Leguminosen - wie Ackerbohne, Lupine, Klee und Luzerne - können Stickstoff (N) aus dem Boden aufnehmen. Bei Bedarf können sie aber auch den in der Luft enthaltenen Stickstoff als Nährstoff nutzen und für Nachfrüchte bereitstellen. Vor allem in Fruchtfolgen mit geringem Stickstoff-Input können Leguminosen somit die wesentliche Stickstoff-Quelle sein. Wie viel Stickstoff Leguminosen für ihre Nachfrüchte liefern, ist jedoch schwierig zu beurteilen und die in der Literatur angegebenen Stickstoff-Mengen schwanken stark.

Welche Rolle Leguminosen-Hauptfrüchte und der von ihnen fixierte Stickstoff in Fruchtfolgen spielen, hat Harald Schmidt von der Stiftung Ökologie und Landbau (SÖL) zusammengefasst. Dabei geht er auf folgende Punkte ein:

• Einflussfaktoren auf den Anteil von symbiotisch fixiertem Stickstoff (N_fix) am gesamten Leguminosen-Stickstoff,
• die Stickstoff-Bilanz von Leguminosen und
• die Stickstoff-Vorfruchtwirkung von Leguminosen.

Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Angaben zum Anteil von symbiotisch fixiertem Stickstoff (N_fix) am Gesamt-Stickstoff in Leguminosen. Bei Körnerleguminosen liegen die Werte oft im Bereich von 40 bis 75 Prozent und bei kleinkörnigen Leguminosen im Bereich von 60 bis 95 Prozent des gesamten Stickstoffs in der Pflanze. Bei guten Bedingungen für die Stickstoff-Fixierung benötigen Leguminosen keine N-Düngung und liefern trotzdem proteinreiche Ernteprodukte.

Um einen hohen Anteil an symbiotisch fixiertem Sickstoff in Leguminosen zu erreichen, müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

1. Die richtigen Rhizobien müssen im Boden oder am Saatgut vorhanden sein

Bei heimischen Arten wie Erbse, Ackerbohne, Rot- und Weißklee sind die entsprechenden Bakterien meist im Boden vorhanden. Bei selten angebauten Arten wie Lupine und Luzerne ist das nicht immer der Fall und bei der Sojabohne nur in Ausnahmen. Sind keine passenden Rhizobien-Arten im Boden vorhanden, muss das Saatgut mit diesen geimpft werden, um eine Stickstoff-Fixierung zu ermöglichen.

2. Der Boden sollte wenig Stickstoff in pflanzenverfügbarer Formenthalten

Je weniger Stickstoff im Boden in pflanzenverfügbarer Form vorliegt, umso höher ist der Anteil von symbiotisch fixiertem Stickstoff in der Leguminose.

Positiv auf den N_fix-Anteil wirken unter anderem:

• eine abtragende Fruchtfolgestellung,
• die Einarbeitung vom Stroh der Vorfrucht oder anderer organischer Dünger mit weitem Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis (z. B. Grüngutkompost oder Pferdemist) oder
• der Anbau im Gemenge mit Nichtleguminosen, die verfügbaren Bodenstickstoff aufnehmen (z.B. Kleegras oder Erbsen-Hafer-Gemenge).

Negativ wirken hingegen:

• eine hohe Stickstoff-Nachlieferung aus dem Boden,
• der Einsatz von Düngern mit leicht verfügbarem Stickstoff oder
• das Mulchen von Kleegras. Der Stickstoff im Mulch wirkt wie ein Stickstoff-Dünger.

Eine N-Düngung benötigen Leguminosen nicht! Für die kurze Jugendentwicklung bis zur Ausbildung der Knöllchen ist in jedem Ackerboden ausreichend Stickstoff verfügbar.

