Projekt 05149/01

Freisetzung und Verbrauch der klimarelevanten Spurengase N2O und CH4 beim Anbau nachwachsender Rohstoffe

Projektdurchführung

Georg-August-Universität GöttingenInstitut für Bodenkunde und Waldernährung
Büsgenweg 2
37077 Göttingen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In einer auf Nachhaltigkeit ausgerichteten Wirtschaft werden nachwachsende Rohstoffe aufgrund der notwendigen Verringerung der CO2-Emissionen sowie der Forderung nach biologischer Abbaubarkeit von Verbrauchsgütern zunehmend an Bedeutung gewinnen. Kenntnisse über die Freisetzung bzw. Aufnahme der klimarelevanten Spurengase N2O und CH4 beim Anbau nachwachsender Rohstoffe sind eine wichtige Voraussetzung für die ökologische Bewertung der Produkte, da durch erhöhte N2O-Emissionen oder durch eine Reduktion des Methanabbaus im Boden die angestrebte Reduzierung des Treibhauseffektes (CO2-Einsparung) zunichte gemacht werden kann. Es sollte deshalb im Vorfeld einer Ausweitung des Anbaues nachwachsender Rohstoffe auch die Frage geklärt werden, inwieweit Belastungen der Atmosphäre durch N2O und CH4 gegeben sind und durch welche Produktionsverfahren diese Belastungen gegebenenfalls minimiert werden können. Zielsetzung des Verbundprojektes ist es, die N2O- und CH4-Spurengasflüsse beim Anbau nachwachsender Rohstoffe in Abhängigkeit von Standort- und Bewirtschaftungsfaktoren zu quantifizieren, ihre Bedeutung für das CO2-Einsparungspotential der Substitution fossiler Energieträger abzuleiten und Bewirtschaftungsstrategien zur Minimierung der Atmosphärenbelastung aufzuzeigen. Es soll mit der Entwicklung eines Prognosemodells begonnen werden, das eine Abschätzung der bodenbürtigen Spurengasflüsse ermöglicht.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie N2O-Freisetzung und CH4-Aufnahme wird in ganzjährigen Freilandversuchen in 3 unterschiedlichen Fruchtfolgen, die jeweils in intensiver und extensiver Produktionsintensität etabliert sind, bilanziert. Die Spurengasflüssen werden beim Anbau der nachwachsende Rohstoffe Raps, Kartoffel und Pappel, aber auch in den übrigen Fruchtfolgegliedern und Kontrollflächen (Weizen, Gerste, Mais, Eiche, ungedüngtes Grünland) erfasst. Parallel zu den wöchentlichen Spurengasmessungen werden wichtige Steu-ergrößen, wie der Wasserhaushalt, die Temperatur und die Stickstoffnettomineralisation auf den Versuchsflächen bestimmt. Aufbauend auf die Beschreibung der wesentlichen Prozesse des N-Kreislaufes in Böden wird mit Hilfe des Modellsystems Expert-N die modellmäßige Beschreibung der Spurengasflüsse erarbeitet. Die Treibhauswirksamkeit der Produktion wird ermittelt und die Bedeutung der boden-bürtigen N2O-Emissionen für das CO2-Einsparungspotential der Substitution fossiler Energieträger abgeleitet.


