Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden

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1 10/97 Projektkennblatt der Deutschen Bundesstiftung Umwelt Az Referat 34 Fördersumme ,00 DM Antragstitel Energie- und Kohlendioxidbilanzen landwirtschaftlicher Betriebe - Energetischer Bewertungsansatz landwirtschaftlicher Produktionssysteme am Beispiel der "Leitbetriebe Integrierter Landbau in NRW" Stichworte Energie, Tierproduktion, Pflanzenproduktion, Bilanz, Landwirtschaft Laufzeit Projektbeginn Projektende Projektphase(n) 3 Jahre und 6 Monate Förderbereich II.5.1 Umweltforschung Umwelt und Landwirtschaft Entwicklung und Umsetzung umwelt- und gesundheitsverträglicher Produktionsverfahren Bewilligungsempfänger Universität Gesamthochschule Paderborn Tel 02921/ Fachbereich Agrarwirtschaft Fax 02921/ Projektleitung Lübecker Ring 2 Prof. Dr. Norbert Lütke Entrup Bearbeiter Soest Kooperationspartner Zielsetzung und Anlaß des Vorhabens Energie- und CO 2 -Bilanzen dienen zur Beurteilung der Effizienz der eingesetzten Energie und der klimarelevanten Effekte landwirtschaftlicher Produktionsverfahren. Durch die Analyse einzelner Betriebsebenen lassen sich betriebliche Schwachstellen in der Energieeffizienz erkennen und Ansatzpunkte für Systemverbesserungen aufzeigen. Bisher wurde eine derartige ganzheitliche Betriebsanalyse nur an einigen ostdeutschen Großbetrieben versucht. Ziel ist es mit Hilfe des sehr umfangreichen Datenmaterials der Leitbetriebe Integrierter Landbau in NRW einen Bilanzierungsansatz zu entwickeln, der praxisorientiert, nachvollziehbar und leicht auf unterschiedliche Betriebstypen anwendbar ist. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden Bilanzen können je nach Fragestellung auf der Basis unterschiedlicher zeitlicher und räumlicher Ebenen berechnet werden. Erster Schritt der Bilanzierung ist daher die Formulierung von Systemgrenzen, d.h. es wird eine sachliche, räumliche und zeitliche Begrenzung für die aufzustellenden Bilanzen festgelegt. Grundlage der Bilanzierungen sind schon erhobene Daten aus dem vom MURL geförderten Projekt Leitbetriebe Integrierter Landbau in NRW (7 Betriebe über 5 Jahre). Auf Grundlage der gewonnenen und miteinander vergleichbaren betriebsspezifischen Energie- und CO 2 -Bilanzen kann der Einsatz direkter und indirekter Energieträger auf den Ebenen des Hoftores, des Stalles und der Fläche optimiert, sowie die Effizienz des Anbaus nachwachsender Rohstoffe aufgezeigt werden. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit anhand des Datensatzes Indikatoren zu entwickeln und zu testen, mit deren Hilfe andere landwirtschaftliche Betriebe bewertet werden können, ohne das ähnlich umfangreiche Erhebungen durchgeführt werden müssen. Die Ergebnisse dieses Projektes fließen in die Öffentlichkeitsarbeit des Kooperationsprojektes Leitbetriebe Integrierter Landbau in NRW mit ein. Zur besseren Handhabung und Nachvollziehbarkeit werden die Schritte der Bilanzberechnungen anhand einer Software/Tabellenkalkulation dokumentiert.

