Betrieben ist Stroh meistens die wichtigste humusmehrende Komponente um die Humusversorgung und Bodenfruchtbarkeit zu sichern. Die Abfuhrmenge ist vom Standort abhängig, wonach auf tätigen Lehmböden kaum ein Potenzial besteht und auf den Schwarzerden und Bergstandorten auch mehr als 50 % des Strohaufkommens außerbetrieblich verwertet werden können.

Abb. 8a Quelle: GRUNERT, Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie

Abb. 8b Quelle: PÖßNECK, Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
Abb. 8a, b: Die festen organischen Dünger Kompost (Abb. 8a) und Stallmist (Abb. 8b) eignen sich besonders gut zur Aufbesserung der Humussalden in den Fruchtfolgen. Auf Grund der hohen TM-Gehalte sind zudem die Transportkosten vergleichsweise niedrig.

Auf Grund der günstigen Wirkungen des Humus auf viele Eigenschaften der Bodenfruchtbarkeit wären Verfahren zur Anhebung der Humusgehalte von großer Bedeutung. Bemühungen durch hohen Einsatz von organischen Materialien mit deutlicher Humuswirkung, z. B. durch Kompostdüngung, eine substanzielle Verbesserung der Humusgehalte des Bodens zu erreichen, sind jedoch nur durch geringe Erfolgsaussichten gekennzeichnet. Da diese Materialien einem fortwährenden Umsatz mit letztendlich vollständigem Abbau unterliegen, müssen die hohen Zufuhren stetig aufrechterhalten werden.

In Folge des Abbaus wird zudem aber nicht nur Kohlendioxid frei, sondern es erfolgt mit der Zeit eine hohe Rate an Nährstofffreisetzung, die die durchschnittlichen mit den Ernten abgefahrenen Nährstoffmengen übersteigen und somit die Nachhaltigkeit des landwirtschaftlichen Systems und die Umwelt langfristig überfordern können (Abb. 9). Auch bei einem Zuviel an organischer Bodensubstanz mit Humusbilanzen der Versorgungsklassen D und E sind daher besondere Bewirtschaftungsmaßnahmen erforderlich, damit mittelfristig ein optimales Niveau der Versorgungsstufe C mit organischer Substanz angestrebt und auf Dauer gehalten werden kann.

Quelle: ALBERT, Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
Abb. 9: In Betrieben mit Ackerbau und Tierhaltung wird im Allgemeinen eine optimale Humuswirtschaft gewährleistet. Durch hohe organische Düngung in Folge intensiver Tierhaltung kann jedoch auf Dauer die Umsetzung der organischen Bodensubstanz so stark ansteigen, dass es leicht zu Nährstoffüberversorgung und Problemen im Umweltschutz kommen kann.

Feldversuche bilden ein wichtiges Bindeglied zwischen Wissenschaft und Praxis. In diesen Versuchen können die Effekte verschiedenster Manipulationen separiert von anderen Variablen untersucht werden (SOUTHWOOD, 1994). In solchen Versuchen können verschiedene Forschungsschwerpunkte, wie z. B. der Langzeiteinfluss unterschiedlicher Landbewirtschaftung auf angrenzende Umweltkompartimente, bearbeitet werden (KÖRSCHENS et al., 2002). Ökologisch wirksame Prozesse laufen meist langsam ab und können erst durch Dauerfeldversuche aufgedeckt und verstanden werden (SOUTHWOOD, 1994). Dauerfeldversuche sind nach HERSEMANN (1987) bspw. notwendig, um die Wirkung verschiedener Fruchtfolgen auf den Humusgehalt und die Humusmenge im Boden erfassen zu können. Erst durch lange Datenreihen können Variabilitäten und seltene Ereignisse interpretiert werden.

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