Projekt 05563/01

Reduzierung gasförmiger Emissionen und der Nährstoffverlagerung durch optimale Ausgestaltung von extensiven landwirtschaftlichen Anbausystemen mit unterschiedlich hohem Viehbesatz

Projektdurchführung

Sächsische Landesanstalt für LandwirtschaftFachbereich Bodenkultur und Pflanzenbau
Gustav-Kühn-Str. 8
04159 Leipzig

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Auf einem Sandboden und einem Lößboden wurden in Sachsen ab dem Jahr 1992 komplexe Dauerversuche durchgeführt. Es wurden Verfahren von viehlosen sowie von viehhaltenden Betrieben simuliert. In den Versuchen wurden außerdem eine stark unterschiedliche Düngungshöhe mit verschiedenen organischen Düngemitteln sowie differenzierte anbautechnische und vegetationsbegleitende Maßnahmen berücksichtigt. Die Anbauverfahren wurden sowohl in ihren kurzzeitigen Auswirkungen auf Nährstoffdynamik, Ertrag und Produktqualität der Kulturarten als auch in ihren langfristigen Auswirkungen auf die Nährstoffbilanzen der Fruchtfolgen sowie auf die Bodenfruchtbarkeit geprüft.
Komponenten des N-Kreislaufs, wie die N2O-N- und NH3-N-Emissionen, die Nmin-Dynamik im Boden im Verlauf der Vegetation und der vegetationsfreien Zeit sowie die N-Bilanzierung vieljähriger Fruchtfolgen standen im Mittelpunkt dieser konkreten feldwirtschaftlichen Versuchsanstellungen des ökologischen Landbaus. Es war Ziel dieser Untersuchungen, unter Berücksichtigung der Umweltleistungen pflanzenbauliche Optimalvarianten zu ermitteln, die eine dauerhafte Anwendung ermöglichen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn den Untersuchungen wurden die Bedeutung und der Umfang an Umweltwirkungen im Vergleich zu den geprüften Formen und der Intensität der Landbewirtschaftung aufgezeigt und Rückschlüsse für eine optimale Ausgestaltung ökologischer Anbauverfahren in ihren kurzfristigen und langfristigen Auswirkungen auf Boden, Pflanze und Atmosphäre für nachfolgend genannte Einflussfaktoren zu gewonnen:
Standort
Die Versuche wurden auf einem zu Trockenheit neigenden Sandboden (Regenschatten des Harzes, Jahresniederschlag 547 mm) sowie auf einem Löß-Braunstaugley im Einflussbereich des mitteldeutschen Hügelklimas (Jahresniederschlag 690 mm) im Freistaat Sachsen durchgeführt. Ergebnisse des Standortvergleiches sollten Hinweise für eine optimale Betriebsgestaltung der Regionen bieten können.
Anbausystem
Es wurden Unterschiede zwischen viehlosen (Marktfruchtbau: Leguminosenaufwüchse werden gemulcht, Koppelprodukte verbleiben auf dem Acker) und viehreichen Bewirtschaftungsformen (Futterbau: Leguminosenaufwüchse und Koppelprodukte werden vom Feld abgefahren) untersucht. Es sollten Hinweise zur Fruchtfolgegestaltung, zu Art und Umfang des Leguminosenanbaus, zur Mulchwirtschaft, zum spezifischen Nährstoffmanagement und zur Bodenfruchtbarkeit gewonnen werden.
Düngemittelart und Düngungsintensität
Es wurde die Anwendung der organischen Düngemittel Stallmist, Jauche, Gülle und Kleegras-Mulch von 0 - 2 Dungeinheiten je Hektar und Jahr (sowie in einem kleinen Umfang der N-Mineraldüngung) vergleichend gegenübergestellt, um Bestimmungsgründe für die Wahl und die angemessene Höhe der Dungstoffe aus kurzfristigen (Ertrag, Produkt-Qualität, Einfluss auf legume N-Bindung) und langfristigen Erwägungen (Nährstoffmanagement, Nährstoffbilanzen, Bodenfruchtbarkeit) treffen zu können.
Vegetationsbegleitende Maßnahmen
Durch differenzierte Gestaltung der anbautechnischen Verfahren zu Sommerweizen und Mais durch die Wahl unterschiedlicher Reihenweiten und Spätdüngung (Jauche, Gülle, Mulch) sowie der Applikationstechnik (oberflächliche Ausbringung durch Schleppschlauch, Einarbeitung durch Injektion) sollten Hinweise zur optimalen Gestaltung dieser vegetationsbegleitenden Maßnahmen gewonnen werden.
MethodenGasförmige Emissionen und Untersuchungen des Bodens und Erhebung von Wetterdaten wurden in Messzyklen entsprechend den Erfordernissen erhoben. NH3 wurde mit einem geschlossen - dynamischen System erfasst, in Säurefallen aufgefangen und photometrisch bestimmt. Für die N2O-Messungen wurden Messhauben variabler Höhe nach dem closed chamber-Verfahren verwendet. Das N2O wurde in Vacutainern (20 ml) aufgefangen (2 h Anreicherung) und gaschromatographisch (ECD-Technik) be-stimmt.