2 Ergebnisse und Diskussion Die Ansätze der Energiebilanzierungen für Hoftor-, Stall- und Flächenbilanzen wurden in das Tabellenkalkulationsprogramm EXCEL 97 unter Windows 95 übertragen. Durch den unterschiedlichen Umfang der einzelnen Energieflüsse bzw. Datensätze in den verschiedenen Bilanzebenen konnten die Eingabemasken nicht vollkommen identisch aufgebaut werden. Der prozentuale Anteil der fossilen Inputgrößen wird ebenso wie das Verhältnis von Output zu Input (getrennt nach fossilem und regenerativem Input) durch Kreisdiagramme optisch dargestellt. Rote Punkte in einzelnen Zellen der Tabellenblätter kennzeichnen "Notizen", die Angaben über verwendete Rechenschritte, Quellen usw. enthalten, sofern sie nicht aus der Eingabemaske selbst ersichtlich sind. Die Bilanzierung wird dadurch bis in jedes Detail nachvollziehbar und die verwendeten Daten/Faustzahlen/Berechnungsformeln lassen sich problemlos aktualisieren, ohne die Eingabemaske selbst verändern zu müssen. Die Aussagekraft einer energetischen Bilanz hängt in nicht unerheblichem Maß von dem Betrachtungszeitraum ab. Es bietet sich in der Landwirtschaft an, Bilanzen in jährlichen Abständen aufzustellen. Um Aussagen treffen zu können sind Betrachtungszeiträume von mindestens drei Jahren empfehlenswert. Als Beispiel dient die Entwicklung des Energiegewinns I und des Düngemitteleinsatzes eines Betriebes über fünf Bilanzjahre. Nach einer Senkung des Düngemitteleinsatzes 1992/93 kam es gleichzeitig zu sinkenden Erträgen, die in den Folgejahren wieder gesteigert werden konnten bei gleichzeitig weiterer Reduktion des Düngemitteleinsatzes. Im Erntejahr 1995/96 konnte der Energiegewinn I den Ausgangswert von 1991/92 um rund 25 GJ/ha übertreffen. Die Grundlage für diese betriebliche Entwicklung liegt zum einen in der Ausgangssituation des Betriebes zu Beginn des Projektes "Leitbetriebe Integrierter Landbau in NRW", in der die Nährstoffversorgung der Böden des Betriebes als mittel bis hoch beschrieben werden konnte, sowie in einer ständigen Beratung und Fortbildung des Betriebsleiters über den Betrachtungszeitraum hinweg. Die Änderung der Wirtschaftsweise (Steigerung des Zwischenfruchtanbaues von 32,5% der Anbaufläche 1992 auf 53,8% im Jahr 1997; Steigerung der Mulchsaat nach Zwischenfrüchten; seit Beginn des Projektes "Leitbetriebe" 100% pfluglose Wirtschaftsweise) ist neben dem Wissensgewinn des Betriebsleiters auch auf die Teilnahme an einem Markenfleischprogramm zurückzuführen (Senkung des Maisanteils und Ersatz durch Getreide und Erbsen). Die betrieblichen Veränderungen kombiniert mit dem Wissensgewinn schlagen sich letztlich in kontinuierlich steigenden durchschnittlichen Erträgen bzw. Energiegewinnen und gleichzeitig sinkendem Einsatz von Düngemitteln nieder [ZERHUSEN-BLECHER, 1999]. Die in der pflanzlichen Produktion erzielten Energiegewinne sind in erster Linie von den Erträgen der Haupternteprodukte abhängig. Werden Nebenernteprodukte geborgen, können diese eine energetische Bilanz stark positiv beeinflussen. Da der Energiegewinn die Differenz zwischen erzieltem Output und eingesetztem Input ist und der Input für Winterweizen (etwa 15 GJ/ha) gegenüber dem Output ( GJ/ha) sehr gering ist, können die jährlichen Schwankungen im Energiegewinn zum größten Teil den Schwankungen im Output, dass heißt den schwankenden Kornerträgen zugeschrieben werden. Klima und Witterung üben großen Einfluss auf den erzielten Ertrag (Output), aber auch auf den eingesetzten Input aus. In Jahren mit starken negativen Einflüssen und niedrigen Erträgen kann der energetische Input durch den erhöhten Einsatz an Bewirtschaftungsmaßnahmen und Betriebsmitteln relativ hoch sein. In Jahren mit positiven Einflüssen können dagegen die Erträge hoch und der Input niedrig sein. Allein durch die Strohbergung kann die energetische Bilanz eines Betriebes in nicht unerheblichen Umfang verbessert werden. Sie zieht auf Dauer jedoch auch negative ökonomische und ökologische Folgen nach sich, wie einen höheren Einsatz an Düngemitteln und in Betrieben ohne organische Düngung auch eine verschlechterte Humusbilanz. Durch das Einfügen von Trendlinien werden die zum Teil erheblichen Schwankungen der Energiegewinne relativiert und die