ökologischen und konventionellen Betriebssystemen

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1 Technische Universität München Energie- und Treibhausgasbilanzierung in ökologischen und konventionellen Betriebssystemen Wissenschaftliche Tagung am Thünen-Institut 27. Februar 2013 in Braunschweig Kurt-Jürgen Hülsbergen, Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme

2 Energie- und THG-Bilanzierung von Betriebssystemen Problemstellung und Forschungsansatz Gesellschaftliche Relevanz des Themas, Netzwerk der Pilotbetriebe Einsatz fossiler Energie und Energieeffizienz Methodische Grundlagen der Energiebilanzierung Vergleich ökologisch konventionell, Milchviehhaltung Marktfruchtbau Stickstoff- und Kohlenstoffkreislauf Treibhausgasflüsse und deren Ursachen Minderungspotenziale und Beratungsansätze für die Praxis Schlussfolgerungen

3 Livestock in geographic transition Hotspots of land degradation Livestock's role in climate change and air pollution Livestock's role in water depletion and pollution Livestock's impact on biodiversity

4 Pilotbetriebe Projektziele zum Klimaschutz Analyse der Klimawirkungen landwirtschaftlicher Betriebssysteme vollständige Treibhausgasbilanzen im Pflanzenbau und in der Milchviehhaltung Ableitung von praxisbezogenen, betrieblich umsetzbaren Maßnahmen zur Emissionsminderung Entwicklung und Erprobung von Instrumenten zur Klimaschutz- und Nachhaltigkeitsberatung

5 Projekt Pilotbetriebe Projektpartner Technische Universität München Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme Thünen-Institut für Ökologischen Landbau Thünen-Institut für Agrarklimaschutz Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Institut für Organischen Landbau Martin-Luther Universität Halle-Wittenberg Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaften Bioland Beratung GmbH 40 ökologische und 40 konventionelle Landwirtschaftsbetriebe

6 Treibhausgasbilanz: Relevante Stoff- und Energieflüsse Futter- Zukauf Importfuttermittel CO 2 N 2 O CO 2 Fossile Energie Tierhaltung CH 4 CO 2 N 2 O CO 2eq Direkt Diesel Strom Ackerland CO 2 CO 2 N 2 O CO 2 Indirekt Dünger PSM Maschinen Geräte Gebäude Grünland Biogasanlage CO 2 N 2 O N 2 O CO 2 CH 4

7 Treibhausgasbilanz: Relevante Stoff- und Energieflüsse Futter- Zukauf Importfuttermittel Einflussfaktoren (Milchproduktion) CO 2 N 2 O CO 2 Fossile Energie Direkt Diesel Strom Futterproduktion (Anbau, Konservierung) Futterzukauf (Anbau, Transport, Landnutzungsänderung) Tierhaltung Futterration (Grundfutter, Kraftfutter) Ackerland Tierzukauf (Bestandesreproduktion) CH 4 CO 2 N 2 O CO 2 CO 2 N 2 O CO 2eq CO 2 Indirekt Dünger PSM Maschinen Geräte Gebäude Leistung Grünland (Lebensleistung, Laktationen, Nebenprodukte) Haltungssystem (Weidegang, Emissionen im Stall) Biogasanlage Wirtschaftsdünger (Lagerung, Biogas, Applikation) CO 2 N 2 O N 2 O CO 2 CH 4 Standortfaktoren (Boden, Klima)

8 Klimawirkungen und Nachhaltigkeit von Landbausystemen Untersuchungen in einem Netzwerk von Pilotbetrieben Pilotbetrieb, ökologischer Landbau Pilotbetrieb, konventioneller Landbau Versuchsstation

9 Monitoring Boden und Pflanzen Einrichten von Dauertestflächen a b Bodenanalysen C org, C hwl, C mik, P,... Bodengefüge, Bodenphysik c d Pflanzenanalysen Ertrag, Qualität Bestandesparameter

10 Prinzipskizze zur Lage benachbarter ökologischer und konventioneller Testflächen in Pilotbetrieben Konventionelle Fläche a c b d a c b d Ökologische Fläche

11 Internetbasierte Datendrehscheibe Nutriweb Nutriweb REPRO holt sich Betriebsdaten Pilotbetriebe Betriebsdaten erfassen online Ackerschlagdatei - Datenerfassung - Datenablage - Datenaustausch - Benchmarking Anonymer Betriebsvergleich REPRO spielt Ergebnisse zurück Berater

