Belastungen des Grundwassers bei Ökologischer und konventioneller Bewirtschaftung im Vergleich

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1 Informationsveranstaltung am 30. Oktober 2009 auf dem Bioland Betrieb Andreas Follmer Belastungen des Grundwassers bei Ökologischer und konventioneller Bewirtschaftung im Vergleich Dr. Manfred Szerencsits Stickstoffmanagement durch Bodenbearbeitung und Fruchtfolge als Basis für den Grundwasserschutz Prof. Dr. Jürgen Heß

2 Übersicht 1. Was kann aus Vergleichen abgeleitet werden? 2. Überblick über bisherige Vergleiche 3. Systemimmanenter Grundwasserschutz im Ökolandbau 4. relevante Wirkungszusammenhänge und Faktoren 5. Rahmenbedingungen für N-Mangement 6. Lenkungsmöglichkeiten beim N-Mangement

3 Was kann aus Vergleichen abgeleitet werden? Was wird verglichen? grundlegende Unterschiede zwischen Landbausystemen Fruchtfolgegestaltung Düngung und Tierbesatz Erträge Pflanzenschutz Bodenbearbeitung grundlegende Unterschiede von Betrieb zu Betrieb in beiden Landbauformen Vergleich von durchschnittlichen Verhältnissen für verschiedene Standorte? besonders vorbildlich oder kritisch zu bewertenden Betrieben? einzelnen Vegetationsperioden oder gesamten Fruchtfolgen? Dauer der Gültigkeit von abgeleiteten Aussagen

4 Wie wird verglichen? wissenschaftliche Versuche auf einzelnen Flächen + exakte Aussagen für spezifische Standortbedingungen möglich Festlegung von Fruchtfolgegestaltung, Düngung, Bodenbearbeitung, sodass Aussagen für durchschnittliche Praxis relevant Versuche meist nur auf einzelnen Standorten finanzierbar Einschränkungen bei Übertragbarkeit

5 Wie wird verglichen? Beprobung und Bewertung der Flächen auf Praxis-Betrieben + hohe Praxisrelevanz der Aussagen große Anzahl von Flächen/Betrieben und/oder Erfassung von Daten über mehrere Jahre für repräsentative Aussagen erforderlich meist nur auf einzelnen Standorten finanzierbar Einschränkungen bei Übertragbarkeit exakte Dokumentation der Auswahlkriterien (Standortbedingungen, Bewirtschaftung)

6 Wie kommt man zu Aussagen mit Relevanz für Unterfranken? Welche Verbesserungen können durch eine Umstellung auf Biologische Landwirtschaft erreicht werden? keine unmittelbar übertragbaren Vergleiche mit hoher Aktualität verfügbar Überblick über verfügbare Vergleiche bezüglich Nitrat Diskussion der Wirkungszusammenhänge und Faktoren, die für Vorzüglichkeit ausschlaggebend sind

7 Pflanzenschutz kein Gefährdungspotenzial durch synthetische Pflanzenschutzmittel für Oberflächen- und Grundwasser im Biolandbau Kupfer, Schwefel oder aus natürlichen Rohstoffen hergestellte Mittel von geringer Relevanz - jedoch Verbesserungsbedarf auch in der ökologischen Landwirtschaft

8 Auswaschungsrisiko von Nitrat - Acker Ackerland intensiver Feldgemüseanbau intensive konventionelle Verfahren integrierter Landbau konv. mit Auflagen in Wasserschutzgebieten beste konventionelle Verfahren Ökologischer Landbau Dauerstilllegung Zufuhr (kg N/ha) Abfuhr (kg N/ha) Saldo (kg N/ha) N min (kg N/ha) Auswaschung (kg N/ha) Nitratgehalt (mg NO 3 /l) 142 KOLBE H. (2000): Landnutzung und Wasserschutz: der Einfluss von Stickstoff-Bilanzierung, Nmin-Untersuchung und Nitratauswaschung sowie Rückschlüsse für die Bewirtschaftung von Wasserschutzgebieten in Deutschland. Leipzig: WLV, Wiss. Lektorat und Verl

