Ökologischer Landbau und Grundwasserschutz Stand des Wissens

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1 Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Fakultät Landbau/Umwelt/Chemie FG Ökologischer Landbau Gewässerschutz durch Ökolandbau Chancen für Wasserversorgung und Landwirtschaft Ökologischer Landbau und Grundwasserschutz Stand des Wissens von Prof. Dr. Knut Schmidtke

2 Stand des Wissens 2018

3 Tab. 1: Häufigkeitsverteilung in % der mittleren Nitratgehalte der Grundwassers der EU-Nitratmessstellen (N = ca. 700) in Deutschland Zeitraum < 25 mg NO 3 /l mg NO 3 /l mg NO 3 /l < 50 mg NO 3 /l 2008 bis ,3 15,0 8,5 28, bis ,3 14,3 8,7 28,0 Landwirtschaftliche Stickstoffüberschüsse 2014 im Mittel + 84 kg je ha und Jahr Quelle: Nitratbericht 2016

4 Ökologischer Landbau und Grundwasserschutz - relevante Kenngrößen 1. Tierarzneimittel/Pathogene Keime 2. Pflanzenschutzmittel 3. Stickstoff Nitrat im Grundwasser ± +++

5 Tab. 2: Spezifische Rahmenbedingungen des Stickstoffeinsatzes im ökologischen im Vergleich zum konventionellen Landbau Konventionell Limitierung N-Menge Düngemittel Bedarfsermittlung nach DüVO 170 kg N/ha und Jahr aus Wirtschaftsdüngemitteln und Gärresten (zuzüglich anrechenbarer Verluste)

6 Tab. 2: Spezifische Rahmenbedingungen des Stickstoffeinsatzes im ökologischen im Vergleich zum konventionellen Landbau Konventionell EU-Bio Limitierung N-Menge Düngemittel Bedarfsermittlung nach DüVO 170 kg N/ha und Jahr aus Wirtschaftsdüngemitteln und Gärresten (zuzüglich anrechenbarer Verluste) Bedarfsermittlung nach DüVO 170 kg N/ha und Jahr aus Wirtschaftsdüngemitteln tierischer Herkunft

7 Tab. 2: Spezifische Rahmenbedingungen des Stickstoffeinsatzes im ökologischen im Vergleich zum konventionellen Landbau Limitierung N-Menge Düngemittel Konventionell EU-Bio Deutscher Bioanbauverband Bedarfsermittlung nach DüVO 170 kg N/ha und Jahr aus Wirtschaftsdüngemitteln und Gärresten (zuzüglich anrechenbarer Verluste) Bedarfsermittlung nach DüVO 170 kg N/ha und Jahr aus Wirtschaftsdüngemitteln tierischer Herkunft Bedarfsermittlung nach DüVO 112 kg N/ha und Jahr alle zugeführten Düngemittel

8 Tab. 2: Spezifische Rahmenbedingungen des Stickstoffeinsatzes im ökologischen im Vergleich zum konventionellen Landbau Limitierung N-Menge Düngemittel Zufuhr externer Düngemittel Konventionell EU-Bio Deutscher Bioanbauverband Bedarfsermittlung nach DüVO 170 kg N/ha und Jahr aus Wirtschaftsdüngemitteln und Gärresten (zuzüglich anrechenbarer Verluste) zulässig im allgemein gültigen gesetzlichen Rahmen Bedarfsermittlung nach DüVO 170 kg N/ha und Jahr aus Wirtschaftsdüngemitteln tierischer Herkunft Bedarfsermittlung nach DüVO 112 kg N/ha und Jahr alle zugeführten Düngemittel

9 Tab. 2: Spezifische Rahmenbedingungen des Stickstoffeinsatzes im ökologischen im Vergleich zum konventionellen Landbau Limitierung N-Menge Düngemittel Zufuhr externer Düngemittel Konventionell EU-Bio Deutscher Bioanbauverband Bedarfsermittlung nach DüVO 170 kg N/ha und Jahr aus Wirtschaftsdüngemitteln und Gärresten (zuzüglich anrechenbarer Verluste) zulässig im allgemein gültigen gesetzlichen Rahmen Bedarfsermittlung nach DüVO 170 kg N/ha und Jahr aus Wirtschaftsdüngemitteln tierischer Herkunft zulässig nach EU-VO 834/2007 Bedarfsermittlung nach DüVO 112 kg N/ha und Jahr alle zugeführten Düngemittel 40 kg N/ha