12 Technische Universität München Energieflüsse und Energieeffizienz Energiebilanz der Pflanzenproduktion

13 Einsatz fossiler Energie beim Anbau von Winterweizen Hülsbergen et al. (2001): Agric., Ecosyst. & Environ. 86, Sept Okt Nov Dez Jan Febr März April Mai Juni Juli Aug Seedbed Sowing 1st N-Appl 2nd N-Appl Harvest preparation Emergence 1st PA 2nd PA 3rd PA Transport Σ Diesel direct energy l/ha GJ/ha Machines indirect energy GJ/ha Other recources indirect energy kg/ha GJ/ha Seed N Herb Fung N Fung ΣΣ 10.86

14 Energiebilanz im Pflanzenbau, Prozessanalyse Ökologische Pilotbetriebe (Schmid, Braun & Hülsbergen 2012) Kennzahl Marktfruchtbau (n = 12) Milchvieh (n = 16) Mittel min max Mittel min max Energieinput (GJ ha -1 ) Ertrag (GE ha -1 ) Energiebindung (GJ ha -1 ) Energieintensität (MJ GE -1 ) Output/Input-Verhältnis

15 Energiebilanz im Pflanzenbau, Prozessanalyse Konventionelle Pilotbetriebe (Schmid, Braun & Hülsbergen 2012) Kennzahl Marktfruchtbau (n = 12) Milchvieh (n = 16) Mittel min max Mittel min max Energieinput (GJ ha -1 ) Ertrag (GE ha -1 ) Energiebindung (GJ ha -1 ) Energieintensität (MJ GE -1 ) Output/Input-Verhältnis

16 Beziehung zwischen Energieinput und -output im Pflanzenbau Pilotbetriebe (Schmid, Braun & Hülsbergen 2012)

17 Beziehung zwischen Energieinput und THG-Emissionen Pilotbetriebe (Schmid, Braun & Hülsbergen 2012)

18 Energieeffizienz und CO 2 -Emissionen im Pflanzenbau Relation ökologisch : konventionell, Pilotbetriebe (Schmid, Braun, Hülsbergen 2012) Energieinput Energieoutput Energieeffizienz CO 2eq (Fläche) CO 2eq (Produkt) 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 Relation öko : kon flächenbezogen produktbezogen

19 Ertragsrelation Winterweizen, ökologisch : konventionell nach Untersuchungsregionen West Nord Süd 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 Ertragsrelationen

20 Ertragsrelationen, ökologisch : konventionell differenziert nach Fruchtarten und Betriebstypen Energieoutput Getreideeinheiten Marktfrucht Milchvieh Kleegras Weizen 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 Ertragsrelationen

21 Energieeffizienz im Pflanzenbau Ökologische Pilotbetriebe: Geringer Energieeinsatz: 5 bis 10 GJ ha -1 Low-Input-Systeme geringe flächenbezogene CO 2 -Emissionen Konventionelle Pilotbetriebe: Hoher Energieeinsatz: 10 bis 20 GJ ha -1 High-Input-Systeme hohe flächenbezogene CO 2 -Emissionen Aber: Unterschiedliche Erträge und Leistungen Energieeffizienz Ø Ökol. Pilotbetriebe: 20 % geringerer Energieeinsatz je Produkteinheit Große einzelbetriebliche Variabilität der Energieeffizienz Standort- und Managementeinflüsse Ansätze für die Beratung und Betriebsoptimierung Optimierung des Stickstoffeinsatzes, Ertragssteigerung,

22 Technische Universität München Stickstoffkreislauf und Stickstoffeffizienz Stickstoffbilanz und N 2 O-Emissionen im Pflanzenbau

23 N2O-Messungen mit automatischem Meßsystem

24 N 2 O Emissionen im Energiepflanzen-Fruchtfolgeversuch Viehhausen (Peter, Schmid, Munch & Hülsbergen 2010) 600 Kleegras 500 Winterweizen mit Gülle Winterweizen ohne Gülle 400 µg N 2 O-N m -2 h Messzeitpunkt

25 N 2 O-Emissionen im Energiepflanzen-Fruchtfolgeversuch Viehhausen, Winterweizen mit Biogasgülle (Peter et al. 2012) µg N 2 O-N m -2 h -1

26 N 2 O-Emissionen im Energiepflanzen-Fruchtfolgeversuch Fruchtfolgeglied Kleegras Winterweizen, (kg N 2 O ha -1 ) Untersuchungsmethode Ohne Biogasgülle Mit Biogasgülle Messwerte, Automatische Messstation Modelliert mit DNDC Berechnet, nach IPCC Berechnet, mit standortspez. Emissionsfaktor 10,0 5,0 10,0 11,1 6,7 7,0 14,0

27 Stickstoffkreislauf eines Pilotbetriebes (kg N ha -1 a -1 ) Region Süd: Ökologischer Marktfruchtbau N 2 O-Verluste 4,1

