II

© 2011 Der Inhalt dieser Masterarbeit ist geistiges Eigentum von Gundula Klämt und kann von ihr im Rahmen des Urheberrechtes verwendet werden. Die Verwertung ohne Zustimmung ist nur innerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes zulässig. Die sonstige Nutzung für rein wissenschaftliche Zwecke unter Quellenangabe sowie die kommerzielle Verwertung und Veröffentlichung der Versuchsergebnisse dieser Masterarbeit bedürfen auch auszugsweise der Zustimmung der Autorin in Zusammenwirken mit der Lysimeterstation Falkenberg (Altmark) des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ), der Professur Bodenkunde der Agrar- und Umweltwissenschaftlichen Fakultät der Universität Rostock und dem Zentrum für Acker- und Pflanzenbau der Landesanstalt für Landwirtschaft, Forsten und Gartenbau Sachsen- Anhalt (LLFG ST).

III

Kurzfassung

^{2009 wurde ein Lysimeterversuch zur N-Effizienz durch die Helmholtz-Lysimeterstation Falkenberg des UFZ in Kooperation mit der LLFG ST und der Universität Rostock initiiert. Anhand erster Ergebnisse dieses neuen Versuches mit zwei Maisfruchtfolgen bei nichtwendender und wendender Bodenbearbeitung nach abgefrorenen und vor dem Winter umgebrochenen Lupine-Zwischenfruchtvarianten wurden NO} 3 ^{ֿ -Austräge unter sandigem Lehm (sl) bei in der Altmark vorherrschenden Klimabedingungen ausgewertet. + und NO} 2 ֿ , ^{wovon Stickstoff (N) nur in Nitratform in we-Untersucht wurden die Gehalte an NO} 3 ^{ֿ , NH} 4

^{sentlichen Mengen auftrat. Daher stellte eine NO} 3 ^{ֿ -N-Fracht den gesamten N-Austrag (N} t ^{) mit dem Sickerwasser (SW) dar. Als Vergleichsvarianten dienten eine neu angelegte Schwarzbrache, angesätes mehrjähriges Luzernegras und eine Fruchtfolge Winterroggen vor Winterraps. Wegen der erst kurzen Versuchslaufzeit wurden parallel ausgewählte Lysimeterdaten zu Fruchtfolgegliedern aus den Teilversuchen „Ökologischer Landbau“ (Fruchtfolge mit Leguminosen) und „Integrierter Pflanzenbau“ (Fruchtfolge ohne Leguminosen) analysiert und die ersten Ergebnissen einordnend damit verglichen. Zudem wurde ein Vergleich mit den Daten des Jahres vor Versuchsbeginn für die verwendeten nichtwägbaren Lysimeter angestellt. Als Zwischenfrucht vor Silomais erzielten die Reinbestände mit den proteinreichen Körnerleguminosen Lupinus angustifolius positive Effekte hinsichtlich einer Senkung der NO} 3 ^{ֿ -Auswaschungsverluste unter sl bei sich wandelnden Klimabedingungen in der Altmark. Unter den Maisvarianten betrug die NO} 3 ֿ -Perkolation in den ersten sieben Monaten des zweiten Lysimeterjahres 2010/ 11 weniger als 35 kg ha ^-1 . Damit waren die Lupine-Mais-Winterroggen-Fruchtfolgen im Sinne der EU-WRRL bisher erheblich grundwasserschonender als die Schwarzbrache und auch als die Winterroggen-Winterraps-Fruchtfolge. Der Direktsaatmais nach abgefrorenen Lupinen erzielte einen Mehrertrag von 19 dt ha ^-1 gegenüber dem Pflugmais nach umgebrochener Zwischenfrucht. Unter der Schwarzbrache lagen die vertikalen N-Verluste mit 296 kg ha ^-1 in 19 Monaten, davon allein 158 kg ha ^-1 im November 2010, über den vier anderen Varianten. Das Luzernegras verhielt sich in etwa wie das Kleegras des Öko-Langzeitversuches und wies im neuen Versuch die geringste N-Auswaschung auf, wobei die ersten vier Luzernegrasschnitte einen besseren Ertrag einbrachten als das Kleegras im Mittel der fünfzehn Jahre 1993/94 bis 2007/08. Bei den Langzeitfruchtfolgegliedern traten die höchsten N-Frachten mit durchschnittlich 47 kg ha ^-1 unter der ökologisch angebauten Grobleguminose Körnererbse auf.

Abstract

^{2009 a lysimeter test for N-efficiency by Helmholtz lysimeterstation of UFZ in Falkenberg in cooperation with the LLFG ST and the University of Rostock was initiated. Based on initial results of a lysimeter test with two silage corn crop rotations in communicating no till and tillage with plow after frozen and before winter wrapped lupine-cover-crop-varieties NO} 3 ^{ֿ -leaching were evaluated under sandy loam in the + and NO} 2 ^{ֿ were deter-mined, of Altmark prevailing climatic conditions. The concentrations of NO} 3 ^{ֿ , NH} 4

^{which only nitrogen (N) in nitrate form existed in significant amounts. There-fore a NO} 3 ^{ֿ -N-charge represented the entire N (N} t ^{) with the leachate. A newly created fallow, a perennial lucerne grass seeded and a crop rotation of winter rye before winter oilseed rape served as comparisons. Due to the short running time of the test in addition selected lysimeterdata with legume and non legume crop members of the subtests "Or-ganic Farming" and "Integrated Crop Management" were analyzed and the first results of the new test compared with them. Furthermore a comparison with the data for the prior year to the start of the new test was made for the used non-weighing lysimeters. As a cover crop before the summer crop maize the pure crops with the protein-rich grain legume lupinus angustifolius achieved effects in terms of reducing NO} 3 ^{ֿ -leaching losses under sandy loam during changing climate conditions in the Altmark. Among the maize varieties, the NO} 3 ֿ -percolation rate in the first seven months of the second lysimeteryear 2010/11 was less than 35 kg ha ^-1 . So up to now the lupine-corn-winter rye-rotations were formidable more groundwater friendly in the sense of the European Water Frame-work Directive as the fallow and as the crop rotation winter rye before winter oilseed rape. The no tillage-maize after frozen lupins achieved a higher yield of 19 dt ha ^-1 com-pared with the corn after plow and wrapped cover crop before winter. In the fallow the vertical N losses were with 296 kg ha ^-1 in 19 months - of which 158 kg ha ^-1 only in November 2010 - higher than under the four other varieties. The lucerne grass behaved much like the clover grass of the ecological trial and featured the least N leaching in the new test; thereby the first four cuttings of lucerne grass altogether brought a better yield as the clover grass in the middle of the fifteen years 1993/94 to 2007/08. In the long-term crop rotation members, the highest N-leaching losses occurred with an average of 47 kg ha ^-1 under the organically grown legume pea.