3. Die Wachstumsbedingungen müssen gut sein

Je besser die Wachstumsbedingungen für die Leguminosen sind, umso mehr Luft-Stickstoff können sie binden. Dazu gehören unter anderem ein lockerer, luftdurchlässiger Boden und eine gute Wasserversorgung. Bei den Mineralnährstoffgehalten im Boden weisen Untersuchungen des Autors auf einen relativ geringen Bedarf bei Körnerleguminosen (VDLUFA B ausreichend) hin, aber auf höhere Ansprüche bei den kleinkörnigen Futter-Leguminosen, möglicherweise da sie mehr Biomasse bilden. Auch Krankheits- oder Schädlingsbefall können das Wachstum und damit die Luft-N-Fixierung beinträchtigen.

Wie beeinflussen die Art und das Anbauverfahren die symbiotische Stickstofffixierung?

In der Literatur werden zum Teil Unterschiede zwischen den Leguminosenarten beim Anteil von symbiotisch fixiertem Stickstoff am Gesamt-Stickstoff der Leguminose genannt: für Körnerleguminosen werden oft geringere Werte angegeben als für kleinkörnige Leguminosen.

Es in unklar, ob diese Differenzen an biologischen Artunterschieden liegen oder nur an den je nach Art unterschiedlichen Anbauverfahren (beispielsweise Saatzeitpunkt, Anbaudauer) und den dadurch unterschiedlichen Mengen an pflanzenverfügbarem Boden-Stickstoff. Für letzteres spricht, dass in einzelnen Untersuchungen unter bestimmten Bedingungen auch für Körnerleguminosen N_fix-Anteile bis über 90 % gefunden wurden.

Die Berechnung der Stickstoff-Bilanz gibt Aufschluss darüber, ob es nach dem Anbau einer Leguminose auf dem Schlag durch die N-Fixierung einen N-Überschuss gibt oder die N-Abfuhr mit dem Ernteprodukt überwiegt. Auch wenn Stickstoff-Bilanzen von Leguminosen derzeit in der Praxis nur recht grob abgeschätzt werden können ist es wichtig diese bei der langfristigen Stickstoff-Bilanz einer Fläche oder eines Betriebes zu berücksichtigen.

Für die Berechnung dieser Leguminosen‑Stickstoff‑Bilanz benötigt man die Höhe der N‑Abfuhr, die über eine Ertragsmessung oder -schätzung relativ einfach zu ermitteln ist. Viel schwieriger ist die Abschätzung der gesamten N_fix-Menge im Ernteprodukt sowie in Ernte- und Wurzelrückständen. In der Literatur sind je nach Anbaubedingungen und Leguminosen-Art für eine Vegetationsperiode N_fix-Mengen von unter 50 bis über 600 Kilogramm pro Hektar zu finden. Die wichtigsten Faktoren für eine hohe N_fix-Menge sind:

• ein hoher N_fix-Anteil am Gesamt-N der Leguminose und
• eine hohe Biomasseproduktion der Leguminose (hängt oft eng mit dem Ertrag zusammen).

Der Leguminosen-Stickstoff-Bilanzsaldo (N_bil) ist die N_fix‑Menge abzüglich dem N‑Entzug über das Erntegut. Ein hoher Bilanzsaldo ergibt sich bei hohen N_fix-Mengen und geringen N-Entzügen mit dem Erntegut. Hohe Erträge können somit für geringe oder negative N_bil-Werte verantwortlich sein, besonders bei niedrigem N_fix-Anteil im Bestand. Bei niedrigen Erträgen, beispielsweise aufgrund hoher Ernteverluste oder niedriger Korn/Stroh-Verhältnisse, sind hingegen relativ hohe N_bil-Werte möglich.

Ein einfacher Rückschluss vom Ertrag auf den N-Bilanz-Saldo funktioniert also nicht. Dabei ist diese Zahl wichtig für die langfristige Planung und Bewertung der N-Bilanz eines Betriebes.

Wie kann die Stickstoff-Bilanz beeinflusst werden?

Die N-Bilanzsalden von Leguminosenbeständen können erhöht werden, indem mehr Leguminosenbiomasse auf dem Schlag verbleibt.

• Bei Körnerleguminosen beispielsweise durch den Anbau langstrohiger Sorten.
• Bei Futterleguminosen-Gemengen ist das Mulchen des letzten Aufwuchses vor Umbruch ein weit verbreitetes Mittel mehr Stickstoff auf der Fläche zu belassen.