9 Auswaschungsrisiko von Nitrat - Grünland Dauergrünland intensive konventionelle Verfahren - intensiv bewirtschaftete Wiesen - intensiv bewirtschaftete Weiden konvent. extensiv und Ökolog. Landbau ohne Düngung mit Abfuhr o. Hutung unbelastetes Naturland Ökologischer Landbau - Acker! Zufuhr (kg N/ha) Abfuhr (kg N/ha) Saldo (kg N/ha) N min (kg N/ha) Auswaschung (kg N/ha) Nitratgehalt (mg NO 3 /l) KOLBE H. (2000): Landnutzung und Wasserschutz: der Einfluss von Stickstoff-Bilanzierung, Nmin-Untersuchung und Nitratauswaschung sowie Rückschlüsse für die Bewirtschaftung von Wasserschutzgebieten in Deutschland. Leipzig: WLV, Wiss. Lektorat und Verl

10 Auswaschungsrisiko von Nitrat - Wald Dauerforsten Zufuhr (kg N/ha) Abfuhr (kg N/ha) Saldo (kg N/ha) N min (kg N/ha) Auswaschung (kg N/ha) Nitratgehalt (mg NO 3 /l) Nutzwald u. aufgeforstete Dauerstilllegungsfl Laubwald Nadelwald unbelasteter Naturwald Grünland - konvent. extensiv und Ökolog. Landbau Ökologischer Landbau - Acker! KOLBE H. (2000): Landnutzung und Wasserschutz: der Einfluss von Stickstoff-Bilanzierung, Nmin-Untersuchung und Nitratauswaschung sowie Rückschlüsse für die Bewirtschaftung von Wasserschutzgebieten in Deutschland. Leipzig: WLV, Wiss. Lektorat und Verl.

11 Auswaschungsrisiko Nitrat - Acker u. Grünland Saldo (kg N/ha) Sickerwasser (mg NO3/l) Feldgemüseanbau konv. Landbau integrierter Landbau konv. in Wasserschutzgebieten Ökologischer Landbau Dauerstilllegung unbelastetes Naturland konv. extensiv u. Ökolandbau konv. Dauergrünland Sickerwasser Wiesen 25 mg NO3 /l Weiden 88 mg NO3 /l Acker Grünland KOLBE H. (2000): Landnutzung und Wasserschutz: der Einfluss von Stickstoff-Bilanzierung, Nmin-Untersuchung und Nitratauswaschung sowie Rückschlüsse für die Bewirtschaftung von Wasserschutzgebieten in Deutschland. Leipzig: WLV, Wiss. Lektorat und Verl.

12 Systemimmanenter Grundwasserschutz im Ökolandbau Der Bio-Landwirt als Stickstoffmanager Godehard Haning (BioBauer)

13 Stickstoff-Einfuhr und Ausfuhr im ökologisch wirtschaftenden Betrieb (HEß, PIORR, SCHMIDTKE 1992) Stickstoff-Einfuhr Stickstoff-Ausfuhr gasförmige N-Verluste Stickstoffkreislauf im ökologisch wirtschaftenden Betrieb *Futter- und organische Düngemittel sowie Saatund Pflanzgut Stickstoffauswaschung N-Verluste durch Bodenserosion

14 Stickstoff im Betriebssystem Ökologischer Landbau (HEß und KLEIN 1987) Ackerbohnen ZF Hackfrucht Winterroggen ZF Hafer Wirtschaftsdünger Tierhaltung Winterweizen Kleegras Kleegras N-Import über N 2 -Fixierung (Leguminosen) Rezirkulation über Wirtschaftsdünger N-Export durch Verkauf (Cash Crops, Fleisch, Milch) N-Verlust (Auswaschung und gasförmige Verluste)