Ergebnisse und Diskussion

Die umweltrelevanten Spurengasemissionen stiegen in Form von N2O- Emissionen nach organischer Düngung an. Etwa 1 - 2 % der zugeführten N-Menge entwichen als N2O, relativ unabhängig vom Ausgangsmaterial. Zeitperioden nach Ausbringung organischer Düngemittel, nach Umbruch von Leguminosengrasbeständen sowie allgemein nach Niederschlagsereignissen waren gekennzeichnet durch hohe N2O-Emissionen.
Von oberflächlich ausgebrachten organischen Flüssigdüngern sowie von Mulchmaterialien aus Leguminosengras sind als NH3-Verluste wesentlich höhere Werte der verabreichten N-Mengen zu veranschlagen. Wurden die Düngemittel bzw. die Pflanzenbestände sofort in den Boden eingebracht, entfielen die NH3-Emissionen weitgehend, während die N2O-Emissionen in etwa gleich hoch geblieben sind.
Zwischen den Anbausystemen Futterbau und Marktfrucht traten bemerkenswerte Unterschiede auf. Die Ergebnisse für das Futterbausystem wiesen am Standort Spröda nach acht Versuchsjahren bei verhältnismäßig geringen N-Überschüssen und TM-Zufuhren über die Düngung und den Ernteresten einen leichten Anstieg der Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte des Bodens auf. Im Marktfruchtsystem wurde dagegen trotz der rel. hohen N-Überschüsse und TM-Zufuhren durch den Verbleib der Koppelprodukte auf den Flächen ein Abbau an organischer Substanz festgestellt. Die Erträge im Marktfruchtsystem lagen bei allen Kulturarten zudem unter denen des Futterbausystems.
Im Rahmen der Bewirtschaftung der Leguminosengras-Bestände wurde auf den Marktfruchtflächen jeweils der letzte Aufwuchs durch den Umbruch eingearbeitet. Dies führte in manchen Fällen zu etwas höheren Nmin-Werten im Boden sowie im Versuchsdurchschnitt zu deutlich höheren Gehalten an Rohprotein im Erntematerial des in der Regel nachfolgenden Sommerweizens. Das relativ weite C/N-Verhältnis des Weizenstrohs kann zu einer vorübergehenden Festlegung von Stickstoff führen, wodurch die dann geringeren Nmin-Werte der Marktfruchtflächen sowie der Abfall der Erträge der nachfolgenden Maiskultur erklärt werden konnten. Die Ergebnisse zeigten, dass Futterbausysteme verschiedener Ausprägung als optimale Anbauverfahren anzusehen sind, besonders die viehlosen Marktfruchtsysteme dagegen nicht. Zur Optimierung viehloser Marktfruchtsysteme besteht daher dringender Forschungsbedarf.
Eine steigende organische Düngung führte innerhalb der Anbausysteme dazu, dass nach Stallmist- bzw. Mulchdüngung ein Anstieg der Ct-Werte des Bodens eingetreten ist, was in erster Linie auf die hohe TM-Zufuhr zurückzuführen war. Nach fortlaufender N-Mineraldüngung in abgeschwächter Form auch nach Gülledüngung, sind demgegenüber die Ct-Werte des Bodens z.T. deutlich abgefallen. Die Nt-Werte sind bei allen Düngemittelarten aber am geringsten nach Stallmistdüngung abgesunken.
Auch nach steigender organischer Düngung wurden abnehmende Nt-Gehalte im Boden und demzufolge steigende C/N-Verhältnisse ermittelt. Diese Entwicklung wird im Zuge der Umstellung von vorher intensiv geführten konventionellen Flächen auf ökologische Landbauverfahren oft angetroffen. Nach Anwendung einer steigenden Düngung (0 - 2 DE/ha u. Jahr) waren weder deutliche Veränderungen in den Ertrags- und Qualitätsleistungen von S.-Weizen und Mais noch eine deutliche Verschlechterung der Umweltleistungen eingetreten. Die Ursache hierfür ist wahrscheinlich auf eine ausgleichende Wirkung der Leguminosenbestände innerhalb der Fruchtfolge zurückzuführen. Daher können ökologische Anbauverfahren mit stark unterschiedlich ausgeprägter organischer Düngung als relativ gleichwertig und optimal bezeichnet werden.