IV

Inhaltsverzeichnis

Seite   

1  Problem- und Zielstellungen  1

1.1  Stickstoffauswaschung aus Agrarökosystemen und Umweltwirkungen  1

1.1.1  Die Stickstofffixierung durch Leguminosen  2

1.1.2  Pflanzenbaulicher Grundwasserschutz in der Altmark nach EU-WRRL  

und  Gewässerschutzkonzept Sachsen-Anhalt sowie anderen Regelungen  4

1.2  Problembeschreibung und Zielsetzungen  7

1.3  Forschungsstand und bisherige Versuchsergebnisse  7

1.4  Versuchsfragen  9

2  Material und Methodik  

   11

2.1  Lysimeterstation des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung in  

Falkenberg  (Altmark)  11

2.1.1  Lysimeteraufbau  11

2.1.2  Charakterisierung der Bodenart sandiger Lehm in den ausgewählten  

Lysimetern   12

2.1.3  Erhebung untersuchungsrelevanter Lysimeterdaten  14

2.2  Auswahl von Lysimeterversuchsdaten  15

2.2.1  Versuch „Nährstoffeffizienz in Maisfruchtfolgen mit und ohne Zwischen-  

fruchtanbau  im Vergleich zu mehrjährigem Luzernegrasanbau“ seit 2009  16

2.2.2  Fruchtfolgeglieder aus Teilversuchen „Ökologischer Landbau“ und  

„Integrierter  Pflanzenbau“ von 1993/94 bis 2007/08  20

2.3  Erhebung standortspezifischer Klimadaten  21

3  Ergebnisse und Analysen  

   23

3.1  Wasserhaushalt  23

3.1.1  Klima und Witterung im Untersuchungsgebiet der Altmark  23

3.1.2  Erste Ergebnisse zu Wasserhaushaltsgrößen des Versuches seit 2009  28

3.1.3  Auswertung von Wasserhaushaltsgrößen bei Fruchtfolgegliedern aus Teil-  

versuchen  von 1993/94 bis 2007/08  37

3.1.4  Vergleichende Betrachtung zu Wasserhaushaltsgrößen des neu angefang-  

enen  Lysimeterversuches und der Langzeittestdaten sowie Zwischenfazit  40

V

3.2 Nitratausträge: Nitrat-Konzentrationen und Stickstoff-Frachten im Sickerwasser 42

3.2.1 Erste Ergebnisse zu Stickstoff-Verlusten mit dem unterirdischen Abfluss des Versuches seit 2009 43

3.2.2 Auswertung von Stickstoff-Frachten unter Fruchtfolgegliedern aus Teil-

versuchen von 1993/94 bis 2007/08 50

3.2.3 Vergleichende Betrachtung der Nitrat- und Reinstickstoffausträge unter Varianten des neuen Versuches und der Langzeitversuche sowie Zwischenfazit 51

3.3 Stickstoffbilanz: Pflanzenentzüge und Erträge 55

3.3.1 Erste Ertragsergebnisse aus dem Versuch seit 2009 55

3.3.2 Stickstoffeffizienz der Fruchtfolgeglieder aus Teilversuchen von 1993/94 bis 2007/08 56

3.3.3 Vergleichende Betrachtung des neuen Versuches und der Langzeitergebnisse zur Stickstoffeffizienz mit Zwischenfazit 60

4 Zusammenfassende Diskussion sowie Schlussfolgerungen und Empfehl- 64 ungen

4.2 Schlussfolgerungen und Empfehlungen 67

Literaturverzeichnis

Anhang

A Abb. A-1: Gebietskulisse der RL Freiwillige Gewässerschutzleistungen ST (idF v. 02.12. 2009)

Abb. A-2: Chemischer Zustand der Grundwasserkörper im Koordinierungsraum Mittlere Elbe aus dem Gewässerrahmenkonzept für das Land Sachsen-Anhalt (REFERAT WASSER, LVwA ST, 2008)

B Berechnung der Stofffrachten an Nitrat und Reinstickstoff und der mittleren Nitratkonzentration in der Sickerwassermenge (nach MEIßNER, R.; o. J.)

C Lysimeterdaten

Danksagung

VI

Abkürzungsverzeichnis

^{Abb. Abbildung abfr. abfrierend ALFF, ÄLFF Amt/Ämter für Landwirtschaft, Flurneuordnung und Forsten in ST Anh. Anhang C} org ^{organischer Kohlenstoff dav. davon DS Direktsaat DüV Düngeverordnung DWD Deutscher Wetterdienst ET Evapotranspiration tatsächliche Evapotranspiration ET a ET} p ^{potentielle Evapotranspiration Grasreferenzverdunstung ET 0 EU-WRRL Europäische Wasserrahmenrichtlinie FAO Food and Agricultural Organisation FM Frischmasse GW Grundwasser H} 2 ^{O Wasser KA5 Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. Auflage KWB Klimatische Wasserbilanz LFBMV Landwirtschaftliche Fachbehörde des Landes Mecklenburg-Vorpommern LHW Landesbetrieb für Hochwasserschutz und Wasserwirtschaft ST LLFG Landesanstalt für Landwirtschaft, Forsten und Gartenbau ST ls lehmiger Sand (nach KA5) LVLF Landesamt für Verbraucherschutz, Landwirtschaft und Flurneuordnung Frankfurt (Oder) LVwA Landesverwaltungsamt ST MLU Ministerium für Landwirtschaft und Umwelt ST MSL Markt- und standortangepasste Landbewirtschaftung (Förderprogramm in ST) N Stickstoff N} 2 ^{molekularer N, Luftstickstoff nFk nutzbare Feldkapazität N} min ^{mineralisierter, pflanzenverfügbarer Stickstoff + NH} 4 ^{Ammonium NO} 2 ֿ Nitrit