10 Nährstoffbilanz langjährig ökologisch bewirtschafteter Ackerböden Tab. 3: Gewogenes Mittel* der N-, P- und K-Flächenbilanzsalden auf 810 Ackerschlägen in 32 Betrieben des ökologischen Landbaus in Sachsen (Angaben in kg je ha und Jahr, Schmidtke et al. 2016) N-Saldo P-Saldo K-Saldo -11,0-9,0-38,9 *6742 ha Ackerfläche 810 Ackerschläge *Gewogenes Mittel aller untersuchten Ackerschläge der Jahre 2006 bis 2011

11 N-Zufuhr in langjährig ökologisch bewirtschaftete Ackerböden N-Zufuhr [kg je ha und Jahr] N-Zufuhr Wirtschaftsdüngemittel Zwischenfruchtleguminosen Hauptfruchtleguminosen im Mittel 22 kg/ha 56 kg/ha 78 kg/ha Betrieb Abb. 1: Herkunft und Mengen der N-Zufuhr in ökologisch bewirtschaftete Ackerflächen in 32 Betrieben in Sachsen (Mittel 6 Jahre, Schmidtke et al. 2016)

12 N-Bilanz langjährig ökologisch bewirtschafteter Ackerböden N-Schlagbilanzsaldo [kg N je ha und Jahr] Betrieb Abb. 2: Box-Plot der N-Flächenbilanzsalden der Ackerflächen in 32 Betrieben des ökologischen Landbaus in Sachsen (Mittel 6 Jahre, Schmidtke et al. 2016)

13 N-Bilanz langjährig ökologisch bewirtschafteter Ackerböden Fazit: 1. Schlagspezifisch N-Bilanzen ermitteln 2. Gut ausbalancierte Fruchtfolgegestaltung mit Legumiosen auf allen Ackerschlägen eines Betriebes umsetzen 3. Organische Düngemittel allen Ackerschlägen entsprechend zukommen lassen

14 Ökologischer Landbau und Grundwasserschutz - relevante Kenngrößen 1. Tierarzneimittel/Pathogene Keime 2. Pflanzenschutzmittel 3. Stickstoff Nitrat im Grundwasser ± +++

15 Abb. 2: Residuale Nitrat-N-Mengen im Boden im Herbst auf sächsischen Dauertestflächen (Barth et al. 2016) kein WSG Dauergrünland Öko-Ackerland WSG

16 Does organic farming reduce environmental impacts? A meta-analysis of European research Tuomisto et al % Abb. 3: Vergleich ökologischer versus konventioneller Ackerbau je ha Journal of Environmental Management 112 (2012)

17 Nitratauswaschung langjährig ökologisch versus konventionell bewirtschafteter Ackerböden Fazit: 1. N-Auswaschung im ökologischen Ackerbau im Mittel ca. 30% geringer als bei konventioneller Bewirtschaftung 2. Die meisten Studien belegen eine große Variation der Ergebnisse im Vergleich zwischen den einzelnen Untersuchungen

18 Fruchtfolge im ökologischen Landbau Kritische Phasen erhöhter Nitrataustragsgefahr Rotkleegras 1. Dinkel Winterweizen 5. Körnerleguminose 3. Kartoffel 4. Wintertriticale

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20 Nitrat im Boden unter Gräser-Reinsaat, Rotkleegras und Rotklee-Reinsaat Abb. 4: Nitratstickstoffvorräte im Boden unter Gräser-Reinsaat (G), Rotkleegras- Gemengen ((2G/R, G/2R) und Rotklee-Reinsaat (Schmidtke 1997)

22 Nitrat-N [kg je ha] Rotkleegras überwinternd Winterweizen nach Rotkleegrasumbruch bis 90 cm 90 bis 150 cm Abb. 5: Nitratmenge im Boden unter Rotkleegras und nach Umbruch von Rotkleegras unter Winterweizen (Heß 1989)

23 Nitrat-N [kg je ha] Rotkleegras überwinternd Winterweizen nach Rotkleegrasumbruch bis 90 cm 90 bis 150 cm Abb. 5: Nitratmenge im Boden unter Rotkleegras und nach Umbruch von Rotkleegras unter Winterweizen (Heß 1989)

24 Strategien zur Minderung der Nitrataustragsgefahr nach Kleegrasumbruch Sandiger Boden Überwinternder Kleegrasbestand geringe Nitrataustragsgefahr mittlerer Boden Bei spätem Umbruch und mittlerer Feldkapazität geringe Nitrataustragsgefahr Da verzögerte Nitratfreisetzung und hohe Feldkapazität geringe Nitrataustragsgefahr schwerer Boden aus Haas 2010 nach Faßbender und Heß

