Regionetzwerk Nordrhein-Westfalen

2. Hintergrund

Das Nährstoffmanagement in ökologischen Gemüsebaufruchtfolgen ist durch hohen Stickstoffbedarf bei gleichzeitig geringem Phosphorbedarf geprägt. Organische Handelsdünger, die diese Kriterien erfüllen, sind in ausreichender Qualität knapp, teuer und teilweise in der Kritik. Durch die Verwendung von Leguminosen als Winterzwischenfrucht in Gemüsebaufruchtfolgen kann Stickstoff aus der Luft fixiert werden, ohne dass an den Stickstoff ein Import weiterer Nährstoffe gekoppelt ist. Die Höhe der legumen N-Bindung wird nicht nur durch die Menge des verfügbaren Stickstoffs, den Saatzeitpunkt und die Witterung, sondern auch maßgeblich durch die Zusammensetzung der Winterzwischenfrucht(mischung) beeinflusst. Aus diesem Grund wurden auf einem Betrieb des Regionetzwerkes NRW drei legume, winterharte Zwischenfrüchte in Bezug auf ihre N-Fixierleistung verglichen.

Ein weit verbreiteter Ansatz zur Bestimmung der N-Fixierleistung ist die ¹⁵N „natural abundance“ Methode. Mit der N-Isotopenbewertung lässt sich auch unter Praxisbedingungen der Anteil des gebundenen Luftstickstoffs relativ einfach bestimmen: Das schlagspezifische Verhältnis der Stickstoffisotope ¹⁵N und ¹⁴N wird an einer begleitend etablierten Nichtleguminose (in diesem Fall Grünroggen) ermittelt. Da in der Luft der Gehalt an ¹⁵N niedriger ist als im Boden, senkt N-Fixierung den Gehalt an ¹⁵N in der Pflanze. So kann die tatsächliche legume N-Bindung von aus dem Boden aufgenommenem Stickstoff unterschieden werden.

3. Versuchfrage

Welche legume Winterzwischenfrucht bindet auf dem Standort möglichst viel Luftstickstoff?

* Eine Beschreibung verschiedener Versuchstypen und einiger Grundbegriffe der Versuchsanstellung finden Sie hier(pdf-Datei, 0,4 MB).

Landsberger Gemenge, Wickroggen und Winterackerbohne wurden auf einem Sandstandort Mitte Oktober nach Süßkartoffelernte gesät (N_min Anfang November 0-90cm: 18 kg/ha). Im Wickroggen wurde nach Aufgang in 4x3m² großen Fenstern die Wicke händisch entfernt. Am 19. Mai wurde vor dem Umbruch der oberirdische Aufwuchs mit sog. Quadratmeterschnitten ermittelt. Im Anschluss wurden die Trockensubstanz (TS), der N-Gehalt, der Gehalt an¹⁵N-Isotopen und der C-Gehalt bestimmt.

6.1 Erfahrungen

Aufwuchs und gesamt gebundener Stickstoff

Erwartungsgemäß war der Aufwuchs in der Roggen-Reinsaat am geringsten. Dies lag am methodischen Vorgehen: Die Parzellen wurden als Wickroggen gesät und die Wicke wurde händisch entfernt, um eine leguminosenfreie Kontrolle für die N-Isotopenbewertung zu erhalten. Die Winterackerbohne hatte den höchsten Frischmasseertrag (272 dt ha^-1; n = 2) vor Landsberger Gemenge (206 dt ha^-1) und Wickroggen (176 dt ha^-1), jedoch geringe Trockensubstanz-Gehalte. Der höchste Trockenmasseertrag war beim Landsberger Gemenge zu finden (30 dt ha-1).
Im Winterackerbohnen-Bestand wurden sowohl die höchsten Mengen an Stickstoff insgesamt gebunden als auch aus der Luft fixiert (Abbildung 1). In den Mischungen war der Anteil legum gebundenen Stickstoffs am Gesamtstickstoff beim Landsberger Gemenge höher. Im November waren die Nmin-Werte unter Wickroggen (18 kg N_min ha^-1) niedriger als unter Winterackerbohne (33 kg N_min ha^-1).

Fixierungsleistung der Zwischenfrüchte

Die Winterackerbohne fällt durch ihr enges C/N-Verhältnis von 13 und eine hohe legume N-Bindung (146 bis 200 kg N ha^-1) auf. Der gebundene Stickstoff sollte also verhältnismäßig schnell mineralisiert werden und der Folgekultur zur Verfügung stehen. Im Landsberger Gemenge wurden mindestens 88 Kilogramm Stickstoff pro Hektar gebunden, bei einem weiteren C/N-Verhältnis von etwa 22. Die legume N-Bindung im Wickroggen schwankte am stärksten (53 bis 148 kg ha^-1), bei einem mittleren C/N-Verhältnis.

Die realisierte N-Fixierleistung der Winterackerbohne von 146 bis 200 Kilogramm Stickstoff pro Hektar ist hoch und sicherlich nur in einem gut etablierten Bestand bei spätem Umbruch (in diesem Fall Mitte Mai) erreichbar. Die Literaturwerte von durch verschiedene Leguminosenarten gebundenen Stickstoffmengen wurden im NutriNet hier zusammengestellt; derartig hohe Mengen sind eher der Ausnahmefall. Trotzdem zeigt dieses Beispiel, welche N-Mengen bei gutem Management und passenden Umweltbedingungen dem Nährstoffkreislauf zugeführt werden können.

Wie viel des gebundenen Stickstoffs der Folgekultur zur Verfügung steht, wird maßgeblich durch das C/N-Verhältnis bestimmt. Die Winterackerbohne weist ein sehr niedriges C/N-Verhältnis auf, was auf eine gute Düngewirkung für die Folgekultur schließen lässt. Etemadi et al. (2018)  beobachteten bei ähnlich hohen Fixierleistungen in abgefrorenen Sommerackerbohnen einen Düngeeffekt von 50 Kilogramm Stickstoff pro Hektar im nachfolgenden Zuckermais. Kolbe et al. (2004)  geben für die winterharte, aber etwas feinere Winterwicke eine N-Pflanzenverfügbarkeit von 50 bis 80 Prozent für die Folgekultur an, was im vorliegenden Versuch eine N-Wirkung von mindestens 73 Kilogramm Stickstoff erwarten ließe. Da der Streifenversuch nicht wiederholt war, ist die Aussagekraft der Beobachtungen auf Standort und Jahr beschränkt. Für eine genauere Untersuchung der Effekte, auch in Bezug auf die Düngewirkung der nachfolgenden Kultur, werden Folgeexperimente mit räumlicher Wiederholung angestrebt.

Mit der N-Isotopenbewertung lässt sich der Anteil des gebundenen Luftstickstoffs relativ einfach bestimmen; erforderlich ist lediglich eine Pflanzenprobe der Leguminose sowie der auf dem gleichen Schlag gewachsenen, nichtlegumen Referenzfrucht. So kann die tatsächliche N-Bindung von aus dem Boden aufgenommenem Stickstoff unterschieden werden.

• Etemadi, F., Hashemi, M., Zandvakili, O., Dolatabadian, A. and Sadeghpour, A. (2018), Nitrogen Contribution from Winter-Killed Faba Bean Cover Crop to Spring-Sown Sweet Corn in Conventional and No-Till Systems. Agronomy Journal 110: S. 455-462. 
• Kolbe, H. et al. (2004): Zwischenfrüchte im Ökolandbau. Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (Hrsg.), Dresden