Durch die Zunahme der Biogasproduktion in den letzten Jahren hat sich auch die Menge von Gärprodukten, die verbleibenden Rückstände, entsprechend erhöht. In Deutschland fallen jährlich mehr als 50 Millionen Tonnen Gärprodukte an, die als Dünger verwendet werden. Damit werden Nährstoffe in den Kreislauf landwirtschaftlicher Ökosysteme zurück-geführt. Allerdings sind die agroökologischen Wirkungen noch nicht hinreichend erforscht. Aus diesem Grund wurden die folgenden Parameter untersucht: Einfluss von trockenen und flüssigen Gärprodukten auf dem Ertrag von drei ausgewählten Fruchtarten im Vergleich zu oder in Kombination mit Mineraldünger in On-Farm Versuchen; Wachstum, Entwicklung und Ertrag von zwei ausgewählten Fruchtarten im Vergleich zu Mineraldünger, Gülle und Stallmist in einer vollständig randomisierten Blockanlage; Einfluss auf ausgewählte Bodenlebewesen im Vergleich zu Mineraldünger, Gülle und Stallmist in einer vollständig randomisierten Blockanlage. Zusätzlich wurde die Mineralisierung von flüssigen und festen Gärprodukten im Vergleich zu Gülle und Stallmist untersucht, um Effekte der verschiedenen Düngestoffe auf die Humusbildung unter kontrollierten Bedingungen zu bestimmen. / With the increase of biogas production in recent years, the amount of digestates or the remaining residues increased accordingly. Every year in Germany more than 50 million tons of digestates are produced, which are used as fertilizer. Thus nutrients return into the circulation of agricultural ecosystems. However, the agro-ecological effects have not been deeply researched until now. For this reason, the following parameters were quantified: the influence of dry and liquid fermentation products on the yield of three selected crops in comparison to or in combination with mineral-N-fertilizers in on-farm experiments; the growth, development and yield of two selected crops in comparison to mineral-N-fertilizer, liquid manure and farmyard manure in a randomized complete block design; selected soil organisms as compared to mineral-N-fertilizer, liquid manure and farmyard manure in a randomized complete block design. In addition, the mineralization of dry and wet digestates in comparison with liquid manure and farmyard manure was investigated in order to evaluate the effects of different fertilizers on the humus formation under controlled conditions.

Der Pendelsensor “Crop-Meter” misst indirekt die oberirdische Biomasse von Getreide, um Stickstoffdünger (N) teilflächenspezifisch auf heterogenen Ackerflächen auszubringen. In On-Farm-Versuchen wurde eine variable N-Düngung mit „Crop-Meter“ gegenüber der praxisüblichen, einheitlichen N-Düngung in Wintergetreide getestet. Im Gegensatz zur klassischen Anlage von Parzellenversuchen war eine Bestandsheterogenität zum Sensoreinsatz im Getreide ausdrücklich gefordert. Prüfmerkmal war der Kornertrag. Auf Grund der georeferenzierten Ertragskartierung lagen die somit pseudo-wiederholten Daten vermutlich räumlich autokorreliert vor. Daher wurden zwei Ansätze zur statistischen Analyse gewählt. Im ersten Ansatz wurden die Ertragsdaten auf Basis der Biomasse post-stratifiziert, um die Biomassevariabilität einzugrenzen. In jedem Stratum wurden Autokorrelationsmodelle für die Residuen (räumliche Modelle) mit der Annahme nicht korrelierter Residuen (Nullmodell) verglichen. Stets wurden räumliche Modelle als beste statistische Modelle ausgewählt. Im Gegensatz zu den Nullmodellen waren die Ertragsdifferenzen räumlicher Modelle sehr häufig nicht signifikant. Dieses Ergebnis wurde auch durch verschiedene Stratifikationen und N-Einsparungen nicht verändert. Im zweiten Ansatz wurde jeweils der gesamte Ertragsdatensatz eines Versuchs zusätzlich zu den räumlichen Modellen mit Kovariablen (Trendmodelle) modelliert. Für jeden Versuch wurden individuell verschiedene Kombinationen aus Trend- und räumlichen Modellen selektiert. Die meisten Mittelwertdifferenzen waren trotz N-Reduktion in den variablen Varianten nicht signifikant (7…24 kg N ha-1). Diese Ansätze bilden eine Grundlage zur Ableitung fundierter Auswertungsmethoden von On-Farm-Versuchen mit georeferenzierten Daten. / A pendulum sensor (Crop-Meter) measures cereal aboveground biomass in order to apply nitrogen (N) fertilizers site-specifically on heterogeneous agricultural fields. In on-farm trials, common N application practice (constant) was compared to site-specific (variable) N application with the sensor to assess grain yields as response. Unlike the classic design of