27 Strategien zur Minderung der Nitrataustragsgefahr nach Kleegrasumbruch 0 Boschheide Hof Wiesengut A B C D A B C D Nitrat-N-Auswaschung [kg je ha] A: früher Umbruch - Winterweizen - Winterroggen B: früher Umbruch Zwischenfrucht Senf - Sommerweizen - Winterroggen C: später Umbruch - Wechselweizen - Winterroggen D: Frühjahrsumbruch - Sommerweizen - Winterroggen unter Weizen unter Winterroggen 80 Abb. 6: Einfluss des Umbruchtermins und des Zwischenfruchtbaus auf die Höhe der Nitratstickstoffauswaschung nach Umbruch von Rotkleegras unter Weizen und Winterroggen (Heß 1989)

28 Strategien zur Minderung der Nitrataustragsgefahr nach Kleegrasumbruch 0 Boschheide Hof Wiesengut A B C D A B C D Nitrat-N-Auswaschung [kg je ha] A: früher Umbruch - Winterweizen - Winterroggen B: früher Umbruch Zwischenfrucht Senf - Sommerweizen - Winterroggen C: später Umbruch - Wechselweizen - Winterroggen D: Frühjahrsumbruch - Sommerweizen - Winterroggen unter Weizen unter Winterroggen 80 Abb. 6: Einfluss des Umbruchtermins und des Zwischenfruchtbaus auf die Höhe der Nitratstickstoffauswaschung nach Umbruch von Rotkleegras unter Weizen und Winterroggen (Heß 1989)

29 Wirkung der Intensität des Kleegrasumbruchs auf die Gefahr der Nitratstickstoffauswaschung

30 Wirkung der Intensität des Kleegrasumbruchs auf die Gefahr der Nitratstickstoffauswaschung 0 anlehmiger Sand sandiger Lehm Nitrat-N [kg je ha] HU SB 0 bis 30 cm 30 bis 60 cm 60 bis 90 cm 90 bis 120 cm HU SB HU HU SB 200 HU: "Heiler Umbruch" - Pflug ohne Stoppelbearbeitung SB SB: Stoppelbearbeitung anschließend Pflügen Abb. 7: Einfluss der Intensität des Kleegrasumbruchs auf den Vorrat an Nitratstickstoff nach Umbruch von Rotkleegras unter Winterweizen (Heß et al. 1992)

31 Anzustrebendes C/N-Verhältnis in den eng mittel weit Ernterückständen 12 bis bis bis 25 Bodenart: T lt L sl ls S Vorrangiges Ziel beim Herbstumbruch von Futterleguminosen- (Gras-) Gemengen Bodengefüge schonen Stickstoffmineralisation im Herbst begrenzen Standort bzw. feucht: September Oktober November Jahr trocken: Oktober November Dezember optimaler Umbruchtermin Abb. 8: Ziele und Handlungsoptionen beim Herbstumbruch von Futterleguminosen-Beständen zu Wintergetreide zur Minderung der Nitratauswaschung (Schmidtke et al. 1993, verändert und ergänzt nach Alvermann 1993)

32 Maßnahmen zur Verminderung der Nitratstickstoffauswaschung zum/nach Umbruch von Futterleguminosen 1. Reduzieren der Stickstoffmenge in den Ernterückständen, die beim Umbruch eingearbeitet werden: Mahd mit Schnittgutabfuhr direkt vor dem Umbruch 2. Bei Umbruch im Spätsommer: Anbau von Zwischenfrüchten/ Folgefrüchten (Raps) mit einem hohen vorwinterlichen Stickstoffaufnahmevermögen 3. Verschieben des Umbruchtermines in den Spätherbst, Winter oder in das darauffolgende Frühjahr 4. Verkürzen des Zeitraumes zwischen Beginn des Umbruchs und Einsaat der Nachfrucht 5. Reduzierung der Bodenbearbeitungsintensität beim Umbruch der Bestände: Häufigkeit und Tiefe des Eingriffs 6. Im weiteren Verlauf der Fruchtfolge: Zwischenfruchtanbau, Reduzierung der Bodenbearbeitungsintensität im Herbst, Umstellen der Fruchtfolge

35 Aufnahme: Schmidtke 1998

36 Mitte Mai bis Mitte Juli Abb. 9: Nährstoffaufnahme der Kartoffel (Hack et al. 1993)

37 aus: Kolbe et al. 2012

38 Tab. 4: Geprüfte Untersaaten in Kartoffeln und deren Saatstärke (Stumm und Köpke 2008) Untersaat Abkürzung Saatstärke (kg/ha) Ölrettich ÖR 25 Senf SE 20 Phazelia PH 60 Buchweizen BW 20 Sonnenblume SB 50 Hafer HA 150 Mais 10 Körner/m² Kontrolle KO -