Vergleicht man die Ergebnisse verschiedener Berechnungsmethoden für N_fix-Menge und N_bil, zeigen sich oft deutliche Unterschiede, da sich die Methoden in der Datenbasis und den Berechnungsgrundlagen stark voneinander unterscheiden.

Die nachfolgende Abbildung zeigt vom Autor erfasste Praxiserträge für Körnerleguminosen. Für Erbse und Ackerbohne wurden mit zwei der oben genannten Methoden (Kolbe & LeNiBa) aus den Erträgen und den N_min-Werten N_fix-Mengen und N_bil–Werte berechnet.

Im Mittel ergeben die geschätzten N_bil-Werte für Erbse 0 und für Ackerbohnen +25 Kilogramm pro Hektar. Die Spannweite reicht jedoch von über +50 Kilogramm pro Hektar bis zu unter -100 Kilogramm pro Hektar. Für Blaue Lupine und Sojabohne war die Berechnung aus den vorliegenden Daten nicht möglich. Aufgrund der ähnlichen Ertragsspannweite kann jedoch auch bei diesen Leguminosen von großen Streubreiten für N_fix-Menge und den N_bil-Wert ausgegangen werden.

Kleinkörnige Futterleguminosen können häufig mehr Stickstoff fixieren als Körnerleguminosen, aufgrund längerer Vegetationszeiten, höherer Biomasseproduktion und höherer N_fix-Anteile. Literaturwerte reichen bei reinen Luzernebeständen bis über 600 Kilogramm pro Hektar in einer Vegetationsperiode.

Mit dem Erntegut werden aber auch große Mengen an Stickstoff abgefahren. In den KTBL Faustzahlen für die Landwirtschaft werden für geerntete Klee- und Luzernegrasbestände fast immer negative N_bil-Werte angegeben.

Auf Basis von Ertragserhebungen des Autors durchgeführte Berechnungen mit dem N-Saldo-Rechner ergeben für Bestände mit über 90 Prozent Luzerne im Mittel ein N_bil-Wert von circa +100 Kilogramm pro Hektar. Die N_bil-Werte von Luzerne- und Kleegrasbeständen variieren aufgrund der unterschiedlichen Leguminosenanteile deutlich stärker und lagen im Mittel bei circa +30 bzw. 0 Kilogramm pro Hektar. Bei den Berechnungen wurde der Trockenmasse-Ertrag und der Leguminosenanteil der Bestände berücksichtigt.

Leguminosen können bedeutender Stickstoff-Versorger für gesamten Betrieb sein

Für die Stickstoff-Bilanz des gesamten Betriebes spielt die Nutzung des Leguminosenernteguts eine große Rolle: wird es verkauft oder im Betrieb verwendet? Bei innerbetrieblicher Verfütterung oder „Futter-Mist-Kooperation“ kommt ein Teil des fixierten Stickstoffs über die Wirtschaftsdünger zurück auf die Flächen. Auch bei Verwendung als Biogas- oder Kompostsubstrat und Transfermulch bleibt der Stickstoff – bis auf Verluste – im Betrieb!

Besonders für landwirtschaftliche Betriebe ohne oder mit geringem Stickstoff-Import in den Betriebskreislauf, was beispielsweise für viele Öko-Betriebe zutrifft, ist die Fixierleistung der Leguminosen die wesentliche Grundlage der Stickstoff-Versorgung der gesamten Fruchtfolge. Ein zu geringer Anteil an Leguminosen in der Fruchtfolge kann zu negativen N-Bilanzen und dadurch nicht nur zu nachlassenden Erträgen, sondern auch zu einem Abbau des Boden-Stickstoff-Vorrats und damit von Humus führen.

In Systemen mit deutlichem Stickstoff-Import – wie bei vielen konventionellen Betrieben – ist die Berücksichtigung des durch Leguminosen fixierten Stickstoffs unter anderem wichtig, um große N-Überschüsse und damit negative Umweltwirklungen zu vermeiden.