^NO 3 ֿ ^{& NO} 3 ֿ ^{-N Nitrat & Nitratstickstoff (Reinstickstoffanteil in Nitrat) NWLYS non-weighing lysimeter (nicht-wägbare Lysimeter) OBS organische Bodensubstanz (Humus) O} 2 ^{Sauerstoff P Phosphor, auch Abk. für Niederschlag P} korr. korrigierter Niederschlag RL-FGL Richtlinie - Freiwillige Gewässerschutzleistungen SG Sommergerste sl sandiger Lehm (nach KA5) So., Wi. Sommer, Winter So.bl./Sonnenbl. Sonnenblume ST Sachsen-Anhalt SW Sickerwasser(menge), (unterirdischer Abfluss, vertikale Wasserversickerung) ∆ S Wasserspeicheränderung des Bodens Tab. Tabelle tl toniger Lehm (nach KA5) TM Trockenmasse UFZ Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung WLYS weighing lysimeter (wägbare Lysimeter) WG Wintergerste WW Winterweizen ZF Zwischenfrucht ZR Zuckerrübe Ø Mittelwert, arithmetisches Mittel

VII

Tabellenverzeichnis

Tab. 1:

Tab. 2:

Tab. 3:

Tab. 4:

Tab. 5:

Tab. 6:

Tab. 7:

Tab. 8:

Tab. 9:

Tab. 10:

Tab. 11:

Verzeichnis der Abbildungen

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

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

Abb. 3: Aufbauplan der ausgewählten nicht wägbaren Lysimeter

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

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

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

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

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

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

VIII

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Abb. 18:

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

Abb. 20a: Ausgewaschene Nitrat-Frachten und Anteile Reinstickstoff (NO 3 ֿ -N) im ersten Lysimeterversuchsjahr 2009/2010

Abb. 20b: Ausgewaschene Nitrat-Frachten und Anteile Reinstickstoff (NO 3 ֿ -N) von Mai bis November des zweiten Lysimeterversuchsjahres 2010/11

Abb. 21: Vergleich der Nitrat-Stickstoff-Frachten vor und zu Versuchsbeginn in den Lysimeterjahren 2008/09 und 2009/10

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

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

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

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

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

1

Kapitel 1

Problem- und Zielstellungen

1.1 Stickstoffauswaschung aus Agrarökosystemen und Umweltwirkungen

Das Makronährelement Stickstoff (N) in der Pedosphäre ist für die Kulturpflanzenproduktion essentiell und ertragsbestimmend (LEINWEBER, P. et. al.; 2007 und SCHEF-FER, F.; SCHACHTSCHABEL, P. et. al.; 2002). Den landwirtschaftlichen N-Kreislauf zeigt Abb. 1. Zwischen einem bis zu zehn Gewichtsprozent der Pflanzen kann N ausmachen. N ist dabei Bestandteil von Proteinen, Aminosäuren, Ribonukleinsäuren, Desoxyribonukleinsäuren und anderen organischen Verbindungen. (SCHLUNGBAUM, G.; 2005). Die Pflanzenwurzeln können N ausschließlich - bis auf wenige Ausnahmen - in ⁺ ), das bei der Ammonifikation entsteht, und anorganischer Form von Ammonium (NH 4

von Nitrat (NO 3 ֿ ), das durch Nitrifikation gebildet wird, aufnehmen (LEINWEBER, P. et. al.; 2007 und SCHLUNGBAUM, G.; 2005).

Abb. 1: Schema des landwirtschaftlichen -Kreislaufes (in Anlehnung an S. L. JANSSON, In: SCHEFFER, F.; SCHACHTSCHABEL, P. et. al.; 2002)

Neben dem N-Bedarf der aktuell angebauten Kultur fließen der mineralisch gebundene, pflanzenverfügbare Stickstoff (N min ) im Wurzelraum, die N min -Nachlieferung aus der organischen Substanz des Bodens (OBS, Humus), darunter insbesondere die N min -Lieferung aus Rückständen der Vorfrucht einschließlich der gegebenenfalls erfolgten organischen (Herbst-)Düngung in die N-Bilanzen zur Düngebedarfsermittlung und Ableitung der N-Düngeempfehlungen ein (VON WULFFEN, LLFG ST et. al.; 2008 und LEIN-WEBER, P. et. al.; 2007). Folgt der Ernte keine unmittelbare Neuansaat, kann dem vege- tationslosen Boden kein NO 3 ֿ mehr zur Biomasseakkumulation entzogen werden

2

(LEINWEBER, P. et. al.; 2007). Dann können die NO 3 ֿ -Anionen bei entsprechendem Bodenwasserhaushalt vermehrt der Auswaschung aus dem Wurzelraum in das Grund- ⁺ -Kationeni. d. R. nicht angereichert wasser (GW) ausgesetzt sein, während die NH 4

werden, weil die mikrobielle Umwandlung in leicht lösliches NO 3 ֿ im temperierten ⁺ ausge-Klimabereich in Böden unter aeroben Verhältnissen schneller verläuft als NH ⁴ waschen wird. (SCHEFFER, F.; SCHACHTSCHABEL, P. et. al.; 2002). Neben ihrer humantoxikologischen Relevanz beim Trinkwasser führen diffuse NO 3 ֿ -Einträge aus Ackerböden in GW und über diesen Pfad weiter in Oberflächengewässer zur Eutrophierung aquatischer Ökosysteme und Landschaften in den Einzugsgebieten dieser Gewässer. Bei der Eutrophierung kommt es zu Algenmassenblühen, Wasserverlusten, Verlandungsprozessen und zur Artenverarmung durch Verdrängung der auf nährstoffarme Bedingungen spezialisierten Flora und Fauna. Für den Acker- und Pflanzenbau bedeutet bei der Perkolation ausgespültes NO 3 ֿ das Herabsetzen der N-Effizienz des Bodennutzungssystems mit seiner Fruchtfolge. (LEINWEBER, P. et. al.; 2007 und SCHLUNGBAUM, G.; SELIG, U.; 2008) Während der Trinkwassergrenzwert für NO 3 ֿ bei 50 mg l ^-1 in der TrinkwV (idF v. 21.05. 2001) gesetzlich festgelegt wurde, setzt der wissenschaftliche Eutrophierungsgrenzwert bei der Wechselwirkung zwischen N und Phosphor (P) an: Das Phytoplankton und andere Wasserpflanzen produzieren bei Vorliegen der N- und P-Verbindungen im Verhältnis 16:1 verstärkt Biomasse (ZENTRUM FÜR ALLGEMEINE WISSENSCHAFTLICHE WEITERBILDUNG DER UNIVERSITÄT ULM, 2010). Die N-Konzentrationen sind in den Gewässern häufig sehr viel höher als sie von diesen Algen gebraucht werden. In diesen Fällen wirken die P-Konzentrationen limitierend auf die Eutrophierungen. Bei sehr hohen P-Konzentrationen kann N das eutrophierende Pflanzenwachstum limitieren. (SCHLUNGBAUM, G.; SELIG, U.; 2008). Darum gilt es, anthropogene N- und P-Einträge in Gewässer zu vermeiden.