steigende Tendenz im Verlauf der Bilanzjahre deutlich. Da die Strohbergung konstant gehalten wurde, muss diese Steigerung auf die durchgeführten Bewirtschaftungsmaßnahmen und daraus resultierend im Durchschnitt der Jahre steigende Kornerträge zurückgeführt werden [ZERHU- SEN-BLECHER, 2000]. Nicht allein die Witterung kann das Ergebnis energetischer Bilanzen in der landwirtschaftlichen Produktion stark beeinflussen, sondern auch die Bodengüte. Betrachtet man die Summe der Inputfaktoren, so ist im Durchschnitt der Bilanzjahre kaum ein Unterschied zwischen den Gruppen mit gehobener und geringerer Bodengüte ersichtlich. Dagegen ist der Unterschied im Output mit 21,78 GJ/ha im Durchschnitt der Jahre recht deutlich. Hieraus resultiert auch hauptsächlich die Differenz im Energiegewinn mit durchschnittlich 24,49 GJ/ha. Bei nahezu gleichem Input lässt sich über den deutlich höheren Output auch das

3 bessere Output-Input-Verhältnis der Gruppe mit gehobener Bodengüte von durchschnittlich 9,14:1 gegenüber 7,45:1 der Gruppe mit geringerer Bodengüte erklären. Die Unterschiede der Gruppen mit geringerer und gehobener Bodengüte (höherer Energiegewinn, höherer Output und besseres Output-Input- Verhältnis der Gruppe mit gehobener Bodengüte) können zu einem überwiegenden Teil auf die unterschiedlichen Bodenqualitäten zurückgeführt werden. Bei einem Vergleich von landwirtschaftlichen Betrieben in der pflanzlichen Produktion muss neben anderen Aspekten somit auch die eventuell unterschiedliche Beschaffenheit der Böden Eingang in die Schlussfolgerungen der vergleichenden Betrachtungen finden, um Fehleinschätzungen der Wirtschaftsweisen auf den Betrieben zu vermeiden. Neben dem Output ist der Input eine entscheidende Größe in energetischen Bilanzen. Generell lässt sich zwischen fossilem und regenerativem Input unterscheiden. In pflanzenbaulichen Energiebilanzen setzt sich der regenerative Input lediglich aus dem Heizwert des Saatgutes (der relativ konstant ist und wenig Einfluss auf den Gesamtinput ausübt) und dem organischen Dünger zusammen. Der fossile Input beinhaltet neben der Prozessenergie des Saatgutes auch den Pflanzenschutz- und Mineraldüngereinsatz, sowie den Einsatz von Maschinen und Kraftstoffen. Im Verlauf des Forschungsprojektes hat sich gezeigt, dass in vielen Fällen pflanzlicher Energiebilanzen der mineralische Düngemitteleinsatz den überwiegenden Anteil am fossilen Input bestreitet, zumal wenn keine organischen Dünger Anwendung finden. Der Einsatz von Maschinen und Kraftstoffen ist eng miteinander gekoppelt und variiert in einem Betrieb mit gegebener Fruchtfolge nur geringfügig. Der Pflanzenschutzmitteleinsatz ist mit durchschnittlich 3-5% am fossilen Input in der Bilanz eigentlich zu vernachlässigen. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes zeigen jedoch deutliche Unterschiede zwischen dem Einsatz von Pflanzenschutzmitteln innerhalb unterschiedlicher Kulturarten und Fruchtfolgen. Im Sinne einer nachhaltigen und zukunftsorientierten Landwirtschaft ist auf den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln ein besonderes Augenmerk zu richten, zumal ein überdurchschnittlicher Einsatz auch monetär nicht unerheblich ist. Allein auf das Saatgut als relativ konstante Größe in der pflanzlichen Produktion und geringem Einfluss auf die Bilanzergebnisse könnte in der energetischen Bilanzierung verzichtet werden. Da die Erhebung und Berechnung dieser Bilanzgröße schnell und unproblematisch durchzuführen ist sollte auch sie dennoch in der energetischen Bilanz enthalten sein. Die Ergebnisse insgesamt zeigen, dass eine möglichst detaillierte jedoch sinnvoll unterteilte Darstellung der Inputgrößen in einer energetischen Bilanz (Unterteilung des fossilen Inputs in die Größen Saatgut, Mineraldünger, Pflanzenschutzmittel, Maschinen und Kraftstoffe) schon relativ konkrete Aussagen über Bewirtschaftungsmaßnahmen zulassen kann, gegenüber einer Darstellung auf höherer Ebene, wie beispielsweise des Gesamtinputs oder des Energiegewinns. Eine weitere wichtige Kenngröße der Bilanz ist die Beschreibung der Effizienz. In landwirtschaftlichen Energiebilanzen werden als Kriterien für die Bewertung der Effizienz der eingesetzten Energie in der Regel