Optimierung der N-Effizienz. auf Betriebsebene. SKW-Fachtagungen Düngung 2015

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1 Technische Universität München Optimierung der N-Effizienz auf Betriebsebene SKW-Fachtagungen Düngung 2015 Prof. Dr. habil. Kurt-Jürgen Hülsbergen, Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme

2 Optimierung der N-Effizienz Problemstellung N-Haushalt und N-Effizienz in Feldexperimenten Modellierung betrieblicher Stoffkreisläufe Schlussfolgerungen und Ausblick

3 Problemstellung Stickstoff als Motor der Pflanzenwachstums, wichtiger, oft ertragsbegrenzender Nährstoff, Proteinsynthese, Grundlage für Human-und Tierernährung Komplexe N-Umsatzprozesse im Boden (Immobilisierung, Mineralisierung), Standort-und Witterungseinflüsse Umweltwirkungen: Nitrataustrag (Grundwasser), Ammoniak (Luft), Lachgas (Treibhausgas Klimawirkungen ) Steigende Anforderungen, auch der Gesetzgebung (novellierte Dünge-VO, Wasserrahmenrichtlinie, Auflagen in Trinkwasserschutzgebieten, )

4 Erisman et al. (2008): Nature Geoscience 1,

5 Trends in human population and nitrogen use throughout the twentieth century Erisman et al. (2008): Nature Geoscience 1,

6 Trends in average global cereal yields and nitrogen-fertilization efficiency of crop production Tilman et al. (2002): Nature 418,

7 Sutton et al. (2011): Nature 472,

8 N-Anfall aus der Tierhaltung

9 N-Überschuss der Flächenbilanz in den Kreisen in Deutschland, Mittel (Frede 2014)

10 Entwicklung N-Saldo und N-Effizienz (BMELV 2012) N-Saldo (kg ha -1 ) N-Effizienz (%)

11 Fragestellungen Wie kann die N-Düngung weiter optimiert werden? Was bringen moderne N-Management- und Düngesysteme? Welches Potenzial hat die teilflächenspezifische N-Düngung? Kann das hohe Intensitätsniveau und Ertragspotenzial der deutschen Landwirtschaft erhalten und gleichzeitig die Umwelt entlastet werden? N-Effizienz (N use efficiency, NUE) N-Effizienz = N-Output N-Input

12 Ertragswirkung organisch-mineralischer Düngung TM-Ertrag, Haupt- und Nebenprodukte (Düngungsversuch Seehausen) TM-Ertrag (dt ha -1 ) OD0 OD1 OD2 OD Mineral-N(kg ha -1 ) y = 73,6 + 0,36 x 1 + 0,61 x 2 0,00076 x 12 0,00208 x 22 0,00138 x 1 x 2 B = 0,98 + s R = 3,6

13 N-Salden (potenzielle N-Verluste) Düngungsversuch Seehausen N-Saldo (kg ha -1 ) OD3 OD2 OD1 OD Mineral-N (kg ha -1 ) y = 9,3 + 0,251 x 1 + 0,00189 x , x 12 B = 0,91 + s R = 9,6

14 Beziehung zwischen N-Saldo und Nitratvorrat (1-7,5 m Tiefe) Düngungsversuch Seehausen (Hülsbergen 2003) NO - 3 -N 3 -N (kg (kg/ha) -1 ) N-Saldo (kg/ha) -1 ) Tiefenbohrung auf einer Versuchsfläche y = 75,7 e 0,012 x B = 0,91 + s R = 37,1

15 N-Effizienz und N-Verluste in Abhängigkeit von der Düngung Düngungsversuch Seehausen Düngung N-Effizienz Verluste OD kg N ha -1 MD kg N ha -1 Pflanze % Boden % Gesamt % % kg N ha

16 Entwicklung der N t -Gehalte, Messwerte und Simulationswerte Düngungsversuch Seehausen: 40 % Hackfrucht, 60 % Getreide, Strohernte N org -Gehalt (mg 100g -1 ) Jahre ungedüngt Mineral-N Stalldung Stalldung + Mineral-N

17 N 2 O-Messungen mit automatischem Messsystem im Energiepflanzen-Fruchtfolgeversuch, Versuchsstation Viehhausen Projekt:Klimawirkungen und Nachhaltigkeit ökologischer und konventioneller Betriebssysteme Untersuchungen im Netzwerk der Pilotbetriebe Partner: Institut für Bodenökologie, Helmholtz Zentrum München, Univ. Bonn, Univ. Halle-Wittenberg, Thünen-Institut, gefördert durch: BLE

18 N 2 O-Emissionen im Energiepflanzen-Fruchtfolgeversuch Viehhausen (Peter, Schmid, Munch & Hülsbergen 2013) 600 Kleegras 500 Winterweizen mit Biogasgülle Winterweizen ohne Biogasgülle 400 µg N 2 O-N m -2 h Messzeitpunkt

19 N 2 O-Emissionen im Energiepflanzen-Fruchtfolgeversuch Viehhausen, Winterweizen mit Biogasgülle (Peter et al. 2013) µg N 2 O-N m -2 h -1

20 N 2 O-Flüsse, Winterraps, 40/120/60 = 220 kg N ha -1 (ASS) Versuchsstation Roggenstein (Vinzent, Maidl & Hülsbergen 2014) N-Düngung

21 N 2 O-Flüsse, Winterraps, TUM 40/50/105 = 195 kg N ha -1 (ASS) Versuchsstation Roggenstein (Vinzent, Maidl & Hülsbergen 2014) N-Düngung

22 N 2 O-Flüsse, Winterraps, 40/120/60 = 220 kg N ha -1 (Alzon) Versuchsstation Roggenstein (Vinzent, Maidl & Hülsbergen 2014) N-Düngung

23 Teilflächenspezifische N-Düngung (Precision Farming) 0,6 Stickstoffdüngeversuche mit Winterraps Reflexionsgrad 0,4 0,2 0 N 60 N 120 N 180 N Wellenlänge [nm] Reflexionsspektren von Winterraps Anwendung in der Praxis: Messalgorithmen und Düngesystem der TUM

24 Teilflächenspezifische N-Düngung (Precision Farming)

25 Optimierung der N-Düngung bei Wintergerste Streifenversuche, Versuchsstation Roggenstein (Spicker & Maidl 2014) Mineral-N-Düngung Korn-Ertrag N-Saldo

26 Nutrient flows and system boundaries OENEMA et al. (2003): Europ. J. Agronomy 20, 3-16.

27 Stickstoffkreislauf, Versuchsbetrieb Scheyern, ökologisch (kg N ha -1 a -1 ) Küstermann, Christen & Hülsbergen (2010): Agric., Ecosys.& Environm. 135, Inputs Futter 34 Tiere 4 Innerbetrieblicher Kreislauf 124 Outputs Marktprodukte 24 Konservierungsverluste 9 Futter, Stroh 100 Pflanze Stroh-/Gründüngung 18 Tier Marktprodukte 19 NH 3 -Verluste 23 Saatgut 2 Immissionen 16 N 2 -Fixierung 60 N-Entzug 151 ΔN org N-Saldo Boden Stalldung, Gülle 91 Gülle 5 NH 3 -Verluste 9 N 2 O-Verluste 4 NO 3 -Verluste 11

28 Stickstoffkreislauf, Versuchsbetrieb Scheyern, konventionell (kg N ha -1 a -1 ) Küstermann, Christen & Hülsbergen (2010): Agric., Ecosys.& Environm. 135, Inputs Innerbetrieblicher Kreislauf Outputs Marktprodukte 149 Pflanze Stroh-/Gründüngung 91 Gülle 33 Saatgut 5 Immissionen 16 Mineral-N 145 N-Entzug 240 ΔN org N-Saldo Boden NH 3 -Verluste 8 N 2 O-Verluste 10 NO 3 -Verluste 47

29 Stickstoffkreislauf, Betrieb Lommatzscher Pflege (kg N ha -1 a -1, Hülsbergen & Schmid 2014) Inputs Innerbetrieblicher Kreislauf Outputs Futter, Biomasse 36 Tiere Marktprodukte 115 Konservierungsverluste 7 Futter, Stroh 50 Pflanze Stroh-/Gründüngung 37 Tier /BGA Marktprodukte 23 NH 3 -Verluste Mineral-N Saatgut 2 Immissionen 20 N 2 -Fixierung 23 N-Entzug 209 ΔN org Boden -8 N-Saldo 63 Organ. Dünger 50 NH 3 -Verluste 12 N 2 -, N 2 O-Verluste 18 NO 3 -Verluste 33

30 Stickstoffkreislauf eines Veredlungsbetriebes (kg N ha -1 a -1, Abraham & Hülsbergen 2002) Inputs Innerbetrieblicher Kreislauf Outputs Futter, Biomasse 200 Tiere Futter, Stroh Konservierungsverluste 6 Pflanze Stroh-/Gründüngung 38 Tier Marktprodukte 118 NH 3 -Verluste 18 Saatgut 2 Immissionen 30 Mineral-N 55 N-Entzug 158 ΔN org Boden 2 N-Saldo 164 Gülle 196 Rotte-, Lagerverluste 15 NH 3 -Verluste 40 Denitrifikationsverluste 19 Auswaschungsverluste 105

31 Vergleich von Betriebssystemen, Modell REPRO 200 Konventioneller Landbau Ökologischer Landbau N-Saldo (kg ha -1 a -1 ) ,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Tierbesatz (GV ha -1 )

32 Bewertungsfunktionen Flächenbezogener N-Saldo Leistung 1,00 0,75 0,50 0, N-Saldo (kg N ha -1 )

33 Bewertungsfunktionen Flächenbezogener N-Saldo Bereich kg N ha -1 a -1 Begründung N-Mangel - 50 bis 0 Abnahme des Boden-N und des Ertragspotentials Optimalbereich 0 bis 50 unvermeidbare N-Verluste N-Überschuss 50 bis 150 erhöhte N-Verluste > 150 überhöhte, nicht tolerierbare N-Verluste

34 Thematische Karten, N-Saldo (kg N ha -1 ) Gemischtbetrieb mit Milchviehhaltung

35 Schema teilflächenspezifischer N-Bilanzierung

36 Schlussfolgerungen Betriebliche Stoffkreisläufe sind komplex, abhängig von Standort, Struktur, Intensität, Verfahrensgestaltung. Die Systemoptimierung erfordert leistungsfähige Modelle / N-Managementsysteme, die wissenschaftlich fundiert, aber einfach anwendbar sind. Die sensorgestützte teilflächenspezifische N-Düngung kann zur Erhöhung der N- Effizienz und zur Minderung umweltrelevanter N-Emissionen beitragen. Die Verknüpfung von N-Managementsystemen (REPRO) mit der sensorgestützten N-Düngung ist ein Lösungsansatz, insbesondere in Trinkwassereinzugsgebieten.

37 Praktische Anwendung, Wissenschafts-Praxis-Transfer REPRO-Einbindung in Umwelt- und Nachhaltigkeits-Managementsysteme DLG-Nachhaltigkeitsstandard REWE-Pro-Planet Betriebsumweltplan (LfULG Sachsen) TUM-Düngesystem und -algorithmen Fritzmeier, Claas REPRO und TUM-Düngesystem, Einsatz in Trinkwasserschutzgebieten Projekt Hohenthann Projekt OOWV