Modellgestützte Analyse und Optimierung

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1 Technische Universität München Modellgestützte Analyse und Optimierung betrieblicher Stoffkreisläufe 5. Agrarwissenschaftliches Symposium, Hans Eisenmann-Zentrum 25. September 2014 in Weihenstephan Prof. Dr. habil. Kurt-Jürgen Hülsbergen, Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme

2 Analyse und Optimierung betrieblicher Stoffkreisläufe Problemstellung Modellierung betrieblicher Stoffkreisläufe Modellansätze, Systemgrenzen, Modellvalidierung Betriebliche Stoffkreisläufe Optimierungsansätze Erhöhung der Stickstoffeffizienz, Minderung umweltrelevanter N-Verluste Optimierung ökologischer und konventioneller Betriebssysteme Schlussfolgerungen und Ausblick

3 Problemstellung High-Input-Systeme Veredlungsbetriebe und -regionen (Nordwestdeutschland) Spezialisierte Gemüsebaubetriebe (Rheinland-Pfalz) Intensive Biogassysteme mit Grünlandumbruch, intensiver N-Umsatz, hohe N-Verluste, geringe N-Effizienz Low-Input-Systeme Ökologischer Marktfruchtbau Extensive Grünlandwirtschaft, Vertragsnaturschutz, N als ertragsbegrenzender Faktor, geringe Ertragspotenziale Optimierungsstrategien Leistungsfähige Beratungstools, N-Managementsysteme

4 Hierarchy of indicators for the assessment of N-loss to groundwater, SCHRÖDER et al. (2003): European J. of Agronomy, 20, Orientation Spatial scale Region Farm Field Goal-oriented NO 3 in groundwater NO 3 in groundwater NO 3 in groundwater (mg l -1 ) NO 3 in shallow groundwater NO 3 in shallow groundwater NO 3 in shallow groundwater (mg l -1 ) NO 3 in upper soil layers NO 3 in upper soil layers kg N ha -1 N surplus N surplus kg N ha -1 N input N input kg N ha -1 N input via manure kg N ha -1 Means-oriented Livestock density (No. ha -1 )

5 Ertragswirkung organisch-mineralischer Düngung TM-Ertrag, Haupt- und Nebenprodukte (nach 30 Jahren Versuchsdauer) TM-Ertrag (dt ha -1 ) Mineral-N(kg ha -1 ) 97 OD0 OD1 OD2 OD3 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

6 N-Salden (potenzielle N-Verluste) Dauerdüngungsversuch Seehausen (Hülsbergen 2003) 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

7 Beziehung zwischen N-Saldo und Nitratvorrat (1-7,5 m Tiefe) Dauerdüngungsversuch 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

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

9 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

10 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

11 Einflussfaktoren auf N-Kreisläufe und N-Effizienz Standort Boden, Klima, Witterung Struktur Tierbesatz und Tierartenstruktur, Biogasanlagen Anbaustruktur und Fruchtfolge Intensität Stickstoffeinsatz (Menge und Qualität) Futter- und Biomassezukauf Verfahrensgestaltung Eingesetzte Technik, technische Innovationen Bestandesführung, Düngealgorithmen, Precision Farming,

12 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

13 Entwicklung der N org -Gehalte nach Grünlandumbruch Dauerversuch Lauterbach, Hülsbergen et al. (1996): Agribiological Research 49, 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

14 N balance (kg ha -1 a -1 ), Organic crop rotation, Scheyern Küstermann, Christen & Hülsbergen (2010): Agric., Ecosys. & Environm. 135, Parameter N balance Reference REPRO DüVO N input N deposition 16 N 2 fixation, crop rotation N 2 fixation, grass clover FYM and slurry N output N surplus 38 9 SON NH 3 volatilization 6,5 5,0 N 2 O denitrification 2,4 4,0 NO 3 leaching 20,0 16,0

15 Stickstoffkreislauf eines Pilotbetriebes (kg N ha -1 a -1 ) Ökologischer Marktfruchtbau (Schmid, Frank & Hülsbergen 2013) Inputs Innerbetrieblicher Kreislauf Outputs Marktprodukte 47 Stroh-, Gründüngung Pflanze 59 Saatgut 2 Immission 20 N 2 -Fixierung 43 Entzug 103 ΔN org N-Saldo Boden 1 21 NH 3 -Verluste 3 N 2 O-Verluste 4 Auswaschungsverluste 14

16 Stickstoffkreislauf eines Pilotbetriebes (kg N ha -1 a -1 ) Ökologischer Marktfruchtbau + Biogaserzeugung (Schmid, Frank & Hülsbergen 2013) Inputs Biomasse 23 Innerbetrieblicher Kreislauf 84 Outputs Marktprodukte 34 Konservierungsverluste 5 Biomasse 50 Pflanze Stroh-, Gründüngung 36 Biogasanlage Lagerverluste 7 Saatgut 2 Immission 20 N 2 -Fixierung 70 Entzug 137 ΔN org N-Saldo Boden Organische Dünger 52 Organische Dünger 12 NH 3 -Verluste 8 N 2 O-Verluste 6 Auswaschungsverluste 14

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 2010) 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. 2012) µg N 2 O-N m -2 h -1

20 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 standortspezifischem Emissionsfaktor 10,0 4,0 5,0 10,0 11,1 6,7 7,0 14,0

21 Weizenertrag (dt ha -1 ) ökologischer und konv. Anbausysteme Systemversuch Viehhausen (Bryzinski & Hülsbergen 2014) Ökologischer Landbau Konventioneller Landbau Milchvieh -Gülle Milchvieh -Stalldung Biogas Marktfrucht Marktfrucht Milchvieh- Gülle Vorfrucht LKG LKG LKG LKG KMais WRaps SMais WRaps ,3 a 5,5 b 5,3 ab 5,4 ab 8,5 c 10,6 d 9,7 d 10,5 d ,7 a 4,5 ab 3,7 a 5,4 b 9,3 c 11,9 d 10,2 c 11,5 d ,6 a 5,6 ab 5,3 ab 6,6 b 9,3 cd 10,9 d 8,9 c 11,0 d Mittel 4,2 a 5,2 ab 4,8 a 5,8 b 9,0 c 11,1 d 9,6 c 11,0 d

22 GE-Ertrag (t ha -1 ) ökologischer und konventioneller Anbausysteme Systemversuch Viehhausen (Bryzinski & Hülsbergen 2014) Ökologisch konventionell Marktfrucht Milchvieh- Gülle Milchvieh- Stalldung Biogas Marktfrucht Milchvieh- Gülle ,0 a 8,3 c 8,9 c 6,7 b 9,1 c 11,6 d ,2 a 7,6 b 8,0 b 7,4 b 10,7 c 11,8 c ,0 a 6,3 bc 7,3 bc 6,0 b 8,7 cd 10,5 d Mittel 3,7 a 7,4 bc 8,1 c 6,7 b 9,5 d 11,3 e

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 Schema teilflächenspezifischer N-Bilanzierung

27 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

28 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 (Beispiel: Projekt Hohenthann).