28 Stickstoffkreislauf eines Pilotbetriebes (kg N ha -1 a -1 ) Region Süd: Ökologischer Marktfruchtbau + Biogaserzeugung 5,0 5,0 Biogasanlage 30,6 28,5 N 2 O-Verluste 5,6

29 Stickstoffkreislauf eines Pilotbetriebes (kg N ha -1 a -1 ) Konventionelle Milchviehhaltung (2,0 GV ha -1 ) 10,0 N 2 O-Verluste 9,3

30 Beziehung zwischen N-Input und N-Saldo im Pflanzenbau Pilotbetriebe (Schmid, Braun & Hülsbergen 2012)

31 Stickstoffbilanz und Stickstoffeffizienz N-Saldo = N-Input N-Output = potenzielle N-Verluste Ø Ökol. Pilotbetriebe: < 20 kg ha -1 Ø Konv. Pilotbetriebe: > 50 kg ha -1 N-Effizienz = N-Output / N-Input = N-Verwertung in den Produkten Einflussfaktoren: Betriebsstruktur, N-Intensität, Verfahrensgestaltung Optimierungsansätze Ökologischer Landbau Kleegras-Management, Stoffkreisläufe (z.b. Biogassysteme) Optimierungsansätze Konventioneller Landbau Technische Innovationen: Teilflächenspezifische N-Düngung Betriebsstrukturen: Re-Integration von Pflanzenbau und Tierhaltung

32 Technische Universität München Kohlenstoffkreislauf und Treibhausgasflüsse Humusaufbau und C-Sequestrierung

33 Carbon cycle of the organic farming system Scheyern (kg C ha -1 a -1 ) Küstermann, Kainz & Hülsbergen (2008): Renewable Agric. and Food Systems 23, Inputs On-farm carbon fluxes Outputs feed, straw 1587 animals yield 2803 market products conservation loss conservation loss feed, straw 4081 market products 127 assimilation 5295 Plant straw, green manure 327 Animal CO 2 -enteric ferm CH 4 -enteric ferm. 109 rot loss 781 plant residues 1965 organic manure 1171 CH 4 -manure 3 organic manure seed Soil 500 CO 2 -soil loss 34 SOC

34 Carbon cycle of the conventional farming system Scheyern (kg C ha -1 a -1 ) Küstermann, Kainz & Hülsbergen (2008): Renewable Agric. and Food Systems 23, Inputs Inputs On-farm carbon fluxes internal farm cycling yield 3894 yield 3894 Outputs Outputs market products market products assimilation assimilation Plant Plant straw, straw, green green manure plant residues 1095 organic Manure organic 293 manure seed 293 seed plant residues 1095 Soil Soil SOC CO 2 -soil loss CO soil loss 4501

35 Beziehung zwischen C-Sequestrierung und THG-Emissionen Pilotbetriebe (Schmid, Braun & Hülsbergen 2012)

36 Root distribution pattern of species used in a grass-clover mixture Braun M., Schmid H., Grundler T. & Hülsbergen, K.-J. (2010): Plant Biosystems 144,

37 Humusbilanz und C-Bindung Humus-Saldo = potenzielle Änderung des Humus- und C-Vorrates Böden als CO 2 -Quelle und Senke Humusversorgung abhängig von Anbaustruktur und Fruchtfolge, Organischer Düngung, Bodenbearbeitung Optimierungsansätze Ökologischer Landbau Kleegras-Management, Fruchtfolge, Betriebliche Stoffkreisläufe Optimierungsansätze Konventioneller Landbau Konservierende Bodenbearbeitung, Mulchsaaten, Zwischenfrüchte Ertragsverwendung (Strohdüngung, C-Harvestindex)

38 Treibhausgas (THG)-Bilanz, ökologisch : konventionell Pflanzenbau, differenziert nach THG-Flüssen und Betriebstypen Energieeinsatz C-Sequestrierung Marktfrucht Milchvieh Lachgas CO 2eq (Fläche) CO 2eq (Produkt) 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 THG-Flüsse (Relationen)

39 Nutzen des Projektes für die Landwirtschaft Einzelbetriebliche Auswertungen, regionales Bechmarking, Empfehlungen zur Betriebsoptimierung für die Betriebsberatung Entwicklung und Erprobung von Werkzeugen zur Klimaschutz- und Nachhaltigkeitsberatung für die Politikberatung Grundlagen für die Nationale Klimaberichterstattung, bessere Datenbasis für die Agrar-Umweltpolitik... für die Wissenschaft Aufbau eines einmaligen Monitoringsystems und Datensatzes, Methodenentwicklung