Vegetationsbegleitende Maßnahmen wurden in Weizen- und Maiskulturen mit unterschiedlichen Reihenabständen und mit Durchführung einer organischen Spätdüngung angelegt. Diese Maßnahmen können gezielt eingesetzt werden, um neben den applizierten Düngermengen zusätzlich Bodenreserven an Stickstoff zu mobilisieren und den Pflanzen verfügbar zu machen, damit Erträge und Qualitäten der Produkte ansteigen. Im Vergleich zu einer oberflächlichen Ausbringung führte die Einarbeitung von Flüssigdüngern neben einer Verringerung von volatilen N-Verlusten, bei häufiger Anwendung allerdings zu einem Abbau der organischen Substanz und zu N-Verlusten im Boden.
Hinsichtlich der Optimierung der Fruchtfolge zeigte sich im Rahmen der Versuche, dass der direkte Nachbau von Mais nach Kleegras günstiger zu beurteilen wäre als der Anbau von S.-Weizen. Dem Leguminosengras wurde im Versuchsdurchschnitt ein sehr niedriger Herbst-Nmin-Wert zugeschrieben. Sommerweizen zog eine deutlich höhere Nmin-Menge nach der Ernte nach sich als der nachfolgende Mais, da der Sommerweizen in der Fruchtfolge direkt nach Leguminosengras stand und der Mais in der längeren Vegetationszeit den verfügbaren Stickstoff abschöpfte.
Generell richteten sich die Herbst-Nmin-Werte sowie die Basis-Emissionen an N2O nach der N-Verfügbarkeit im Verlauf der Vegetation aus. Die dem Leguminosengras folgende Kultur war durch die höchsten Nmin- und N2O- Werte, die nachfolgende Kultur durch mittel hohe und das Leguminosengras selber durch jeweils niedrige Werte gekennzeichnet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Model, A., Jahnel, A. & Kolbe, H. (1997): Reduzierung gasförmiger Emissionen durch optimale Ausgestaltung von ökologischen landwirtschaftlichen Anbausystemen - Projektvorstellung. Infodienst der sächsischen Agrarverwaltung Nr. 12, 57-61
Beckmann, U., Kolbe, H. & Model, A. (1999): Bewirtschaftungsintensität, Stickstoffbilanz und Umweltverträglichkeit im ökologischen Landbau - Ergebnisse eines Dauerversuches auf sandigem Boden. Infodienst der Sächsischen Agrarverwaltung Nr. 10, 42-49
Model, A., Beckmann, U., Kolbe, H. & Russow, R. (1999): Optimierung ökologischer Anbausysteme unter Berücksichtigung gasförmiger N-Emissionen. Poster-Präsentation, VDLUFA-Kongreß 111, Halle (Saale)
Model, A., Beckmann, U., Kolbe, H. & Russow, R. (1999): Optimierung ökologischer Anbausysteme unter Berücksichtigung gasförmiger N-Emissionen. VDLUFA-Schriftenreihe 52, Kongressband 1999, 545-548
Beckmann, U. & Model, A. (1999): Ausgewählte Ergebnisse über die Reduzierung gasförmiger Emissionen durch optimale Ausgestaltung von ökologischen Anbausystemen. Vortrag, Dienstagsthemen, FB Bodenkultur u. Pflanzenbau d. Sächsischen Landesanstalt für Landwirtschaft, Leipzig-Möckern
Kolbe, H. (1999): Optimierung anbautechnischer Maßnahmen zur Verbesserung der Qualität von Weizen. Vortrag, AG Feldversuchswesen, FB Sortenprüfung und Feldversuchswesen d. Sächsischen Landesanstalt für Landwirtschaft, Nossen
Beckmann, U. & Kolbe, H. (2000): Maisanbau im ökologischen Landbau. Teil 2: Versuche zu Aussaattermin, Reihenweite und Düngung. Infodienst der Sächsischen Agrarverwaltung Nr. 4, 81-88; sowie: Gäa-Journal Nr. 2, 25-29
Beckmann, U. & Kolbe, H. (2000): Maisanbau im ökologischen Landbau - Versuche zu Aussaattermin, Reihenweite und Düngung. SÖL-Beraterrundbrief Nr. 2, 3-12
Model, A. (2000): Einfluss ausgewählter bodenchemischer und bodenbiologischer Parameter auf die Lach(N2O-N) Gasemissionen eines Sandstandortes unter ökologischer Bewirtschaftung. Vortrag, Kolloquium des FB Bodenkultur u. Pflanzenbau d. Sächsischen Landesanstalt für Landwirtschaft, Leipzig-Möckern
Model, A. (2000): Ergebnisse über die Reduzierung gasförmiger Emissionen durch optimale Ausgestaltung von ökologischen Anbausystemen. Vortrag, AG Feldversuchswesen, FB Sortenprüfung und Feldversuchswesen d. Sächsischen Landesanstalt f. Landwirtschaft, Nossen
Präsentationen zum Thema im Rahmen der jährlichen Feldtage auf dem Versuchsfeld Spröda der Sächsischen Landesanstalt f. Landwirtschaft: 1997, 1998, 1999, 2000
Mitarbeit in der AG Klimarelevante Spurengase (AKS), Univ. Hohenheim, 1996-2000