1.1.1 Die Stickstofffixierung durch Leguminosen

Leguminosen (Leguminosae, Fabales, Hülsenfrüchtige) sind eine zu den Rosidae gehörende Ordnung höherer Pflanzen. Die Wurzeln der Leguminosen aus der Familie der Fabaceae leben in Symbiose mit Rhizobium-Bakterienarten, sogenannten Knöllchenbakterien, die unter Ausbildung charakteristischer Wucherungen bzw. Knöllchen an den Wurzeln molekularen Stickstoff (N 2 ) biologisch binden. Der Familie der Fabaceae (Papilionaceae, Schmetterlingsblütler) werden viele Gattungen wichtiger Futter- und Eiweißpflanzen wie Klee, Luzerne, Erbse, Bohne und Lupine zugeordnet. (SCHÜTT, P. et. al.; 2007 und LERCH, G.; 1991). Die Wurzelknöllchen entstehen nicht obligatorisch mit der Leguminosenentwicklung, sondern werden stets durch bakterielle Neuinfektion induziert. Zwischen gebildeten Knöllchen und Wurzelgewebe der Wirtspflanzen findet nach der Infektionsphase ein reger Stoffaustausch statt. Das Enzym Nitrogenase, mit dessen Hilfe Luftstickstoff gebunden werden kann, wird synthetisiert. Unter echten Symbioseverhältnissen beziehen Bakteroide Wasser, Mineralstoffe und Kohlenhydrate von der Wirtsleguminose und liefern dafür organische N-Verbindungen in Form von Aminosäuren und ihrer Derivate u. a. an die Wurzelzellen. Die Leistung der symbiotischen N 2 -Fixierungssysteme wird beeinflusst durch Wechselwirkungen zwischen:

▪ Bodentemperatur im Wurzelbereich und darum Aussaattermin (Optimum für Leguminosen des gemäßigten Klimas: 20 bis 24 °C, Minimum: 7 °C, Erhöhte Temperaturen beschleunigen die Alterung der Knöllchen. Winterleguminosen müssen rechtzeitig im Herbst ausgesät werden, damit bei noch milden Bodentemperaturen ausreichend

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Knöllchen gebildet werden können.)

▪ Bodenfeuchtigkeit (Wassermangel hemmt die Beweglichkeit der Rhizobien und den Gasaustausch im Boden, wodurch weniger Wurzeln langsamer infiziert werden oder die Nitrogenase-Aktivität sinkt. Überflutungen unterdrücken mangels Bodendurchlüftung und Sauerstoff (O 2 ) -Versorgung der Wurzeln die Knöllchenbildung und N 2 -Fixierung.)

▪ pH-Wert des Bodens (Bodenversauerung bei pH < 4,5 hemmt die symbiotische Bindung von N 2 aus der Luft. Das Optimum liegt zwischen schwach saurer bis schwach alkalischer Reaktion.)

▪ CO 2 -Angebot, auch über organische Düngung (Durch gesteigerte Photosynthese wird die Symbiose zwischen Rhizobien und Leguminosen gefördert.)

▪ mineralischer N-Düngung (Mineralische N-Dünger haben mit Ausnahme bei starkem N-Mangel im Boden hemmende Wirkung. Insbesondere NO 3 ֿ verzögert und unterdrückt die Infektion der Wurzeln mit Rhizobien, die Knöllchenbildung sowie N 2 -Fixierung . Zu hohe N min -Gaben zerstören Feinstrukturen der Knöllchengewebe und zersetzen Bakteroide. Die Wirtsleguminosen bevorzugen zudem den leichter zugänglichen N min , anstatt den Umweg über Bakteroidensymbiose zu wählen. Nur bei starkem N-Mangel im Boden verhält es sich anders. Daher spricht LERCH (1991) von einer kritischen Grenze für leguminosenverfügbaren Bodenstickstoff.

▪ Lichtstärke (Die Knöllchenbildung läuft erst bei 50 % Lichtgenuss normal ab. Das Optimum wird bei zunehmender Beleuchtungsstärke bei 80 % erreicht. Zu starkes Licht wirkt hemmend.)

▪ Einflussgrößen, die auf die Lebensweise der spezialisierten Rhizobienstämme im Boden und ihre Befähigung zur Infektion von Leguminosenwurzeln wirken (Rhizobien sind keine obligaten Symbionten, aber können lange im Boden leben. Keimtötende Pflanzenschutzmittel wie Fungizide können die Infektionstüchtigkeit der Knöllchenbakterien beeinträchtigen. Um solchen unwägbaren Bodeneinflüssen zu begegnen, wird der Boden vor der Aussaat mit passenden Rhizobienstämmen geimpft.)

und

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

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

Schätzwerte für die symbiotisch fixierte N 2 -Menge der Leguminosen betragen 120 kg ha ^-1 bei Erbsen, 150 kg ha ^-1 bei Ackerbohnen, 170 kg ha ^-1 bei Rotklee und 225 kg ha ^-1 bei Luzerne (SCHEFFER, F.; SCHACHTSCHABEL, P. et. al.; 2002). In Leguminosenbeständen des gemäßigten Klimas werden durchschnittlich 200 bis 300 kg ha ^-1 N 2 a ^-1 in Hauptfruchtstellung und 50 bis 70 kg ha ^-1 N 2 a ^-1 als Zwischenfrüchte durch Knöllchenbakterien nutzbar gemacht (KÄMPF, R.; 1987). Starke Abweichungen sind durch vorher geschilderte Einflussgrößen möglich. Mit dem Verblühen der Wirtspflanzen bei einjährigen Leguminosenarten bzw. -anbau oder erst nach mehreren Jahren bei andauernden Leguminosen altern die Knöllchenzellen, sterben ab und werden zerfallend abgebaut. Die Reste der Zellinhalte der Wurzelknöllchen können ggf. noch von den Wirtsleguminosen verdaut werden, bevor auch diese absterben (abfrieren), zur Gründüngung umgebrochen oder zur Futter-, Nahrungs- bzw. Biomassegewinnung geerntet werden. (LERCH, G.; 1991). Der beim Abbau der Wurzeln und Pflanzenreste durch Bodentiere und Mikroorganismen hinterlassene N wird für die Nachfrucht erst durch Mineralisie-