Die Stickstoff-Vorfruchtwirkung von Leguminosen hängt von der Stickstoff-Menge ab, die für die Nachfrucht verfügbar ist. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass Leguminosen mehr Stickstoff hinterlassen als beispielsweise Getreide und auch die Stickstoff-Konzentration in den Ernte- und Wurzelrückständen größer ist.

Ob die Leguminose diesen Stickstoff aus der Luft oder vor allem aus dem Boden aufgenommen hat ist der Nachfrucht egal. Die N-Vorfruchtwirkung hat deshalb nicht immer etwas mit der Fixierleistung der Leguminosen zu tun. Bei hohen N-Bilanz-Salden ist auch mit einer hohen N-Vorfruchtwirkung zu rechnen. Niedrige oder negative N-Bilanz-Salden müssen hingegen nicht immer eine geringe N-Vorfruchtwirkungen bedeuten.

Beim Umbruch von über- oder mehrjährigen Beständen mit kleinkörnigen Leguminosen kommt hinzu, dass nach längerer Bodenruhe eine Bodenbearbeitung oft zu erhöhter Mineralisation von Boden-Stickstoff führt, was den Vorfruchteffekt verstärkt.

In Anbausystemen mit geringem Stickstoff-Niveau, beispielsweise bei vielen ökologischen Fruchtfolgen, ist der Vorfruchteffekt von Leguminosen deutlich stärker ausgeprägt und für das System auch deutlich wichtiger als in Systemen mit hohem Stickstoff-Niveau, wie bei vielen konventionellen Fruchtfolgen.

Sind nichtlegume Vorfrüchte gut mit Stickstoff versorgt können sie aufgrund des Stickstoffs in Ernte- und Wurzelresten und eventuellen Stickstoff-Düngungsüberschüssen eine ähnliche N-Vorfruchtwirkung wie Leguminosen haben. Wird die Nachfrucht außerdem auf Höchsterträge hin mit Stickstoff versorgt sind Stickstoff-Vorfruchteffekte der Leguminosen oft nur noch gering oder gar nicht zu erkennen.

Leguminosen haben weitere Vorfruchtwirkungen neben der Bereitstellung von Stickstoff

Beim Thema Vorfruchtwirkung von Leguminosen ist immer auch zu beachten, dass der Stickstoff-Effekt nicht eindeutig von anderen Vorfruchtwirkungen zu trennen ist, beispielsweise in den Bereichen Bodenstruktur, Unkrautdruck, Schädlinge oder Krankheiten. Weiterhin ist die N-Vorfruchtwirkung oft nicht auf das erste Nachfruchtjahr beschränkt.

Pauschale Aussagen zur N-Vorfruchtwirkung und N-Düngereinsparung sind nicht sinnvoll

Aufgrund vielfältiger Einflussfaktoren sind pauschale Angaben zur N-Vorfruchtwirkung von Leguminosen nicht möglich und nicht sinnvoll. Daher können auch keine pauschalen Werte für eine Stickstoff-Düngereinsparung genannt werden. In der Literatur sind Einzelfälle beschrieben bei denen nach Leguminosen keine Düngereinsparung möglich war. Es wird aber auch von hohen Werten berichtet:

• bei Körnerleguminosen beispielsweise bis zu 100 kg N/ha Einsparung nach Ackerbohnen und
• bei geernteten kleinkörnigen Leguminosen bis zu 200 kg N/ha nach 4-jährigem Kleegras.

Einflussfaktoren auf den N-Vorfruchtwert von Leguminosen

Aus zahlreichen Versuchenlassen sich zwar keine Pauschalwerte, aber zumindest wichtige Eckpunkte, für eine möglichst hohe Leguminosen-N-Vorfruchtwirkung ableiten:

• Möglichst viel Stickstoff sollte in Ernte- und Wurzelresten der Leguminosen vorhanden sein. Das hängt nicht immer mit hohen Leguminosenerträgen zusammen. Untersuchungen des Autors zeigen beispielsweise einen positiven Zusammenhang der Erbsen-Bestandeshöhe mit dem nachfolgenden Getreideertrag, aber nicht zwischen Erbsenertrag und Getreideertrag.
• Bei längerer Anbaudauer von kleinkörnigen Futterleguminosen (circa 3-4 Jahre) wird oft von einer Zunahme der N-Vorfruchtwirkung berichtet, diese reicht dann auch oft über mehrere Nachfruchtjahre. Bei Gemengen ist ein hoher Leguminosenanteil günstig für die N-Vorfruchtwirkung.
• Hohe Ernteverluste bei der Leguminose reduzieren zwar den Ertrag, können aber die Vorfruchtwirkung steigern.
• Nach frühräumenden Körnerleguminosen können Auflaufpflanzen eventuell in Kombination mit einer Zwischenfruchtsaat die Stickstoff-Vorfruchtwirkung steigern. Bei kleinkörnigen Futterleguminosen kann das beispielsweise durch Mulchen des letzten Schnitts erreicht werden.
• Für eine zeitlich an die Nachfrucht angepasste Stickstoff-Mineralisation sollte eine standortangepasste Bodenbearbeitung stattfinden. Dabei sind der richtige Zeitpunkt und die richtige Intensität wichtig. Träge und kühle Böden eher früher und intensiver bearbeiten, als aktive Böden.
• Stickstoff-Verluste mit standortangepassten Maßnahmen minimieren.
• In Stickstoff-intensiven Systemen die Stickstoff-Düngung zur Nachfrucht reduzieren. Um Stickstoff-Einsparpotenziale für den Standort und das Anbausystem zu testen, können abgestuften Streifen angelegt werden.

Wie wird die Vorfruchtwirkung von Leguminosen ermittelt?

Die Vorfruchtwirkung von Leguminosen wird durch den Vergleich mit anderen, nichtlegumen Vorkulturen in einer einheitlichen Folgekultur bestimmt. Der ermittelte Stickstoff-Vorfruchtwert einer Leguminose hängt dabei auch von der Kultur ab mit der sie verglichen wird.

So zeigten beispielsweise die Körnerleguminosen Erbse, Lupine und Ackerbohne die höchste Vorfruchtwirkung beim Vergleich mit ungedüngtem Wintergetreide (siehe nachfolgende Abbildung, links). Im Vergleich zu Hafer und Blattfrüchten waren die Effekte deutlich geringer.

Wenn die Vergleichsvorfrüchte mit Stickstoff gedüngt wurden, waren die positiven Effekte der Leguminosen oft niedriger. Auch das Düngeniveau der Nachfrucht spielt eine Rolle. Meist nahm der Vorfruchteffekt der Leguminosen mit zunehmendem Stickstoff-Düngungsniveau der Nachfrucht ab.

Die Vorfruchtwirkung von Körnerleguminosen weist eine große Spannweite auf: von ‑5 bis +30 Dezitonnen pro Hektar Ertragseffekt beim nachfolgenden Getreide. Das zeigen die Ergebnisse einer zusammenfassenden Auswertung europäischer Untersuchungen. Für kleinkörnige Leguminosen liegen solche zusammengefassten Ergebnisse nicht vor. In der nachfolgenden Abbildung ist ein Beispiel für unterschiedliche Vorfruchtwirkungen von Luzernegras und Ackerbohne dargestellt.

Fazit

Das Thema Leguminosen-Stickstoff im Ackerbau ist sehr komplex und es ist oft schwierig aus den vielfältigen wissenschaftlichen Untersuchungen klare Schlussfolgerungen für die Praxis zu ziehen. Auf der anderen Seite ist Leguminosen-N für viele Low-Input-Systeme die wesentliche Stickstoff-Quelle. Hier besteht Bedarf an Daten zum Leguminosen-N, um Systeme besser planen und bewerten zu können. Es wäre wünschenswert, wenn der aktuelle Wissensstand regelmäßig umfassend analysiert und für die Praxis transparent zusammengefasst würde, beispielsweise in einfach handhabbaren Planungs-Tools. Dabei sollte offen mit bestehenden Erkenntnislücken und Unwägbarkeiten umgegangen werden.