Ergebnisse und Diskussion

In den untersuchten Fruchtfolgen konnten kulturspezifische N2O-Emissionen am besten über den ganzjährigen Bilanzzeitraum, der sowohl die Düngungsmaßnahmen in der Vegetationsperiode als auch die Mineralisationsprozesse der Ernterückstände im Herbst und Winter einschließt, erfasst werden. Die N2O-N Emissionen aus den Kulturen variierten zwischen ca. 0,2 (Pappelfläche,Standort Canstein) und 16 kg ha-1 a-1 (Kartoffelfläche, Standort Scheyern). Die CH4-Oxidationsleistung lag zwischen ca. 100 (Maisfläche, Standort Scheyern) und 550 g CH4-C ha-1 a-1 (Winterweizen, Standort Reinshof).Kulturabhängige Unterschiede in der N2O-Emission wurden verursacht durch Unterschiede in der zeitlichen und räumlichen Anpassung der N-Düngung an das Stickstoffaufnahmevermögen der Kultur, unterschiedliche Bodenverdichtung in den Kulturen und Unterschiede in der Menge und Zusammensetzung (C/N-Verhältnis) der Ernte- und Wurzelrückstände. Erhöhte Emissionen zeigten die Kartoffel- und Rapsflächen. Extrem hohe Emissionen zeigten stark verdichtete Fahrspuren. Die Höhe der jährlichen N2O-Emission wurde stark durch Standortfaktoren beeinflusst. Sie stieg mit dem Jahresniederschlag und der Häufigkeit von Starkregenereignissen an. Die ökologische Bewertung der Produktion nachwachsender Rohstoffe sollte daher standortabhängig durchgeführt werden. Es zeigte sich ein negativer Zusammenhang zwischen der CH4-Oxidationsleistung und der N2O-Emission der Standorte.
Die N2O-Emission durch Nitrifikation und Denitrifikation war die wichtigste Bilanzgröße in der Berechnung der Treibhauswirksamkeit der Produktion. Die CO2-Einsparung durch die Substitution von Heizöl durch Pappelhackschnitzel betrug ca. 15,5 t CO2-Äquivalente ha-1 a-1. Das CO2-Einsparungspotential der Substitution fossiler Energieträger durch Rapsölmethylester und Ethanol aus Kartoffeln wurde durch die treibhauswirksamen Emissionen während des Lebenswegs dieser nachwachsenden Energieträger vollständig zunichte gemacht. Eine wesentliche Ursache hierfür waren die bodenbürtigen N2O-Emissionen.
Strategien zur Minimierung der N2O-Freisetzung in den untersuchten Fruchtfolgen betreffen in erster Linie die zeitliche und räumliche Optimierung der N-Düngung, die Reduktion der Bodenverdichtung sowie die Steuerung der Nitratdynamik im Herbst und Winter nach der Ernte.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Aufgrund der zahlreichen Publikationen und Präsentationen der Projektergebnisse bietet diese Aufstellung nur eine kleine Auswahl der Veröffentlichungen.
Flessa, H. (1997). Emissionen aus der Tier- und Pflanzenproduktion in die Atmosphäre. In: Rundgespräche der Kommission für Ökologie, Hrsg.: Bayrische Akademie der Wissenschaften, Nr. 13, Landwirtschaft im Konfliktfeld Ökologie Ökonomie, 115-126.
Haberbosch, C., R. Stenger und E. Priesack. (1997). Prozessorientierte Modellierung der N2O-Dynamik mit Hilfe des Baukastensystems ExpertN. Mitteilgn. Dtsch. Bodenkundl. Gesellsch., 85, II, 899-901.
Ruser, R., H. Flessa, and F. Beese (1996). Planttype and N-fertilizer dependent variation in nitrous oxide emissions. p. 539-542. In Transactions of the 9th Nitrogen Workshop, September, Braunschweig, Deutschland.
Ruser, R., H. Flessa, R. Schilling, H. Steindl, and F. Beese (1998). Effects of soil compaction and fertilization on N2O and CH4 fluxes in potato fields. Soil Sci. Soc. Am. J., submitted.
Schmädeke, F., F. Beese, R. Brumme, T. Lickfett und E. Przemeck (1997). Freisetzung des klimarelevanten Spurengases N2O in einer typischen Rapsfruchtfolge bei unterschiedlichen N-Düngeintensitäten. Mitteilgn. Dtsch. Bodenkundl. Gesellsch., 85, II, 1017-1020.Teepe, R., R. Brumme, and F. Beese (1997). Saisonal variations of N2O emissions under different landuse - a comparison between agriculture land, fallow, forest and poplar plantation. p. 423-428. In Transactions of the 9th Nitrogen Workshop, September, Braunschweig, Deutschland.


Fazit

Die Ergebnisse zeigen sehr deutlich, dass die bodenbürtigen N2O-Emissionen das CO2-Einsparungspotential der Substitution fossiler Energieträger durch nachwachsende Energieträger nicht nur drastisch verringern, sondern auch vollständig zunichte machen können. Ob und in welcher Höhe durch die Nutzung nachwachsender Rohstoffe eine Verringerung der Atmosphärenbelastung erreicht wird, wird daher maßgeblich durch die Frage bestimmt, inwieweit sich die N2O-Emissionen durch die Optimierung der landwirtschaftlichen Produktion unter Berücksichtigung des Klimaschutzes reduzieren lassen.