15 N-Freisetzung unter unter und und N-Aufnahme von von Winterweizen nach nach Kleegras nach nach betriebsüblichem Umbruch (Dikopshof/Rheinland 1990/91, lu, MW über 3 Wdh.) (Dikopshof/Rheinland 1990/91, lu, MW über 3 Wdh.) Nitrat-N im Boden bzw. N in der Pflanze (kg/ha) Nitrat-N im Boden bzw. N in der Pflanze A S O N D J F M A M J J A S 1990 / cm 50-75cm 25-50cm 0-25cm 1990 / 91 Pflanze

16 relevante Wirkungszusammenhänge und Faktoren 1. standortbedingte Auswaschungsgefährdung - Bewirtschaftungsunabhängig! 2. bewirtschaftungsbedingtes Auswaschungspotenzial - Nährstoffgehalt im Boden 3. unproduktive Mineralisation durch Bodenbearbeitung nach der Ernte 4. kulturartenspezifisches Risiko und N-Dynamik

17 1. bewirtschaftungsunabhängige, standortbedingte Auswaschungsgefährdung Bodenart Speicherfähigkeit, Durchlüftung, Bodentemperatur und Sickerwassergeschwindigkeit Bodenschichtung - Mächtigkeit der speicherfähigen Bodenauflage (Tief- u. Flachgründigkeit) Mächtigkeit der durchwurzelten Bodenauflage, aus der Pflanzen Nährstoffe aufnehmen können Niederschlagsverteilung und Evaporation Sickerwassermenge - Verdünnung des Nitrats, das von Pflanzen nicht aufgenommen werden kann

18 Nitratdynamik im Bodenprofil (tu) bis 150 cm Bodentiefe nach Kleegras unter Winterweizen in Abhängigkeit vom Jahr Jahr 1 Jahr 2 Nitrat-N (kg/ha)

19 0 Nitratdynamik unter Wintergetreide nach mehrjährigem Feldfutterbau in Abhängigkeit vom Standort (Bodenart) (Schleswig-Holstein, 1992/93, MW über 4 Wdh.) (FAßBENDER, HEß und FRANKEN 1995) 25 Nitrat N (kg/ha Bodenart: Sand Bodenart: sandiger Lehm Bodenart: schluffiger Lehm KG-Nachfrucht: W. Roggen KG-Nachfrucht: W. Weizen KG-Nachfrucht: W. Weizen O N D J F M A M J J A O N D J F M A M J J A O N D J F M A M J J A cm 50-75cm 25-50cm 0-25cm

20 Die Situation in Unterfranken -Böden 1. Muschelkalk (ca. 50 %) 2. Keuper (ca. 25 %) 3. Löß (ca. 15 %) 4. Bundsandstein (überwiegend Grünland) - Niederschlag: mm (gleichmäßig verteilt) - Speichervermögen (nfk): von bis

21 Verlagerung von Nitrat im Boden Niederschlag Krume Unterboden ggf. Klüfftgestein Grundwasserleiter NO 3 -Ion

22 2. bewirtschaftungsbedingtes Auswaschungspotenzial - Nährstoffgehalt im Boden N-Bilanz (Düngeniveau, Erträge) jeweiliger Nitratgehalt im Boden nach der Ernte bzw. vor der Auswaschungsperiode der von Pflanzen nicht aufgenommen wird Gehalt an organisch gebundenem Stickstoff bei unsachgemäßem Management durch Mineralisation auswaschungsgefährdet angestrebtes Ertragsniveau - Sicherheit dieses zu erreichen

23 3. unproduktive Mineralisation durch Bodenbearbeitung nach der Ernte Bearbeitungsintensität Ausmaß der Belüftung und Mineralisation Bearbeitungstiefe Mächtigkeit der belüfteten Bodenzone und Menge mineralisierten Stickstoffs Spektrum Bodenbearbeitungs-Technik Pflug konservierende Bodenbearbeitung - Direktsaat