39 Untersaaten in Kartoffeln Aufnahme: Stumm und Köpke 2008

40 Untersaaten in Kartoffeln Aufnahme: Stumm und Köpke 2008

41 vor nach zum dem letzten Häufeln Krautschlegeln 23. Juni 2. August Saatzeitpunkt der Untersaaten Abb. 10: Einfluss des Saatzeitpunktes der Untersaaten auf den Sprossertrag der Untersaaten und der Unkräuter am 14. September 2005 (Stumm und Köpke 2008)

42 Abb. 11: Sprossertrag der Unkräuter und der Untersaaten in Kartoffeln am 06. bzw. 07. September 2005 bzw am Standort Viersen (Stumm und Köpke 2008)

43 Abb. 12: Einfluss der Untersaaten in Kartoffel auf die Restnitratmengen im Boden (Stumm und Köpke 2008)

44 Abb. 13: Einfluss der Untersaaten in Kartoffel auf die Restnitratmengen im Boden (Stumm und Köpke 2008)

45 20. Juli 23. August Abb. 14: Spitzwegerich-Untersaat in Kartoffeln (Aufnahmen Liebenau, 2002) Einsaat von Spitzwegerich: 44 (2002) bzw. 21 Tage (2004) nach dem Pflanzen der Kartoffeln

46 Abb. 15: Spitzwegerich-Untersaat in Kartoffeln zur Ernte (Liebenau, 2004)

47 Wurzellängendichte [cm/cm³] Wurzellängendichte [cm/cm³] Bodentiefe [cm] 29. Juli 28. September ohne Untersaat = 1,2 km/m² mit Untersaat Spitzwegerich = 1,6 km/m² ohne Untersaat = 2,2 km/m² mit Untersaat Spitzwegerich = 6,4 km/m² Abb. 16: Einfluss einer Untersaat mit Spitzwegerich in Kartoffeln auf die Durchwurzelungsintensität des Bodens (Rauber et al. 2008)

48 Ort der Probenahme D: Damm S: Sohle 0 _ ohne Untersaat mit Spitzwegerich_ D S D S D S D S D S D S 20 Nmin [kg je ha] Ø 40 kg Nmin/ha 80 0 bis 60 cm 60 bis 120 cm Ø 83 kg Nmin/ha Abb. 17: Einfluss einer Untersaat mit Spitzwegerich in Kartoffeln auf Nmin-Vorrat im Boden im Jahr 2002 (Rauber et al. 2008)

49 Ort der Probenahme D: Damm S: Sohle 0 10 _ ohne Untersaat mit Spitzwegerich_ D S D S D S D S D S D S Nmin [kg je ha] Ø 21 kg Nmin/ha bis 60 cm 60 bis 120 cm Ø 49 kg Nmin/ha Abb. 18: Einfluss einer Untersaat mit Spitzwegerich in Kartoffeln auf Nmin-Vorrat im Boden im Jahr 2004 (Rauber et al. 2008)

51 Maßnahmen zur Verminderung der Nitratstickstoffauswaschung beim Anbau von Kartoffeln 1. Untersaat von stark Stickstoff zehrenden Zwischenfrüchten, vorrangig Kruziferen - Ölrettich oder Senf in Kartoffeln bindet Nitratstickstoff nur temporär 2. Eine Untersaat von Spitzwegeich in die Dammsohle in Kartoffeln wirkt auch nach Ernte der Kartoffeln nachhaltig reduzierend auf den Nitratstickstoffgehalt im Boden

53 Apr 22 Mai 19 Juni 2 August E H E H E H Atmospheric N in pea Soil N in pea Soil N in Avena sativa m m m E = Erbse in Reinsaat H = Hafer in Reinsaat -60 kg N min -N ha -1 Abb. 20: Nmin-Vorrat im Boden unter ökologisch angebautem Hafer und Erbse in Reinsaat (Schmidtke 1997)

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55 Apr 22 Mai 19 Juni 2 August E G H E G H E G H Atmospheric N in pea Soil N in pea Soil N in Avena sativa m m m E = Erbse in Reinsaat G = Erbse und Hafer im Gemenge H = Hafer in Reinsaat -60 kg N min -N ha -1 Abb. 21: Nmin-Vorrat im Boden unter ökologisch angebautem Hafer und Erbse in Rein- und Gemengesaat (Schmidtke 1997)