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rung und Nitrifikation pflanzenverfügbar. Die Ausnutzung des N aus Leguminosen als Vorfrucht durch nicht legume Kulturpflanzen liegt zwischen 12 und 50 Prozent, so dass der Nachfrucht eine N-Menge von 15 bis 80 kg ha ^-1 zur Verfügung steht (KÄMPF, R.; 1987). Die Werte in der DüV (idF v. 27.02. 2007) für anzurechnende pflanzennutzbare N-Lieferungen aus Vorfrüchten reichen z. Zt. jedoch nur bis maximal 40 kg N ha ^-1 .

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

Der Untersuchungsstandort Falkenberg (Altmark) befindet sich im Landkreis Stendal im Norden des Bundeslandes Sachsen-Anhalt (ST). Zur Altmark zählt auch der Landkreis Salzwedel. ST befindet sich mit 97 Prozent der Landesfläche im Flussgebiet der Elbe. Die übrigen 3 Prozent Landesfläche liegen im benachbarten Flussgebiet der Weser. Das Bundesland hat Anteile an 77 Grundwasserkörpern, von denen sich etwa die Hälfte in noch keinem guten chemischen Zustand befindet, wie er laut EU-WRRL (idF v. 23.10. 2000) bis Ablauf des Jahres 2015 bzw. bei Fristverlängerung wie auch in ST später erreicht sein soll. Ursache hierfür sind unter anderem diffuse Nährstoffbelastungen aus Ackerböden, die noch über den Anforderungen der EU-WRRL liegen. (REF- ERATWASSER, LVwA ST, 2008). Über den Pfad Boden-GW-Oberflächengewässer können N-Frachten in Seen und Flüsse gelangen. Insbesondere die NO 3 ֿ -Konzentrationen in den Fließgewässern mit den chemischen Güteklassifikationen II/III bis IV sind zu hoch und befinden sich teilweise in der Altmark (LHW ST, 2005). Die mengenmäßigen Zustände der Grundwasserkörper sind überwiegend gut - in der Altmark zu 100 Prozent.

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

Derzeit können Landwirtschaftsbetriebe in der Gebietskulisse des Landesförderprogrammes „freiwillige Gewässerschutzleistungen“ gemäß RL FGL ST (idF v. 02.12. 2009) Zuwendungen in Höhe von 63,- € ha ^-1 erhalten, wenn sie eine spezielles Düngemanagement zum Erreichen, Einhalten oder Unterschreiten eines jährlichen Zielsaldos von 40 kg ha ^-1 ein- und durchführen. Die in der RL FGL ST (idF v. 02.12. 2009) festgesetzte Gebietskulisse in der Altmark (vgl. Abb. A-1 in Anh. A) entspricht dem Grundwasserkörper „MBA 2“ mit Namen „Altmärkische Moränenlandschaft (Biese)“, dessen chemischer Zustand schlecht ist (vgl. Abb. A-2 in Anh. A) und im prioritären Beobachtungsraum „MEL 05 - Milde/Biese/Aaland“ liegt (REFERAT WASSER, LVwA ST, 2008). Die Verpflichtung, die N-Düngung anhand einer Düngeempfehlung auf der Grundlage

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von N-Untersuchungen in jedem Frühjahr für alle beantragten förderfähigen Ackerflächen vorzunehmen und die empfohlene Düngehöhe der ersten und zweiten N-Gabe zu unter- aber nicht zu überschreiten, besteht laut RL-FGL ST (idF v. 02.12. 2009) nicht, soweit zu Leguminosen und Leguminosengemengen keine N-Düngung erfolgt.

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

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

In der Altmark sind Tieflandsböden mit Pseudogley-Braunerde aus lehmigem Geschie-bedecksand über Geschiebelehm häufig vorkommend (BISCHOFF, J.; 2010 und FELD-HAUS, D.; HARTMANN, K.-J et. al.; 2006). Diese Böden werden zum großen Teil acker-und pflanzenbaulich genutzt. Mais ist in der von Milchviehhaltung und Biogasanlagen geprägten Agrarregion neben Wintergetreide und -raps eine bedeutende Hauptanbaukultur (MLU, o. J./ 2008). Die Zahl der Landwirte, die konservierende Bodenbearbeitungsverfahren einschließlich Direktsaat zum Schutz vor Bodenerosion und zur Verbesserung der Infiltration sowie Wasserspeicherfähigkeit des Bodens durch OBS nutzen, erfährt stetigen Zuwachs (EPPERLEIN, J.; GKB; 2010). Der Zwischenfruchtanbau kann enge Maisfruchtfolgen auflockern, dient der Gründüngung, dem Erosionsschutz, der biologischen Unkrautregulierung und kann als Futter oder zur Biogasgewinnung verwendet werden. Tiefwurzelnde Arten wie Lupine, Ölrettich, Ackerbohne und einige Kleearten mit kräftigen tiefreichenden Pfahlwurzeln werden zur Sanierung von Bodenschadverdichtungen und Unterbodenlockerung eingesetzt. (BISCHOFF, J.; HOFMAN, B.; 2009