24 4. kulturartenspezifisches Risiko und N-Dynamik - Fruchtfolgegestaltung Anteil von Kulturen, die höheres Auswaschungsrisiko bedingen können: konventionell Mais Raps Kartoffeln Getreide Zuckerrüben Feldgemüse ökologisch Kartoffeln Kleegras Körnerleguminosen Raps Feldgemüse jeweils relevante Faktoren: spezifisches Düngeniveau Schwarzbrache vor Sommerungen Bodenbearbeitung vor der Auswaschungsperiode Ernterückstände

25 Spielräume für s N-Management im Ökolandbau 1. Lenken, Bremsen bzw. Fördern von N-Mineralisation und N- Konservierung in Bezug auf Zeitpunkt und Höhe 2. Abstimmung von N-Vorfruchtwirkung und spezifischem N- Aufnahmeverhalten 3. Steigerung der Wasserspeicherkapazität und damit Erhöhung der Verweildauer von nitrathaltigem Sickerwasser in der Wurzelzone, insbes. in der Krume (2 Vol.-% mehr Mittelporen entsprechen 6 l Wasser mehr Speicherkapazität)

26 N-Freisetzung unter und N-Aufnahme von Winterweizen nach Kleegras nach betriebsüblichem Umbruch (Dikopshof/Rheinland 1990/91, lu, MW über 3 Wdh.) 200 Nitrat-N im Boden bzw. N in der Pflanze (kg/ha) Nitrat-N im Boden bzw. N in der Pflanze A S O N D J F M A M J J A S 1990 / cm 50-75cm 25-50cm 0-25cm 1990 / 91 Pflanze

27 Ansätze zur effizienteren Nutzung des Stickstoffs aus dem Leguminosenanbau und den Bodenvorräten 1. Beibehaltung der Fruchtfolge Kleegras - Kleegras - Weizen - Roggen -... Terminierung und Intensität der Stoppelbearbeitung Umbruchtermin Bodenbearbeitungsintensität Zwischenfruchtanbau 2. Änderung der Fruchtfolge (Kleegras) - Kleegras - Weizen - Roggen -.. Winterraps - Weizen Hafer - Weizen Kartoffeln - Weizen Mais - Weizen

28 M Variationen des Anbauverfahrens Kleegrasnachfrucht zur Verbesserung des Stickstofftransfers J J A 1. Standart bzw. Einschränkung der Stoppelbearbeitung Kleegras S O N D J F M A M J J A Verschieben des Umbruchs in den Herbst Kleegras Winterweizen Integration einer Zwischenfrucht Kleegras 4. Winter-/Sommerweizen ( ) Frühjahrsumbruch Kleegras 3. Zwischenfrucht Winter-/Sommerweizen Sommerweizen oder andere Sommerungen M J J A S O N D J F M A M J J A

29 Stickstoffmanagement durch Bodenbearbeitung im Ökologischen Landbau Beispiel 1: Stoppelbearbeitung von Kleegras zu Winterweizen

30 Terminierung und Intensität der Stoppelbearbeitung max. Zeitspanne für die Narbenbearbeitung von Kleegras / Grünbrache Kleegras / Grünbrache G 4 G 3 G 2 G 1 HU I ---- Winterweizen I August I September I Oktober I November I Optimaler Saattermin Winterweizen

31 Nitrat-N unter Winterweizen nach Kleegras in Abh. von der Intensität der Stoppelbearbeitung zum Kleegrasumbruch (l S), Nov. HEß, ROTH, PAULY 1991 Nitrat N (kg/ha) cm cm cm cm cm cm G4 G3 G2 G1 K Intensität der Stoppelbearbeitung

32 Nitratdynamik im Boden (1,5) unter Winterweizen nach Kleegras in Anhängigkeit von der Stoppelbearbeitung Boschheide Hof (l S) S O N D J F M A J J J J J J J J mit Stoppelbearbeitung (betriebsüblich) Nitrat-N (kg/ha) cm cm cm cm cm 0-25 cm J J J J J J J J S O N D J F M A ohne Stoppelbearbeitung ( heiler Umbruch) Nitrat-N (kg/ha) cm cm cm cm cm 0-25 cm 200