small-plot trials, cereal crop heterogeneity was explicitly desired to use the Crop-Meter. Simultaneously, spatial yield data provided pseudo-replications and possible autocorrelation. Therefore, two approaches were selected for statistical analysis. In the first approach, yield data were post-stratified on the basis of biomass measures to confine total biomass variability. For each stratum, spatial co-variance structures were assumed for residuals (spatial models) opposed to the assumption of non-correlated residuals (null model). Spatial models were selected as best statistical models. Very often, yield differences were not significant when selecting spatial models in contrast to null models. However, this was not due to different stratifications and stratum-dependent N savings. In the second approach, trend models were fitted for total yield datasets with covariates in addition to spatial models. For each on-farm trial, distinct combinations of trend and spatial models were selected. Most mean differences were not significant despite site-specific N reduction (7…24 kg N ha-1). These approaches provide basics to derive profound methods for analysis of on-farm trials with spatial data.

Die Ergebnisse aus den beiden Dauerfeldversuchen verdeutlichen, dass die mineralische N Düngung wie erwartet den größten Einfluss auf die Höhe der THG Emissionen hat. Die höchsten THG Minderungspotenziale zeigten sich folglich in der Reduktion der mineralischen N Düngung, insbesondere wenn die N Düngung oberhalb des standortspezifischen Ertragsoptimums liegt. Die Anpassung der Fruchtfolge kann zur Erhöhung der Bodenkohlenstoff-Vorräte beitragen und letztendlich die THG Emissionen mindern, allerdings bedarf diese These weiterer Untersuchungen. Die Ergebnisse haben weiterhin gezeigt, dass mit dem Aufbau organischer Bodensubstanz durch Stalldung erhebliche Potenziale zur THG-Minderung verbunden sind. Je nach methodischem Ansatz zur Berücksichtigung von Bodenkohlenstoff-Veränderungen ergaben sich allerdings große Unterschiede in den THG-Bilanzen und letztendlich auch in den ermittelten THG-Minderungspotenzialen. Die Entwicklung eines einheitlichen wissenschaftlichen Verfahrens zur Berücksichtigung von Bodenkohlenstoff-Veränderungen wird deshalb empfohlen. Die Ergebnisse aus der Fallstudie haben gezeigt, dass die THG Minderung in der landwirtschaftlichen Praxis eine Veränderung der Ackerflächenverhältnisse erfordert. In diesem Zusammenhang ist der Anbau emissionsintensiver Fruchtarten mit einer intensiven mineralischen N Düngung wie beispielsweise Winterraps zu reduzieren und durch den Anbau emissionsarmer Fruchtarten zu ersetzen. Im untersuchten landwirtschaftlichen Betrieb erwiesen sich Mais mit organischer N Düngung sowie der Anbau von Leguminosen als besonders emissionsarm. In der vorliegenden Arbeit konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass ein positiver Beitrag der ackerbaulichen Bodennutzung zur THG Minderung nicht zwangsläufig mit höheren Kosten für den Landwirtschaftsbetrieb verbunden sein muss, wenn bei der betriebswirtschaftlichen Optimierung die THG Emissionen angebauter Fruchtarten berücksichtigt werden. / The aim of this study was to analyze the potential for reducing greenhouse gas (GHG) emissions in different land use systems on sandy soils in the Brandenburg region in Germany, based on two long-term field experiments at Thyrow and Groß Kreutz and an on farm case study. The calculations of the GHG balances are based on the LCA standard and the German emission report guidelines. There is currently no scientific consensus on how soil organic carbon changes are to be included in GHG balances. Therefore, different approaches to include soil organic carbon changes in GHG calculations from long-term field experiments were examined. The results of the long-term field experiments showed that mineral nitrogen fertilization had the greatest influence on GHG emissions. The reduction of mineral nitrogen fertilization consequently showed the biggest GHG reduction potential especially if nitrogen fertilization was above the local level. The adaptation of crop rotations may increase soil organic carbon content and thereby mitigate GHG emissions, but this hypothesis requires further research. An increase of soil organic carbon stocks by organic fertilization was shown for the use of farmyard manure. Although this had a high GHG reduction potential, there were large differences between the analytical approaches. This highlights the need