Auf der Grundlage dreijähriger N min -Frühjahrsvergleichswerte der LLFG ST (2010) in Tab. 1 lässt sich die aktuelle N-Dynamik der ackerbaulich genutzten sandigen Lehme (sl) und lehmigen Sande (ls) in der Altmark charakterisieren. Im Jahr 2009 lagen die mittleren N min -Gehalte dieser beiden Bodenarten in der Altmark um 22 bzw. 26 kg ha ^-1 über denen des Jahres 2010 und sogar um 32 bzw. 45 kg ha ^-1 über denen des Jahres 2008. Hieran ist ersichtlich, dass in jedem Frühjahr standortspezifische Stickstoffbedarfsanalysen (SBA) vor den N-Düngungsmaßnahmen in Abhängigkeit von dem Bedarf des rezent angebauten Fruchtfolgegliedes unabdinglich sind - bei mehreren Frühjahrsgaben am präzisesten vor jeder Einzeldüngungsmaßnahme, um N-Verluste durch Auswaschung zu minimieren (LAURENZ, L.; 2010). Ursachen für die von Frühjahr zu Früh- ⁺ ,NO 3 ֿ ) eines Standjahr veränderlichen Bodenvorräte an pflanzenverfügbarem N (NH ⁴ ortes sind die Zu- und Abnahme sowie Mobilisierung und Immobilisierung der Arten

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und Mengen organischer N-Reserven, die in N-Bodenpools gebunden oder fixiert oder je nach mikrobiellen Ammonifikations- und Nitrifikationsleistungen des Edaphons im ⁺ -Kationenaustauschkapazität und NO 3 ֿ -An-Bodenwasser in Abhängigkeit von der NH 4

ionensorption gelöst vorliegen können. Im Pflanzenbau beeinflussen des Weiteren Wechselwirkungen zwischen Bodenart, Witterung - insbesondere Bodentemperatur und Bodenwasserhaushalt -, Fruchtarten und -folge sowie N-Düngung einschließlich Dün-gerformen und Düngungsniveaus die zeitlich variierenden N min -Gehalte der Böden. (LEINWEBER, P. et. al.; 2007 und SCHEFFER, F.; SCHACHTSCHABEL, P. et. al.; 2002). Im Hinblick auf Vorfruchteffekte auf die Nachlieferung von N wurden die mittleren N min -Gehalte der Böden Sachsen-Anhalts nach den Vorfruchtgruppen, die auch in den Lysimeterversuchen vorkamen, in die Tab. 1 aufgenommen. Die höchsten mittleren N min -Gehalte in den Schichten 30 bis 60 bis 90 cm tauchten nach einjährigen Körnerleguminosen zu Vegetationsbeginn 2009 auf. In der obersten Bodenschicht (der Krume) bis 30 cm hinterließen Futterpflanzen von allen Vorfruchtgruppen den meisten N min . Die höchsten Minimumwerte für N min lagen sowohl 2009 als auch 2010 nach Zwischenfrüchten im Boden vor - allerdings beruhen diese Werte nur auf ein bis zwei Proben jährlich ohne Benennung der Fruchtarten. Nach Getreide wurde im Frühjahr 2008 mit 465 kg ha ^-1 der höchste N min -Einzelwert festgestellt.

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

* ² n: Probenanzahl

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

1.2 Problembeschreibung und Zielsetzungen

Der Anbau von ungedüngten Körnerleguminosen wie Erbsen und Lupinen in einer Fruchtfolge kann in Wechselwirkung mit NO 3 ֿ -Konzentrationen im GW stehen. Nach der Ernte der Hülsenfrüchte als Hauptfrucht wird N durch Mikroorganismen freigesetzt und unterliegt zu leicht löslichem NO 3 ֿ nitrifiziert dem Risiko, mit dem Sickerwasser (SW) in das GW gespült zu werden - besonders dann, wenn nicht sofort eine Neuansaat nachfolgt. Nach Getreide können Haupt- oder Zwischenfrüchte zusätzlich zu den verfügbaren N-Rückständen der letzten Düngungsmaßnahme bis zu 75 Prozent anderweitigen Bodenstickstoff, etwa mobilisiert aus N-Pools, aufnehmen. Eine Ausnahme bilden dabei Leguminosen, die dem Boden während ihres Wachstums als „N-Mehrer“ weniger N entziehen als Nicht-Leguminosen, die als „N-Zehrer“ gelten. Entscheidend für den NO 3 ֿ -Austrag mit dem unterirdischen Abfluss kann sich auswirken, ob die Zwischenfrucht abfriert oder vor dem Winter umgebrochen und der Aufwuchs in den Boden eingearbeitet wird, wobei wieder N durch Mineralisation freigesetzt werden kann. Die Aberntung des Aufwuchses verringert die in den Boden gelangende, ggf. proteinreiche Grünmasse und damit den Anteil N min , aber kann die Humusbilanz ungünstiger werden lassen. (KÄMPF, R.; 1987).

Die Fruchtfolgegestaltung durch Auswahl und Anbau-Reihenfolge von legumen und nichtlegumen Fruchtarten in Haupt- und Zwischenfruchtstellung sowie alle organischen und mineralischen N-Düngungs- und Bodenbearbeitungsmaßnahmen sowie Bewirtschaftungsweisen während dieser Fruchtfolge können wesentlichen Einfluss auf die NO 3 ֿ -Auswaschung in das GW haben. Mit den vorliegenden Lysimeterversuchsauswertungen wird dieser Einfluss der Fruchtfolgegestaltung auf sl in Wechselwirkung mit den Klimabedingungen der Altmark analysiert, um experimentell begründete Entscheidungshilfen und Empfehlungen für standortspezifische Anpassungsstrategien zur Vermeidung von N-Auswaschungsverlusten - konform mit der EU-WRRL (idF v. 23.10. 2000) - geben zu können. (SCHRÖDTER, M.; LLFG ST; 2009). Übergeordnete Ziele waren es, diffuse N-Einträge des Ackerbaus in das GW zu quantifizieren und Erkenntnisse über Fruchtfolgen hinsichtlich ihres Einflusses auf die N-Verlagerung in der ungesättigten Zone in Wechselwirkung mit der GW-Neubildung zu gewinnen.

1.3 Forschungsstand und bisherige Versuchsergebnisse

Über Fruchtfolgen einschließlich Zwischenfruchtanbau mit und ohne Leguminosen ist allgemein schon Vieles bekannt, aber es mangelt an konkreten Erkenntnissen unter bestimmten Standortbedingungen, die sich aus lokalen bis regionalen Boden- und Klimagegebenheiten zusammensetzen. Zudem befindet sich das Klima im globalen Wandel, so dass Forschungsbedarf hinsichtlich der Auswirkungen der klimatischen Veränderungen auf die N-Dynamik in einer Fruchtfolge besteht. SPIESS, E. und STAUFFER, W. (2007) wiesen auf ungenügende Kenntnisse über den Einfluss der Leguminosen auf die NO 3 ֿ -Auswaschung hin.