33 Beispiel 2: Später Umbruch von Kleegras zu Winterweizen

34 Stoppelbearbeitung Einfluss des Anbauverfahrens von Winterweizen nach Kleegras auf die Nitratdynamik Dikopshof, schluffiger Lehm, 1990/91 0 Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun J J J J J J J J J kg NO 3 -N/ha heiler Umbruch Okt J Nov J Dez J Jan J Feb J Mär J Apr J Mai J Jun J 0 später Umbruch kg NO 3 -N/ha NO 3 -N (kg/ha) Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun J J J J J J J J J 200

35 Beispiel 3: Dynamik von Winterraps und Hafer

36 Winterraps Nitratdynamik im Boden unter Jan. Sep Jan. Okt Nov Jan. Dez Jan. Jan Jan. Feb Jan. Mär Jan. Apr Jan. Mai Jan. Jun Jan. Jul Jan. Aug Jan. Sep 13. Jan. NO 3 -N (kg/ha) Hafer Jan. Sep Okt Jan. Nov Jan. Dez Jan. Jan Jan. Feb Jan. Mär Jan. Apr Jan. Mai Jan. Jun Jan. Jul Jan. Aug Jan. Sep 13. Jan cm cm cm 0-25 cm NO 3 -N (kg/ha)

37 Beispiel 4: Dynamik von Kartoffeln und Folgefrucht

38 Nitratdynamik unter Kartoffeln und Winterweizen/spät nach Kleegras im Vergleich zu Winterweizen/früh und Winterroggen/früh nach Kleegras Dikopshof/Rheinland (MW über 3 Wdh.) Kleegras Kartoffeln Winterweizen/spät Kleegras Winterweizen/früh Winterroggen 0 50 Nitrat N (kg/ha Nitratdynamik unter Kartoffeln und Winterweizen/spät nach A S O Kleegras N D J F im M Vergl. A M J zu J Winterweizen/früh A S O N D J F M A M J/J A und Winterroggen/früh nach Kleegras Dikopshof/Rheinland (MW über 3 Wdh.) cm 25-50cm 0-25cm 50-75cm WWf-WR (0-100cm

39 Beispiel 5: Die Bedeutung des Zwischenfruchtanbaus

40 Einfluss verschiedener Anbauverfahren auf die Nitratgehalte im Sickerwasser unter Winterweizen bzw. -roggen (X über 4 Vorfrüchte: Mais, Kart., Hafer, SW und 2 Wdh) FAßBENDER/HEß, Institut für Pflanzenbau, Bonn ,5 15,0 3,5 100 cm Tiefe GD 5% ppm Nitrat-N WW 6,4 5,5 6,1 3,6 9,1 5,9 Grenzwert für Trinkwasser 100 cm Tiefe GD 5% ppm Nitrat-N gws 1 o. Abfuhr d. Zwischenfrucht betriebsüblich Grenzwert für Trinkwasser gws 2 m. Abfuhr d. Zwischenfrucht

41 Fazit im Gesamtsystemvergleich Vorzüglichkeit des Ökolandbaus feststellbar sowohl bei PSM als auch bei Nitrat bei Nitrat jedoch Bewertung des Einzelfalls erforderlich Bodenbearbeitung und Fruchtfolgegestaltung sind wichtige Steuerungsgrößen des N-Managements im ökologischen Pflanzenbau. Der kulturartspezifische N-Vorfruchtwert und das ebenfalls kulturartspezifische N-Aufnahmeverhalten lassen sich in Zeit und Menge aufeinander abstimmen. Die Bodenbearbeitung ist dabei ein wichtiges Lenkungsinstrument zur Terminierung, Förderung bzw. Bremsung der Mineralisation.

42 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kontakt: Prof. Dr. Jürgen Heß Dr. Manfred Szerencsits Universität Kassel Fachgebiet Ökologischer Land- und Pflanzenbau Nordbahnhofstr. 1a, Witzenhausen