to develop standardized scientific methods for assessing GHG emissions from cropping systems. The results of the case study showed that changing the proportions of different crop species can be used for GHG reduction. In particular, the reduction of crops with high mineral nitrogen demand, e.g. oilseed rape, and the substitution with crops having low GHG emissions is recommended. Maize, receiving high rates of organic fertilizer, as well as legumes showed low GHG emissions on the evaluated farm. Furthermore, this study elaborates the potential economic benefit for agricultural enterprises with regards to the correlation of GHG reduction and an optimized crop rotation.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluss verschiedener Schwefel (S)-Düngemittel, der Leguminosenart und des Gemengebaus von Erbse (Pisum sativum L.) und Gerste (Hordeum vulgare L.) auf die Schwefelakkumulation sowie den Ertrag der Ackerbohne (Vicia faba L.), Schmalblättrige Lupine (Lupinus angustifolius L.) und Erbse zu erheben. In den Jahren 2012 bis 2014 wurden Feldversuche auf zahlreichen Standorten durchgeführt, um die Wirkung von Kieserit (MgSO4), Gips (CaSO4), elementarem S und Bittersalz (MgSO4 × 7H2O) auf die Körnerleguminosen zu testen. Die Düngung von Ackerbohne, Schmalblättriger Lupine und Erbse mit verschiedenen S-haltigen Düngemitteln führte unter den geprüften Feldbedingungen weder zu Ertragssteigerungen noch zu einer gesteigerten N-Akkumulation. Der S-Bedarf der drei Körnerlegunminosen wurde offenbar über natürliche Ressourcen gedeckt. Trotzdem zeigten sich Gips und Kieserit, teilweise auch Bittersalz als geeignete Düngemittel, um die S-Konzentration im Gewebe der Pflanzen zu erhöhen. Die S-Akkumulation im Spross der Ackerbohne (5-17 kg S ha-1), Schmalblättrigen Lupine (5-15 kg S ha-1) und Erbse (2-13 kg S ha-1) war gering und wurde von den Pflanzen an deren Bedarf angepasst. Im Gegensatz zu Ackerbohne (SHI 0,65) und Erbse (SHI 0,63), die S vorwiegend im Korn akkumulierten, sammelte die Schmalblättrige Lupine einen Großteil des aufgenommenen S im Stroh (SHI 0,40) an. Der Einfluss des Gemengeanbaus mit Gerste auf den S-Haushalt der Erbse war sehr gering. Die Erbse in Reinsaat nahm signifikant mehr S gemittelt über alle getesteten Düngemittel auf als das Gemenge aus Erbse und Gerste. Erbse und Gerste akkumulierten ähnlich hohe Mengen S im Spross pro Einheit Kornertrag. Um maximale Kornerträge sowie N- und S-Akkumulationen in einem substitutiv zusammengesetzten Gemenge aus Erbse und Gerste zu erzielen, wurde ein optimales Saatverhältnis von 42-88% keimfähiger Erbsensamen zu 12-58% keimfähigen Gerstensamen der jeweiligen Reinsaatstärke ermittelt. / The objectives of this study were to evaluate the influence of different sulfur (S) containing fertilizers, the legume species and of intercropping of pea (Pisum sativum L.) and barley (Hordeum vulgare L.) on sulfur accumulation and yield of faba bean (Vicia faba L.), narrow leaf lupin (Lupinus angustifolius L.) and pea. In the years 2012 to 2014 field trials have been conducted to test the effects of kieserite (MgSO4), gypsum (CaSO4), elemental S and epsom salt (MgSO4 × 7H2O) on grain legumes at several sites in Germany. Under the given environmental conditions, fertilization of faba bean, narrow leaf lupin and pea with different S containing fertilizers did not increase yield and nitrogen (N) accumulation. The S demand of the three grain legumes was low and obviously covered by S sources from the soil as well as atmospheric S deposition. However, gypsum, kieserite and epsom salt generated noticeable increases in S concentration in parts of the plants. S accumulation in shoots of faba bean (5-17 kg S ha-1), narrow leaf lupin (5-15 kg S ha-1) and pea (2-13 kg S ha-1) was comparatively low and has been adapted to the plants respective S demand. In contrast to faba bean (SHI 0,65) and pea (SHI 0,63), who accumulated S predominantly in seeds, narrow leaf lupin (SHI 0,40) accumulated the bulk of S in its straw. The influence of barley on peas S concentration was very low. Pea in pure stands accumulated significantly more S than the total intercrop of pea and barley, whereas pea and barley accumulated similar amounts of S in its shoots per unit seed yield. To achieve the maximum seed yield and maximum N and S accumulation in substitutive mixtures of pea and barley, a relative seed frequency of 42%–88% pea seeds to 12%–58% barley seeds of their monocrop seeding rate has been calculated to be optimal.