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BERG, M. (2005) fand bei der Auswertung von N min -Untersuchungen und Messungen des NO 3 ֿ -Gehaltes eines ls und eines tonigen Lehms (tl) mittels Saugkerzen in der SW-Periode heraus, dass sich mit ökologischem Landbau die NO 3 ֿ -Austräge gegenüber konventionellen und auch integrierten Bewirtschaftungsweisen deutlich verringern lassen. Hinsichtlich des NO 3 ֿ -Gehaltes im Boden ergab sich die Reihenfolge: ökologisch < integriert < konventionell. Eine Versuchsfrage war, ob durch den Anbau von Leguminosen mit höheren N-Austrägen zu rechnen sei. Körnererbsen, Ackerbohnen und Kleegras wurden ökologisch angebaut. Nach Ackerbohnen stand als Zwischenfrucht Ölrettich aus Untersaat und nach Körnererbsen Winterrübse als Blanksaat. Nach dem Zerstören der Kleegrasnarbe wurde vor Zuckerrüben eine Gelbsenf-Zwischenfrucht eingeschoben. In allen Anbausystemen konnten die Brassicaceen-Zwischenfrüchte die Rest-NO 3 ֿ -Mengen vor dem Winter auf unter 25 kg ha ^-1 im Boden senken und führten zu niedrigen NO 3 ֿ -Austrägen und NO 3 ֿ -Konzentrationen, insbesondere unter der Zwischenfrucht nach Körnerleguminosen. HAUGGAARD-NIELSEN, H. et. al. (2009) bestätigten mit einem Lysimeterexperiment unter sl, dass die NO 3 ֿ -Versickerungen nach Körnerleguminosen (Bohne, Lupine, Erbse) signifikant verringert werden konnten, wenn über den Herbst und Winter N auffangende Kulturen (Kleegrasmischung aus Untersaat) vor dem nachfolgenden Sommerweizen angebaut wurden. BERG, M. (2005) stellte weiter fest, dass nach Absterben der Zwischenfrüchte frei werdender NO 3 ֿ -N jedoch z. T. rasch und für die Nachfrucht Kartoffeln nicht erreichbar aus dem Wurzelraum des ls verlagert wurde. Ein vergleichsweise hoher N-Austrag in einem Versuchsjahr unter Senf-Zwischenfrüchten wurde auf eine späte Saat und nicht unerheblich auf die N-Freisetzung aus der abgestorbenen Pflanzenmasse im Frühjahr zurückgeführt. Andernfalls wurde bis in 1,50 m Bodentiefe verlagertes NO 3 ֿ von den nachfolgenden Zuckerrüben aufgenommen, so dass im Herbst der NO 3 ֿ -N-Bodengehalt bis 90 cm Tiefe des tl bei ökologischer Bewirtschaftung trotz Leguminosen in der Fruchtfolge im dreijährigen Mittel mit 48 kg ha ^-1 um 13 und 24 kg ha ^-1 niedriger war als bei integrierter und konventionellen Fruchtfolgen ohne Leguminosen. Unter Kleegras waren die NO 3 ֿ -Gehalte stets niedrig. Zu Kartoffeln sowie anderen Körnererbsen wurde das Kleegras erst im Frühjahr bzw. unmittelbar vor der folgenden Aussaat umgebrochen. Die Bedeutung der Höhe der N-Düngung schien auf austragsgefährdeten Standorten gegenüber anderen Bewirtschaftungsmaßnahmen, wie Umbruchtermin oder Absterbezeitpunkt und Art der Zwischenfrucht zurückzutreten. Geringere NO 3 ֿ -Austräge ergaben sich bei BERG, M. (2005) aufgrund geringerer SW-Mengen bei hohen mittleren NO 3 ֿ -Gehalten. Bei hohen SW-Mengen wurde unter ls wesentlich mehr N ausgetragen als unter tl. Überdurchschnittlich hohe Niederschläge in einem Winterhalbjahr führten an beiden Standorten zu NO 3 ֿ -Verlagerungen aus dem untersuchten Bodenraum, während sie in niederschlagsarmen Wintern und Frühjahren nur in dem durchlässigen Boden auftraten, weil der ls Feldkapazität erreicht hatte.

SPIESS, E. und STAUFFER, W. (2007) untersuchten mittels Lysimetergefässen, die mit Quarzsand und 3 Prozent Bentonit befüllt waren, die ausgewaschenen NO 3 ֿ -Mengen bei Reinbeständen von Luzerne, Rot- sowie Weissklee. Die SW-Mengen nahmen i. d. R. mit steigenden Niederschlägen zu, aber auch mit sinkenden Erträgen infolge der geringeren Transpiration. Die jährliche NO 3 ֿ -Auswaschung betrug im Mittel bei allen drei Leguminosenarten unter 10 kg N ha ^-1 . Beträchtliche Schwankungen zwischen den Lysimeterjahren waren stärker auf Unterschiede im NO 3 ֿ -Gehalt als in der SW-Menge zurückzuführen. Die biologische N 2 -Fixierung betrug 497 kg ha ^-1 N bei Luzerne, 376 kg ha ^-1 bei Rotklee und 281 kg ha ^-1 bei Weissklee. Von diesen N-Entzügen der oberirdischen Pflanzenmasse konnten maximal 25 kg N ha ^-1 aus Deposition stammen. Aufgrund des künstlichen Bodensubstrates kam es zu keiner Auswaschung infolge der Minerali-

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sierung von Humus. Der N-Entzug und somit die Erträge nahmen während der siebenjährigen Versuchszeit einschließlich Ansaatjahr stark ab.

