Ansätze zur Verminderung der Umweltbelastungen durch den Anbau von Energiepflanzen

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1 Ansätze zur Verminderung der Umweltbelastungen durch den Anbau von Energiepflanzen Jürgen Augustin, Michael Glemnitz, Matthias Willms 3. Projekttag Bioenergie des BMELV, Berlin

2 Negative Folgewirkungen des Anbaus von Energiepflanzen zur Biogasgewinnung? Beeinträchtigung regionaler Nutzungsansprüche wie des Natur- und Artenschutzes sowie des Tourismus Hohe mineralische N-Düngung + Einsatz stickstoffreicher Gärrückstände erhöhte N 2 O/NH 3 -Freisetzung & NO 3- -Auswaschung? Verringerung der Bodenfruchtbarkeit durch Humusabbau (Netto-)CO 2 - Freisetzung. Gärreste aber positiv? Dilemma Wissen zu lückenhaft und widersprüchlich für eine eindeutige Einschätzung der langfristigen Wirkungen des Energiepflanzenanbaus Ableitung von zielgerichteten Minderungsmaßnahmen zur Zeit nicht möglich

3 Etablierung des Projektes Ökologische Folgewirkungen des Energiepflanzenanbaus Projektverbund Entwicklung und Vergleich von optimierten Anbausystemen für die landwirtschaftliche Produktion von Energiepflanzen unter den verschiedenen Standortbedingungen Deutschlands (EVA I-III) Fragestellungen Wie sieht ein ökonomisch tragfähiger und gleichzeitig ökologisch nachhaltiger Energiepflanzenanbau aus? Wie sind Gesetze und Anreizsysteme zu gestalten, um diese Form des Energiepflanzenanbaus schnell und effizient in der Praxis zu etablieren? Vorgehensweise Konzentration auf spezifische Veränderungen der Anbauverfahren im Vergleich zur traditionellen Landwirtschaft Abiotische und biotische Folgewirkungen werden in jeweils einer Arbeitsgruppe in enger Zusammenarbeit mit pflanzenbaulichen Teilprojekten untersucht

4 EVA-Versuchsstandorte Parzellenversuche (Fruchtfolgen, 2-Kultursystem, red. Faktoreneinsatz) On-Farm-Experimente (Biotik: Habitatgüte von vers. Energiepflanzen) Parzellenversuche Fruchtfolgen Satellitenversuche Quelle: Glemnitz et al. (2012)

5 Etablierung des FNR-Verbundvorhabens Klimawirkung von Energiepflanzen zur Biogasgewinnung ( ) Zielstellungen Einfluss von Gärresten, Fruchtart und Fruchtfolge auf N 2 O-, CH 4 - und CO 2 -Flüsse und die resultierende Klimawirkung sowie die NH 3 -Verflüchtigung Einfluss der Standortverhältnisse auf o.g. Merkmale (Grundlagen für die Regionalisierung) Präzisierte Modelle zur Abschätzung der Relevanz des Anbaus von Energiepflanzen als Quelle und Senke von Treibhausgasen Grundlagen für die Gestaltung von Energieanbausystemen mit reduzierter Klimawirkung und langfristiger Erhaltung des Vorrates an organischer Bodensubstanz Erstellen von standortspezifischen Ökobilanzen des Energiepflanzenanbaus Vorgehensweise Durchführung von identischen Feldmessungen (Methoden, Versuche) auf einem breiten Standortspektrum in Kopplung mit dem EVA-III-Projekt

6 Untersuchungsstandorte Hohenschulen (K) Gülzow (G) Dedelow (D; CARBO-ZALF) Dornburg (J) Ascha (A) Abb. nach Jungkunst et al. 2006

7 Versuche und Varianten Kleiner Gärrestversuch (Triticale-Mais-Winterweizen-Senf-Mais-Roggen-Sorghum) Einfluss von Fruchtfolge und Gärresten auf Klima- und Boden-C-Bilanz 100% Mineral-N 50% Mineral-N + 50% Gärrest-N 100% Gärrest-N Großer Gärrestversuch (Mais) Einfluss von Gärrestapplikation auf N2O-, CH4- und NH3-Emission Ohne N-Düngung Mineralisch mit ortsüblicher N-Menge (Kontrolle) 50 % Gärrest-N 75 % Gärrest-N 100 % Gärrest-N 125 % Gärrest-N 200 % Gärrest-N

8 Ergebnisse

9 Artenvielfalt in 4jährigen Anbaufolgen kalkuliert mit Daten aus Felduntersuchungen und Parzellenversuchen 70 1 Monokultur LK_AZ 30-58% Anzahl Kulturartengruppen Anzahl Kulturartengruppen % % 30 BB_Artenanzahl SP_AZ 60 Artenanzahl 70 Artenanzahl Es gibt keine guten oder schlechten Fruchtarten aus der Sicht der Artenvielfalt, jede Kulturart bietet auch für spezielle Arten Lebensraum! - 28% spezielle funktionelle Gruppen werden durch einzelne Fruchtarten gefördert, Anbaufolgen wirken verstärkend oder abschwächend + 11% % 60-60% Spinne Anzahl Kulturartengruppen Anzahl n 1 2 Anzahl Kulturartengruppen Kulturartengruppen AnzahlAnzahl Kulturartengruppen Anzahl Q.: Glemnitz et al. (2011) Artenvielfalt wird durch vielfältige Anbaufolgen gewährleistet + 18% 40 Artenanzahl 3 drei Fruchtarten BK_Artenanzahl 2 zwei Fruchtarten Artenanzahl 60 50

10 Mais vs. Hirse: Besatz einjähriger Beikräuter und Aussaattermin Deckungsgrad Beikräuter in Abhängigkeit vom Aussaattermin (Mittelwerte 3 Regionen, 3 Jahre, 4 Aufnahmetermine, 10 Wiederholungen, Kruskal-WallisH-Test) Quelle: Glemnitz et al. (2011) Aussaattermin hat großen Einfluss auf Beikrautflora: Mais negativ bei früher Aussaat, Hirse negativ bei später Aussaat Hirse tendiert zu größeren Beikrautbesatz Veränderte Terminierung von Anbaumaßnahmen wirkt negativ, wenn sie zeitlich mit Reproduktionszyklen zusammenfällt (gilt auch für Brutvögel)

11 Nmin-Dynamik Gärrestdüngung Gärrestdüngung (50%N) 1. Jahr, Nmin 0-90 cm Tiefe, Gärrestdüngung erhöht kurz- und mittelfristig Risiko des NminAustrages) Gärrestdüngung Gärrestdüngung (50%N) Jahr, Nmin 0-90 cm Tiefe, Austragsrisiken sind unmittelbar nach Applikation am höchsten Ansätze zur Minimierung des Risikos: Wahl Ausbringetechnik, Zeitpunkt und Fruchtart Q.: Willms, v. Buttlar, Specka, Deumlich (2011) Messwert (Trossin) Simulation (MONICA)

12 NH3-Emissionen deutliche Unterschiede der NH3-Emissionen zwischen Standorten (echter Standorteffekt?) und Jahren (Witterung?) hohe Gärrest-N-Mengen führen nicht zwingend zu hohen NH3-Verlusten Injektion auch nach Injektion nachweisbare NH3Emissionen (vs. Schleppschlauch) WICHTIG: Einarbeitungszeit und qualität! Risiko erheblicher NH3N-Verluste nach Gärrestapplikation (bis zu 25 % des applizierten NH4-N)

13 N2O-Austausch Dedelow, Dornburg und Hohenschulen: auch bei sehr hohen Gärrest-N-Mengen (200% N) niedrige kumulierte N2O-Emissionen (<5 kg N2O-N ha-1) Gülzow: 2011 ca. 30 kg N2O-N ha-1; 2012 ähnlich niedrig wie auf den anderen Standorten (Ursachen für interannuelle Variabilität: unklar) Gärreste verursachen i. d. Regel mäßige N2O-Verluste, aber es gibt Risiko extrem hoher Emissionen (unter welchen Bedingungen?)

14 Humusbilanz: Wieviel Gärrest muss ausgebracht werden? % N aus Gärrest 72 % N aus Gärrest Salden-Gruppe ohne Gärrest E, sehr hoch D, hoch 100 C, optimal B, niedrig -300 A, sehr niedrig 100 % N aus Gärrest -700 Fruchtfolgen mit hohen Mais- bzw. Hirseanteilen (FF1-3) erfordern für eine ausgeglichene Humusbilanz eine zusätzliche organische Düngung bzw. Gärrestrückführung Gärrestrückführung erhöht den organischen N-Pool im Boden, bei höheren Ackerzahlen stärker als bei niedrigen Ackerzahlen Q.: Willms (2011) -1 Saldo Humus-C [kg*ha a ] Ackerz. Standort: EVA-Versuche: Fruchtfolge 3, Berechnung mit REPRO

15 Was zeigen direkte Messung der Veränderungen im Vorrat an Bodenkohlenstoff (SC)? Kombination von einer C-Flächenbilanz (Import & Export) mit den jährlichen NettoCO2- (NEE) und CH4-Austauschraten SC = NEE + CH4-C + (EG OD) BPP Organ. Düngung (OD) CH4 Reco Ernteentzug (EG)

16 Mais Boden-C-Bilanzen 05-12/ / / /2011 Widersprüchliche Resultate! Dedelow: Gärrestapplikation bei Mais kompensiert den C-Verlust des Bodens, d.h. positive Wirkung auf den Boden-C-Vorrat Wirkung auf den Boden-C-Vorrat abhängig von der applizierten Gärrestmenge Ascha/Dornburg: Verschlechterung der C-Bilanz, d.h. Verlust von C aus dem Boden evtl. bewirken Gärreste verstärkten Abbau von Boden-C Resultate sehr widersprüchlich (positive bzw. negative Effekte von Gärresten auf den Boden-C-Vorrat) Gärreste gleichen nicht in jedem Fall die beim Anbau von Energiepflanzen entstehenden Verluste von Boden-C aus

17 Zusammenfassung Je größer das Spektrum der angebauten Fruchtarten ist, umso umfangreicher fällt Artenvielfalt aus. Die einzelnen Fruchtarten wirken sehr differenziert auf spezifische Organismengruppen. Veränderte Anbautermine wirken negativ, wenn sie mit den Reproduktionszyklen der Organismen zusammenfallen Gefährdungen durch den Austrag von Nmin nach Gärestapplikation und durch Wassererosion beim Anbau von Sommerkulturen wie Mais und Hirse lassen sich durch spezielle Maßnahmen verringern (angepasste Technik und Ausbringetermine, Zwischenfrüchte, reduzierte Bodenbearbeitung) Nach Gärrestapplikation besteht prinzipiell das Risiko hoher NH3-N-, N2O-N- und N2-N-Verluste unklar, unter welchen Bedingungen ein besonders hohes Risiko besteht Unzureichende Differenzierung zwischen Effekten von Standort, Witterung und Ausbringungstechnik Die Aussagen zur Wirkung des Energiepflanzenanbaus auf den Vorrat an organischer Bodensubstanz sind nicht eindeutig. Nach Humusbilanzmethode wirken Gärreste immer positiv, nach Direktmessungen auf Grundlage des CO2-Austausches zum Teil auch negativ. Gärreste können offenbar nicht generell eine ausreichende Humusnachlieferung gewährleisten. Voraussetzung für Klärung der Widersprüche und für verallgemeinerbare Ergebnisse: gezielte Fortführung und Ausweitung der Untersuchungen.

18 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!