Fazit

Ackerbausysteme des ökologischen Landbaus, in denen Viehhaltung mit Futter- und verschiedenen Arten der Dung-Wirtschaft integriert sind (Futterbau) sind durch hohe Effizienzkennzahlen und Umweltverträglichkeit gekennzeichnet. Diese Systeme können daher unter Beachtung ihrer Flächen- und Bodenbilanz in einem weiten Intensitätsbereich als optimal bezeichnet werden und finden in einem großen Umfang auch Anwendung in der landwirtschaftlichen Praxis.
Die in diesen Versuchen getesteten Verfahren der viehlosen Wirtschaftsweisen (Marktfruchtsysteme) waren dagegen durch erhebliche Nachteile charakterisiert:
1. Bewirtschaftung von mehrjährigen Leguminosengrasbeständen in Form der Flächenstilllegung, die durch mehrmaliges Schneiden und Belassen des Aufwuchses auf der Fläche (Mulchen) gekennzeichnet sind, führte zu volatilen N-Verlusten in Form von Ammoniak in erheblichem Ausmaß und reduzierte zudem wahrscheinlich die N-Assimilationsleistung der Leguminosenbestände.
2. Periodisches Einpflügen des letzten Aufwuchses an Leguminosengras (Umbruch) hatte im Verlauf der Fruchtfolge nur eine rel. geringe Anhebung der Nmin-Werte im Boden im Vergleich zur Pflugfurche nach Abernten des Aufwuchses (Futterbau) zur Folge.