Berichte zum pflanzenbaulichen GW-Schutz im Oberpfälzer Jura (STEINERT, K.; 2008) und in Donauried-Hürbe (KAATZ, C.; HAAKH, F.; 2005) trugen im Ergebnis eines vierjährigen Forschungsprojektes „Vergleich optimierter mit konventioneller Ackernutzung“ (Donauried) und eines GW-Schutzprojektes auf Grundlage freiwilliger Bewirtschaftungsverträge (Oberpfalz), bei dem die NO 3 ֿ -Auswaschung in den Wintermonaten aus der Differenz zwischen N min -Werten im Herbst und Frühjahr erfasst wurden, ähnliche geeignete Maßnahmen zum GW-Schutz im Pflanzenbau zusammen. Darunter bildete die konservierende Bodenbearbeitung einen wesentlichen Bestandteil der Strategien. Darüber hinaus konnten N-Verluste durch grundwasserschonende Umstellung bzw. Erweiterung der Fruchtfolge, Zwischenfruchtanbau, Maisanbau mit (winterharter) Untersaat, Herbstbegrünung und reduzierte N-Düngung in Unterfuß- oder Reihenausbringung mit maximalen Einzelgaben von 50 kg N ha ^-1 im Abstand von mindestens drei Wochen nach schlagspezifischen Düngeempfehlungen auf Grundlage von Bodenproben deutlich verringert werden. N-Überschüsse konnten bei stabilen Erträgen und Qualitäten auf 50 bis 60 Prozent gesenkt werden. Die N min -Werte der Flächen mit optimierter Ackernutzung lagen in Donauried etwa auf Niveau des parallel untersuchten Dauergrünlands bei konstant niedrigen N min -Werten im auswaschungsrelevanten Zeitraum Oktober bis März. In der Oberpfalz wird ein Herbst-N min von unter 40 kg ha ^-1 angestrebt, indem z. B. nach Sommerkulturen wie Silomais konsequent Sommerzwischenfrüchte angebaut werden. Eine weitere Senkung der NO 3 ֿ -Einträge in das GW wird hier mittels Precision Farming zur teiflächenspezifischen N-Düngung anvisiert. Dadurch verbleibe dann kaum noch auswaschungsgefährdeter Rest-N im Boden.

1.4 Versuchsfragen

SW-Mengen und NO 3 ֿ -Konzentrationen im GW stehen in enger Wechselwirkung zu-einander (SCHEFFER, F.; SCHACHTSCHABEL, P. et. al.; 2002). Daher wurden zunächst das Auftreten von SW-Mengen und die bedeutendsten Einflussgrößen, insbesondere die Niederschlagsmenge und -verteilung sowie die Evapotranspiration (ET) darauf analysiert, ob sich der globale Klimawandel auch regional bis lokal in der Altmark bemerkbar macht. Die klimatischen Verhältnisse können im Jahresverlauf und zwischen den Jahren stark variieren, was vorab zu untersuchen war. Leguminosen können als Haupt- oder Zwischenfrüchte angebaut werden. Ferner können Zwischenfrüchte vor dem Winter umgebrochen werden oder bis zur Direktsaat im Frühjahr abfrieren. (RENIUS, W.; LÜT-KE ENTRUP, N.; 1992). Die zentrale Versuchsfrage war: Führen Fruchtfolgen mit Leguminosen auf der Bodenart sl unter den vorherrschenden Klimabedingungen in Falkenberg in der Altmark zu höheren O 3 ֿ -Konzentrationen im SW als Fruchtfolgen ohne Leguminosen? Verschiedene Bewirtschaftungsweisen wie die konservierende Bodenbearbeitung, der ökologische Landbau und der integrierte Pflanzenbau beeinflussen im Ergebnis von Versuchen (vgl. Kap. 1.3) die Bodeneigenschaften und damit den NO 3 ֿ -Austrag in das GW unterschiedlich. Zudem haben legume Feldfrüchte, insbesondere Eiweißpflanzen wie Lupinen und Erbsen, eine hohe Vorfruchtwirkung bezüglich der N min -Lieferung. Daher stellten sich weiterhin die Fragen, wann und unter welchen Bedingungen es mit und ohne Leguminosen in der Fruchtfolge zu überdurchschnittlichen O 3 ֿ -Konzentrationen in mehr oder weniger hohen SW-Meng-

en und damit zu unterschiedlich hohen O 3 ֿ --Frachten kommt. Dabei ist von Interesse in welchem Grad NO 3 ֿ -Frachten sowie Anteile molekularen Stickstoffs (NO 3 ֿ

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-N) verloren gehen und die N-Effizienz der jeweiligen Fruchtfolge schmälern. Aus langjährigen Versuchsreihen lassen sich grundsätzlich gesichertere wissenschaftliche Aussagen ableiten als von Daten aus nur ein bis zwei Lysimeterjahren (RASCH, D. et. al.; 2007). Parallel zu den Daten des ersten Lysimeterversuchsjahres und sieben weiterer Monate wurden darum Langzeitlysimetertestdaten zu folgenden Aspekten untersucht:

▪ Zeiträume der GW-Neubildung und Höhe der SW-Mengen unter sl und Fruchtfolge gliedern bei Klimabedingungen am Standort Falkenberg in der Altmark ▪ Zeitliches Auftreten und Höhe der NO 3 ֿ -Konzentrationen bzw. NO 3 ֿ -Frachten bzw. NO 3 ֿ -N-Frachten in den Sickerwässern unter Fruchtfolgegliedern auf sl im Vergleich

▪ Ermittlung der mittleren NO 3 ֿ -Konzentrationen als Produkte aus jährlichen SW-Mengen und jährlichen Gesamt-N-Frachten unter den Feldfrüchten im Vergleich

▪ Analyse variabler Faktoren (Fruchtart, Vorfrucht, Bewirtschaftungsweise, Bodenbearbeitungsverfahren, Düngung, Ertrag, N-Pflanzenentzug) darauf, wann hohe und wann niedrige NO 3 ֿ -Konzentrationen bzw. NO 3 ֿ -N-Frachten im SW vorkommen (Konstanten aller Fruchtfolgeglieder waren die Lysimeterbodenart sl und das Klima)

▪ N-Effizienz der Fruchtfolgeglieder auf Grundlage von N-Bilanzen durch Gegenüberstellung der N-Entzüge (N-Pflanzenentzüge, Verluste an NO 3 ֿ -N-Frachten im SW) und der N-Zufuhren (Vorfruchtlieferung, N 2 -Fixierung der Leguminosen, Düngung)

▪ einordnender Vergleich der kurzzeitigen mit den langjährigen Lysimeterversuchsdaten

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Kapitel 2

Material und Methodik

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

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

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

2.1.1 Lysimeteraufbau

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