Langzeitdüngungsversuche (LTFE) sind für die Agrarforschung von entscheidender Bedeutung, da sie dokumentieren, überwachen, lernen und zeigen können, was in der Vergangenheit geschehen ist, und mit Hilfe von Vorhersagemodellen vorhersagen und simulieren können, was in Zukunft geschehen wird. Diese Modelle dienen dazu, zukünftiges Pflanzenwachstum unter verschiedenen Klima- und Bewirtschaftungsszenarien abzuschätzen und so Entscheidungsprozesse zu unterstützen. In diese Studie wurden die Reaktionen der Getreideerträge auf das Düngermanagement in Sandböden in einem LTFE (1971 bis 2016) in Nordostdeutschland analysiert. Die Ziele dieser Studie waren a) die Analyse der Ertragsreaktionen von Sommergerste, Winterroggen und Winterweizen auf das Düngemanagement, b) die Analyse der Sensitivität der Ertragsreaktionen auf den Zeitpunkt von Wetterereignissen und c) der Vergleich verschiedener Analysemodelle. Die Studie ergab, dass die Reaktion der Getreideerträge auf das Düngermanagement von komplexen Beziehungen zwischen Klimaabhängigkeit, Vorfrucht und Bodeneigenschaften beeinflusst wurde. Die Witterungsbedingungen bei der Aussaat und in den frühen Wachstumsstadien des Getreides beeinflusste den Kornertrag. Bei Wintergetreide waren die Intensität und Dauer der extremen Temperaturen im Sommer, insbesondere die Anzahl der Tage mit einer Höchsttemperatur von über 30°C im Juli, eine wichtige Variable für den Ertrag. Unter den untersuchten Modellen zeigte das LMM-Modell eine bessere Vorhersageleistung als das M5P-Modell, und beide hatten umfangreichere Regressoren als die ANOVA und die BMA. Das M5P-Modell bot eine intuitive Visualisierung wichtiger Variablen und ihrer kritischen Schwellenwerte und offenbarte andere Variablen, die vom LMM-Modell nicht erfasst wurden. Die Ergebnisse dieser Analyse tragen zu umfassenden Strategien für eine nachhaltige Pflanzenproduktion im Hinblick auf den zukünftigen Klimawandel bei. / Long-term fertilizer experiments (LTFEs) are essential for agricultural research as they provide necessary information and data to build predictive models. These models can be used to estimate future plant growth under different climate and management scenarios to support decision-making processes. The current study analyzed cereal grain yield responses to fertilizer management in sandy soil in a LTFE (1971 to 2016) in Northeast Germany. The objectives of this study were to a) analyze yield responses of spring barley), winter rye, and winter wheat to fertilizer management, b) analyze the sensitivity of yield responses to timing of weather events, and c) compare different analysis models. The study revealed that cereal yield response to fertilizer management was influenced by complex relationships among climatic dependence, preceding crop, and soil characteristics. Weather conditions at seeding and early growth stages of cereal were found to be sensitive to grain yield. For winter cereals, the intensity and duration of extreme temperatures in the summertime (harvest year), especially the number of days recorded with a maximum temperature above 30°C in July was an important variable for the yield. Among the investigated models, LMM-model had a better predictive performance compared to M5P-model and both had richer regressors than the ANOVA and BMA-model. The M5P-model presented an intuitive visualization of important variables and their critical thresholds, and revealed other variables that were not captured by the LMM-model. The findings of this analysis contribute to comprehensive strategies for sustainable crop production with regard to future climate change.