56 Grasuntersaat in Ackerbohne

57 Kontrolle Untersaat Stoppelsaat 100 WW OE SE WW OE SE N in der Sprossmasse [kg je ha] WW: W.-Weidelgras OE: Ölrettich SE: Senf 0 Nitrat-N [kg je ha] bis 30 cm 30 bis 60 cm 60 bis 90 cm Abb. 22: Einfluss einer Untersaat in und Stoppelsaat nach Ackerbohnen auf den Nitratstickstoffvorrat im Boden im Herbst (Justus & Köpke, 1990)

58 Kontrolle Untersaat Stoppelsaat 100 WW OE SE WW OE SE N in der Sprossmasse [kg je ha] WW: W.-Weidelgras OE: Ölrettich SE: Senf 0 Nitrat-N [kg je ha] bis 30 cm 30 bis 60 cm 60 bis 90 cm Abb. 23: Einfluss einer Untersaat in und Stoppelsaat nach Ackerbohnen auf den Nitratstickstoffvorrat im Boden im Herbst (Justus & Köpke, 1990)

59 Nichtlegumer Zwischenfruchtbau vor Körnerleguminosen FOTO: Mick

60 August 28. Oktober Hafer/ Sonnenblume N in der Sprossmasse [kg je ha] Nmin-N [kg je ha] bis 30 cm 30 bis 60 cm 60 bis 90 cm 90 bis 120 cm Abb. 24: Einfluss des Zwischenfruchtanbaus mit einem Gemenge aus Hafer/Sonnenblume nach Getreide Vorfrucht auf die Nmin-Menge im Boden sowie N-Menge im Spross (Jung und Rauber 2011)

61 Abb. 25: Nmin-Vorrat im Boden unter Ackerbohne nach Zwischenfruchtanbau (+ZF) und ohne Zwischenfruchtanbau mit einem Gemenge aus Hafer/Sonnenblume (Jung und Rauber 2011)

62 Maßnahmen zur Verminderung der Nitratstickstoffauswaschung beim Anbau von Körnerleguminosen 1. Anbau einer nichtlegumen Zwischenfrucht vor Körnerleguminosen, die hohe N-Mengen aufnimmt und zugleich in der Spossmasse ein weites C/N-Verhältnis (> 50) aufweist 2. Anbau von Erbse oder Ackerbohne mit Getreide im Gemenge 3. Untersaat einer stark stickstoffzehrenden Untersaat in Ackerbohne (z.b. Ölrettich) 4. Zwischenfruchtbau nach Erbse mit einer stark stickstoffzehrenden Pflanze (z.b. Ölrettich, Senf)

64 Biologische Nitrifikationshemmung eine neue nachhaltige Strategie zur Minderung der Nitratauswaschung im ökologischen Landbau? Organischer Stickstoff Mineralisation Nitrifikation Auswaschung Abb. 25: Stickstoffhaushalt und N-Flüsse im Boden verändert nach Coskun et al. 2017

65 Biologische Nitrifikationshemmung durch Pflanzen AMO: Ammonium monooxygenase HAO: Hydroxylamin oxidoreduktase Abb. 26: Biologische Nitrifikationshemmer aus Wurzelausscheidungen verschiedener Pflanzenarten und deren Zielenzyme (Coskun et al. 2017)

66 Inhibitory effects of Plantago lanceolata L. on soil N mineralization Marko Dietz, Susanne Machill, Herbert C. Hoffmann & Knut Schmidtke 2013: Plant and Soil 368,

67 Abb. 27: Einfluss der Zugabe von Pflanzenpresssaft von Spitzwegerich auf die N-Mineralisation im Boden (Dietz et al. 2013)

68 Ort der Probenahme D: Damm S: Sohle 0 _ ohne Untersaat mit Spitzwegerich_ D S D S D S D S D S D S 20 Nmin [kg je ha] Ø 40 kg Nmin/ha 80 0 bis 60 cm 60 bis 120 cm Ø 83 kg Nmin/ha Abb. 17: Einfluss einer Untersaat mit Spitzwegerich in Kartoffeln auf Nmin-Vorrat im Boden im Jahr 2002 (Rauber et al. 2008)

69 Biologische Nitrifikationshemmung durch Pflanzen als neue nachhaltige Strategie zur Minderung der Nitratauswaschung im ökologischen Landbau entwickeln und nutzen

70 Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Fakultät Landbau/Umwelt/Chemie FG Ökologischer Landbau Gewässerschutz durch Ökolandbau Chancen für Wasserversorgung und Landwirtschaft Ökologischer Landbau und Grundwasserschutz Stand des Wissens von Prof. Dr. Knut Schmidtke Herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit!