Stoffkreisläufe biologisch / konventionell im Vergleich

Transkript

1 Technische Universität München Stoffkreisläufe biologisch / konventionell im Vergleich Erste Ergebnisse aus dem Pilotbetriebsnetz Prof. Dr. Kurt-Jürgen Hülsbergen, Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme

2 Gliederung Problemstellung Stoffkreislauf als Grundprinzip des Ökologischen Landbaus Versuchsbetrieb Scheyern Ökologische und konventionelle Betriebssysteme Versuchsbetrieb Viehhausen Ökologisches Marktfruchtsystem und Biogassystem Pilotbetriebe Stoffkreisläufe und Klimawirkungen von Betriebssystemen

3 Stoffkreisläufe im Landwirtschaftsbetrieb Trend zur Spezialisierung, Marktfruchtbetriebe C- und N-Kreislauf, Emissionen Bodenfruchtbarkeit Fruchtfolge, Fruchtartendiversität Ertrag, Qualität

4 Stoffkreisläufe im Landwirtschaftsbetrieb Die Biogasanlage übernimmt Funktionen der Tierhaltung.

5 Betriebliche Stoffkreisläufe Problemstellung Spezialisierung und Betriebsvereinfachung Marktfruchtbau: offene Kreisläufe, Ertragsstagnation? Biogassysteme: Intensivierung der Kreisläufe Gemischtbetriebe: Auslaufmodell?

6 Stickstoff-Salden in der Bundesrepublik Deutschland (1999) Umweltbundesamt (2002) N-Saldo (kg ha -1 a -1 )

7 Tierbesatz in der Bundesrepublik Deutschland (1999) Umweltbundesamt (2002) Tierbesatz (GV ha -1 )

8 Entwicklung der N org -Gehalte nach Grünlandumbruch Dauerversuch Lauterbach, Erzgebirge (Hülsbergen et al. 1996) N org (mg 100 g -1 Boden) Jahre GV ha -1 Humusabbau (Variante mit 0 GV ha -1 ): kg N ha -1 = 110 kg N ha -1 a kg C ha -1 = kg C ha -1 a -1 = ca kg CO 2 ha -1 a -1

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10 Versuchsstationen der TU München

11 Technische Universität München Versuchsbetrieb Scheyern Ökologisches und konventionelles Betriebssystem

12 Nitrogen cycle of the organic farming system Scheyern (kg N ha -1 a -1 ) Küstermann, Christen & Hülsbergen (2010): Agric., Ecosys.& Environm. 135, Inputs On-farm nitrogen fluxes Outputs Forage, straw 34 Animals 4 Yield 124 Conservation losses 9 Cash products 24 Conservation losses 9 Forage, straw Straw / Green manure 138 Cash products 19 Plant 18 Animal NH 3 9 Conservation losses 10 N removal FYM, slurry FYM/slurry 5 N deposition 16 N 2 fixation SON N surplus Soil NH 3 9 Denitrification 4 Leaching 11

13 Nitrogen cycle of the conventional farming system Scheyern (kg N ha -1 a -1 ) Küstermann, Christen & Hülsbergen (2010): Agric., Ecosys.& Environm. 135, Inputs On-farm nitrogen fluxes Outputs Yield 149 Cash products 149 Straw / Green manure Pflanze 91 Slurry 33 Seed N removal 5 N deposition 16 Mineral nitrogen Boden SON N surplus NH 3 8 Denitrification 10 Leaching 47

14 Verteilungsmuster von TM-Ertrag, Leguminosenanteil und N 2 -Fixierung, Schlag A09 Versuchsstation Scheyern (Locher et al. 2002)

15 Feldlabor und Hauben zur Messung des Spurengasaustauschs Helmholtz Zentrum München

16 N 2 O Emissionen im Systemversuch Scheyern (unveröffentlicht)

17 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

18 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

19 Räumliche Variabilität von C org -Gehalten Versuchsstation Scheyern 100 m C org (%) > 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5

20 Hydrologische Modellierung Versuchsstation Scheyern (Siebrecht 2010)

21 Potenzielle Bodenabträge durch Wassererosion Versuchsstation Scheyern (Siebrecht 2010)

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23 Technische Universität München Versuchsbetrieb Viehhausen Ökologisches Marktfruchtsystem Ökologisches Biogassystem

24 Stickstoffkreislauf der Versuchsstation Viehhausen (kg N ha -1 a -1 ) IST-Situation: Marktfruchtbau + Legehennenhaltung

25 Stickstoffkreislauf der Versuchsstation Viehhausen (kg N ha -1 a -1 ) Betriebsszenario: Marktfruchtbau + Biogaserzeugung

26 Energiepflanzen-Biomasse-Versuch Viehhausen

27 Energiepflanzen-Biomasse-Versuch Viehhausen Fruchtfolge 1 1. Kleegras 2. Winterweizen 3. Winterroggen Silomais 4. GPS Winterweizen

28 Energiepflanzen-Biomasse-Versuch Viehhausen Fruchtfolge 1 Fruchtfolge 2 1. Kleegras Kleegras 2. Winterweizen Winterweizen 3. Winterroggen Silomais Wickroggen Sudangras 4. GPS GPS Winterweizen Sonnenblumen

29 Energiepflanzen-Biomasse-Versuch Viehhausen Fruchtfolge 1 Fruchtfolge 2 Fruchtfolge 3 1. Kleegras Kleegras Kleegras 2. Winterweizen Winterweizen Winterweizen 3. Winterroggen Silomais Wickroggen Sudangras Weißklee Silomais 4. GPS GPS Winterweizen Sonnenblumen GPS Silomais

30 Energiepflanzen-Biomasse-Versuch Viehhausen Fruchtfolge 1 Fruchtfolge 2 Fruchtfolge 3 Fruchtfolge 5 1. Kleegras Kleegras Kleegras Kleegras 2. Winterweizen Winterweizen Winterweizen Winterweizen 3. Winterroggen Silomais Wickroggen Weißklee Senf/Rübsen Sudangras Silomais Silomais 4. GPS GPS GPS Silomais GPS Winterweizen Sonnenblumen Sonnenblumen

31 Energiepflanzen-Biomasse-Versuch Viehhausen Fruchtfolge 1 Fruchtfolge 2 Fruchtfolge 3 Fruchtfolge 5 Fruchtfolge 6 1. Kleegras Kleegras Kleegras Kleegras Kleegras 2. Winterweizen Winterweizen Winterweizen Winterweizen Winterweizen 3. Winterroggen Silomais Wickroggen Weißklee Senf/Rübsen Sudangras Silomais Silomais Kleegras 4. GPS GPS GPS Silomais GPS Winterweizen Sonnenblumen Sonnenblumen GPS Kleegras

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34 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

35 Regenwurm-Abundanz im Energiepflanzen-Fruchtfolgeversuch Viehhausen (Thoma-Rademacher 2010) 0 Gülle 0 Gülle Kleegras-Fruchtfolge Mais-Fruchtfolge

36 Regenwurm-Biomasse im Energiepflanzen-Fruchtfolgeversuch Viehhausen (Thoma-Rademacher 2010) 0 Gülle 0 Gülle Kleegras-Fruchtfolge Mais-Fruchtfolge

37 Winterweizen-Korn-Ertrag im Energiepflanzen-Fruchtfolgeversuch Viehhausen (Mittelwerte ) (Reents et al. 2010) 70,0 60,0 50,0 Kornertrag dt/ha 40,0 30,0 20,0 ohne Gülle mit Gülle 10,0 0, Fruchtfolgen Ohne Biogasgülle Mit Biogasgülle Ertrag (dt/ha) 46,8 59,4 Rohprotein (%) 10,0 11,4

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

40 Spezifische Treibhauspotentiale (Global warming potential) Treibhausgas Lebensdauer Konzentration (ppm) vor GWP industriell a 100 a CO 2 ~ variabel 1 CH 4 0,70 1, N 2 O 0,27 0,

41 Treibhausgasbilanz: Relevante Stoff- und Energieflüsse Tierhaltung Ackerland Grünland Biogasanlage

42 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

43 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)

44 Stickstoffkreislauf eines Pilotbetriebes (kg N ha -1 a -1 ) Region Süd: Ökologischer Marktfruchtbau N 2 O-Verluste 4,0

45 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

46 Stickstoffkreislauf eines Pilotbetriebes (kg N ha -1 a -1 ) Region Süd: Ökologischer Gemischtbetrieb mit Milchviehhaltung 7,0 7,0 33,9 N 2 O-Verluste 8,7 6,2

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

48 Stickstoff-Bilanz im Pflanzenbau und N 2 O-Emissionen 102 Praxisbetriebe (Hülsbergen & Schmid 2010) Kennzahl Ökol. Betriebe (n = 39) Konv. Betriebe (n = 63) Mittel min max Mittel min max N-Input (kg N ha -1 ) N 2 -Fixierung (kg N ha -1 ) N-Entzug (kg N ha -1 ) N-Saldo (kg N ha -1 ) N 2 O-Emissionen (kg CO 2 eq ha -1 )

49 Technische Universität München Lösungsansatz Erhöhung der Energieeffizienz im Pflanzenbau und der Tierhaltung

50 Einsatz fossiler Energie zur Futterproduktion Ausgewählte Pilotbetriebe (Frank et al. 2010) 0,25 0,20 Energieinput GJ/GJ NEL 0,15 0,10 0,05 0,00 Weide Frischgras Grassilage Wiesenheu Maissilage Winterweizen ökologisch konventionell

51 Beziehung zwischen Energieinput und Netto-Energieoutput im Pflanzenbau, 102 Praxisbetriebe (Hülsbergen & Schmid 2010)

52 Beziehung zwischen Energieinput und Treibhausgasemissionen im Pflanzenbau, 102 Praxisbetriebe (Hülsbergen & Schmid 2010)

53 Energie- und CO 2 -Bilanz im Pflanzenbau, Prozessanalyse 102 Praxisbetriebe (Hülsbergen & Schmid 2010) Kennzahl Ökol. Betriebe (n = 39) Konv. Betriebe (n = 63) Mittel min max Mittel min max Energieinput (GJ ha -1 ) 5,9 3,6 11,3 13,0 6,8 18,4 Ertrag (GE ha -1 ) Energiebindung (GJ ha -1 ) Energieintensität (MJ GE -1 ) Output/Input-Verhältnis 12,9 5,6 24,4 10,4 6,4 17,0 Emissionen (kg CO 2 eq ha -1 )

54 Technische Universität München Lösungsansatz Kohlenstoffspeicherung in Böden durch Humusaufbau

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

56 Wurzeln im Unterboden (100 cm Tiefe) an Klüften und in Regenwurmröhren (M. Braun 2008)

57 Umsetzbare Organ. Substanz ökologischer und konv. Flächen Beispiel: Braun, Freising (pfluglose Bodenbearbeitung) 0-10 cm cm cm C hwl mg/kg Konventionelle Vergleichsfläche

58 Kohlenstoffbilanz im Pflanzenbau, Änderung des Boden-C-Vorrates 102 Praxisbetriebe (Hülsbergen & Schmid 2010) Kennzahl Ökol. Betriebe (n = 39) Konv. Betriebe (n = 63) Mittel min max Mittel min max Tierbesatz (GV ha -1 ) 0,39 0,00 1,59 0,58 0,00 2,67 C org (kg C ha -1 ) C org (kg CO 2 eq ha -1 )

59 Beziehung zwischen der C-Sequestrierung und den THG-Emissionen im Pflanzenbau, 102 Praxisbetriebe (Hülsbergen & Schmid 2010)

60 Technische Universität München Lösungsansatz Ertrags- und Leistungssteigerungen

61 Kornertrag von Winterweizen, Pilotbetriebe (2009) (Lind, Rudolf, Neuhoff & Köpke 2010)

62 Strohertrag von Winterweizen, Pilotbetriebe (2009) (Lind, Rudolf, Neuhoff & Köpke 2010)

63 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

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65 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 )

66 Vergleich von Betriebssystemen, Modell REPRO 200 Konventioneller Landbau Ökologischer Landbau N-Saldo (kg ha -1 a -1 ) Scheyern -50-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Tierbesatz (GV ha -1 )

67 Vergleich von Betriebssystemen, Modell REPRO 200 Konventioneller Landbau Ökologischer Landbau N-Saldo (kg ha -1 a -1 ) Scheyern -50-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Tierbesatz (GV ha -1 )

68 Projekt Pilotbetriebe Projektpartner Technische Universität München Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme Johann Heinrich von Thünen-Institut Institut für Ökologischen Landbau, Institut für Agrarrelevante Klimaforschung Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Institut für Organischen Landbau Martin-Luther Universität Halle-Wittenberg Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaften Bioland Beratung GmbH 80 Landwirtschaftsbetriebe

69 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 Klimaschutzberatung in der Landwirtschaft

70 CO 2 Flüsse im Energiepflanzen-Fruchtfolgeversuch Viehhausen (Peter, Schmid, Munch & Hülsbergen 2010) 2000 Kleegras 1500 Winterweizen mit Gülle Winterweizen ohne Gülle mg CO 2 -C m -2 h Messzeitpunkt

71 Technische Universität München Stickstoffbilanz und N 2 O-Emissionen

72 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

73 Energieeffizienz beim Anbau von Winterweizen HÜLSBERGEN et al. (2002): Field Crops Research 77, Netto-Energieoutput (GJ/ha) Energieintensität (MJ/GE) Netto-Energieoutput Energieintensität Output/Input-Relation Output/Input-Relation Mineral-N (kg/ha) 13 Netto-Energieoutput: B = 0,88 + Energieintensität: B = 0,84 + Output/Input-Relation: B = 0,67 +

74 Abhängigkeit des C org -Gehaltes von der Bodentextur (Hoyer & Hülsbergen 2007) 3,5 3 2,5 y = 0,046 x + 0,37 r 2 = 0,80 C org -Gehalt (%) 2 1,5 1 y = 0,041 x + 0,36 r 2 = 0,77 0,5 org int Feinanteil (%)

75 Entwicklung von Humusgehalten (nach Johnson et al. 1995) LP/D 1 < 1 1 > 1 1 Steady-state Loss Steady-state Accumulation Steady-state Soil Organic Matter Disturbance New Management Time LP = Litter production D = Decomposition

76 Einfluss von Klee-Luzerne-Gras auf die C org -Gehalte Dauerfeldversuch auf sandigem Lehm (Hülsbergen 2003) 1,00 0,95 C-Gehalt (%) 0,90 0,85 0,80 0, Versuchsjahre Fruchtfolge mit Klee-Luzerne-Gras Fruchtfolge ohne Klee-Luzerne-Gras