der Energiegewinn und die Relation von Output zu Input diskutiert. Die Ergebnisse zeigen, dass landwirtschaftliche Betriebe mit einem hohen Energiegewinn nicht gleichzeitig auch ein gutes Output- Input-Verhältnis erzielen müssen, sondern den hohen Energiegewinn durch einen überproportionalen Input erwirtschaften. Gleichzeitig gibt es Betriebe, die aufgrund ihrer Standortverhältnisse keine hohen E- nergiegewinne erwirtschaften können, deren Wirtschaftsweise aber durch ein gutes Verhältnis von Output zu Input bestätigt wird. Da die Hauptaufgabe der landwirtschaftlichen Produktion nach wie vor die Versorgung der Bevölkerung mit qualitativ und quantitativ hochwertigen Nahrungsmitteln ist, ist der Energiegewinn je Flächeneinheit in die Effizienzbetrachtungen mit aufzunehmen. Neben der Produktion von Nahrungsmitteln treten in der landwirtschaftlichen Produktion immer massiver die Aspekte von Umweltund Naturschutz in den Vordergrund, so dass die Erzielung hoher Erträge bzw. hoher Energiegewinne nicht zu Lasten des Ökosystems Acker gehen darf. Im Sinne einer zukunftsfähigen (nachhaltigen) Landwirtschaft erscheint es daher sinnvoll sowohl den Energiegewinn, als auch das Output-Input-Verhältnis in die Effizienzbetrachtungen einzubeziehen. Mit Hilfe der sehr umfangreichen Datengrundlage anhand von Ackerschlagkarteien und Buchführungsunterlagen lassen sich für die pflanzliche Produktion auch rückwirkend Energiebilanzen aufstellen. Dies ist in der Tierproduktion häufig nicht möglich. Zudem beschränkt sich die Erhebung von Bilanzen hier oft auf die Ebene der gesamten Viehhaltung. Eine Trennung verschiedener Tierarten oder Haltungssysteme ist aufgrund der Datengrundlage in der Regel nicht möglich. Im Gegensatz zu den Flächen und Schlagbilanzen der Pflanzenproduktion sind die Energiegewinne der Tierproduktion bei analoger Vorgehensweise immer negativ. Dies liegt darin begründet, dass die Inputgrößen, die in die Stallbilanz einfließen vom Tier nicht zu hundert Prozent in tierische Produkte umgewandelt werden können. Neben den erzeugten (Markt-)Produkten fallen Exkremente an, die als pflanzliche Nährstoffe berücksichtigt werden (mit Hilfe von Mineraldüngeräquivalenten) und den Energiegewinn in der Tierhaltung positiv beeinflussen.

4 Im Verlauf des Forschungsprojektes hat es sich als problematisch erwiesen, Anhaltspunkte für die Bewertung der Stallbilanzen einzelner Betriebe zu ermitteln, da ein Vergleich von Betrieben untereinander nur sinnvoll ist, wenn gleiche Tierarten mit gleichen Produktionssystemen verglichen werden (z.b. Mastschweinehaltung auf Spaltenböden mit kontinuierlicher Mast). Insgesamt ist die Aussagekraft der Stallbilanzen gegenüber den Flächenbilanzen eher gering. Das Erkennen von Problemfeldern ist aufgrund noch fehlender Erfahrungswerte schwierig. Weiterführende Arbeiten könnten einen wichtigen Schritt zur Lösung der Probleme in der Interpretation landwirtschaftlicher Stallbilanzen beitragen. Obwohl die Liste der zu erfassenden Input- und Outputgrößen im Vergleich zu den Flächenbilanzen deutlich verlängert ist, ist die Hoftorbilanz die Bilanzebene, die am ehesten erstellt werden kann. Mit dem Hoftor als Systemgrenze werden alle In- und Outputs erfasst, die das Hoftor passieren. Der Betrieb selbst wird als "Black-Box" behandelt und keiner der innerbetrieblichen Abläufe berücksichtigt. Die Hoftorbilanz als oberste der drei hier aufgeführten Bilanzebenen lässt sich für alle Betriebe anhand von Buchführungsunterlagen aufstellen. In der Schlussbetrachtung steht und fällt die Hoftorbilanz mit dem Output an pflanzlichen Marktprodukten. Je höher dieser Output ist, desto eher ist die Gesamtbilanz im positiven Bereich anzusiedeln, da die positiven Bilanzen der pflanzlichen Produktion die Negativsalden der tierischen Erzeugung auffangen können. Je schlechter die Leistungen der Tierproduktion eines Betriebes sind und je höher der Viehbesatz (GV/ha) auf dem jeweiligen Betrieb ist, desto schwieriger wird es, eine insgesamt positive Energiebilanz durch sehr gute Leistungen in der pflanzlichen Produktion zu verwirklichen. Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation Die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes wurden/werden über landwirtschaftliche Zeitschriften und wissenschaftliche Fachliteratur verbreitet. Zudem fließen sie in die Öffentlichkeitsarbeit des Projektes "Leitbetriebe Integrierter Landbau in NRW" ein. Fazit Die energetische Bilanzierung landwirtschaftlicher Betriebe kann zur Beurteilung der Effizienz der eingesetzten Energie und der Abschätzung klimarelevanter Effekte dienen. Mit Hilfe der Erhebungen aus dem Projekt "Leitbetriebe Integrierter Landbau in NRW" als Datengrundlage und den Kalkulationsmethodiken verschiedener Autoren für die einzelnen Bilanzglieder wurde ein Ansatz für die Energiebilanzierung landwirtschaftlicher Produktionsverfahren entwickelt. Der Ansatz berücksichtigt die Ebenen des Hoftores, des Stalles und der Fläche. Als Datengrundlage dienen in erster Linie Buchführungsunterlagen und Ackerschlagkarteien. Anhand der Datenerfassungsblätter und der dortigen Vermerke ist der Bilanzierungsansatz nachvollziehbar und schnell zu aktualisieren. Durch die Verwendung des Tabellenkalkulationsprogramms EXCEL 07 unter Windows 95 und Daten, die auf buchführenden Betrieben verfügbar sind, ist die energetische Bilanzierung mit diesem Ansatz auf den meisten landwirtschaftlichen Betrieben praktikabel. Da keine zusätzlichen hohen Kosten z. B. für die Untersuchung von Bodenproben anfallen, ist der Ansatz der energetischen Bilanzierung kostengünstig. Mit seiner Hilfe lassen sich schnell Schwachstellen in Produktionssystemen aufzeigen, die durch weiterführende Untersuchungen konkretisiert bzw. für die Lösungsansätze entwickelt werden müssen. Generell sind anhand des vorhandenen Datenmaterials auf den landwirtschaftlichen Betrieben Bilanzen für den gesamten Betrieb am schnellsten und einfachsten zu erstellen. Die in diesem Forschungsprojekt durchgeführten Berechnungen zeigen, dass mit Hilfe der entwickelten Eingabemasken unter dem Tabellenkalkulationsprogramm EXCEL'97 sich Hoftorbilanzen eines Betriebes anhand von Buchführungsunterlagen für mindestens zwei Jahre innerhalb eines normalen Arbeitstages (8 h) aufstellen lassen. Sind die notwendigen Unterlagen für die Berechnung der Schlag- und Flächenbilanz vorhanden, so ist die Aufstellung der Energiebilanz für alle Schläge mit Zusammenfassung der Schläge für die jeweilige Kulturart für ein Bilanzjahr innerhalb eines Tages möglich.

5 Die Aufstellung und Interpretation energetischer Bilanzen landwirtschaftlicher Produktionssysteme erscheinen nur über mehrere Jahre betrachtet sinnvoll. Eine einjährige Bilanz besitzt nahezu keine Aussagekraft. Je detaillierter die Bilanz in sinnvoller Weise aufgeschlüsselt ist, desto eher können Schwachstellen und Optima in Bewirtschaftungssystemen erkannt werden. Bei der Beurteilung landwirtschaftlicher Energiebilanzen sind auch bei einer mehrjährigen Betrachtung immer die Einflussfaktoren - Witterung - Klima - Bodenqualität - geografische Lage (Standortverhältnisse) in die Schlussfolgerungen einzubeziehen, da sie in nicht unerheblichem Maß die Ergebnisse der Bilanzen beeinflussen können. Damit energetische Bilanzierungen landwirtschaftlicher Produktionssysteme in der Praxis und Beratung Anwendung finden können ist zumindest eine teilweise Standardisierung der Methodik zu diskutieren [MOERSCHNER et al., 2000]. Bisher ist es aufgrund unterschiedlicher Zielsetzungen und Vorgehensweisen verschiedener Autoren kaum möglich, vorliegende Ergebnisse energetischer Bilanzierungen miteinander zu vergleichen. Zudem fehlen in einigen Bereichen, vor allem aber in der Tierproduktion noch geeignete Rechenwerte. Durch die unterschiedlichsten Produktionssysteme in den tierhaltenden Betrieben dieses Projektes waren Vergleiche nur schwer möglich, so dass Anhaltspunkte für eine Bewertung der aufgestellten Stallbilanzen fehlen. Weiterführende Arbeiten mit der Zielsetzung, Betriebe mit gleichen Produktionssystemen unter gleichen Produktionsbedingungen zu vergleichen, könnten einen wichtigen Beitrag zur Erarbeitung von Anhaltspunkten und Bewertungsgrundlagen in energetischen Stallbilanzen der landwirtschaftlichen Tierhaltung liefern. Vor allem in der tierischen Erzeugung besteht für die Aufstellung und Interpretation praxisnaher Energiebilanzen in Zukunft noch erheblicher Forschungsbedarf.