Nachhaltige Bodenbewirtschaftung ist Umweltschutz

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1 Technische Universität München Nachhaltige Bodenbewirtschaftung ist Umweltschutz Zukunftstagung Ökolandbau Sachsen 2013, 26. November 2013 in Käbschütztal Kurt-Jürgen Hülsbergen, Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme

2 Bodenschutz Problemfelder und Strategien Problemstellung Aktuelle Probleme der Bodennutzung und des Bodenschutzes Forschungsergebnisse und Lösungsansätze Bodenfruchtbarkeit, Humusversorgung und Ertragsbildung Minderung von Bodenerosion und Bodenschadverdichtung Wechselwirkungen mit Umweltbereichen (Klima, Wasser, Biodiversität ) Schlussfolgerungen

3 Bodenschutz und Bodenfunktionen Böden stehen als Bestandteil des Naturhaushaltes (Atmosphäre, Biosphäre, Hydrosphäre, Pedosphäre) in Wechselbeziehung zum Ertrag der Kulturpflanzen, zur Ernährung der Menschen und letztlich auch zur gesamten Volkwirtschaft, erfüllen also Funktionen in den ökologischen Kreisläufen und sozioökonomischen Systemen. Deshalb zielt das Bundes-Bodenschutzgesetz auf die Erhaltung bzw. Wiederherstellung der Bodenfunktionen. Literatur: BMVEL (2001): Gute fachliche Praxis zur Vorsorge gegen Bodenschadverdichtungen und Bodenerosion.

4 Bodenfunktionen Wichtige Funktionen des Bodens: Produktionsfunktion, weil die Böden mit ihrer ständig erneuerbaren Fähigkeit der Biomasseproduktion die Lebensgrundlage der Menschen sind. Lebensraumfunktion, weil die Böden Lebensraum für Flora und Fauna in ihrer genetischen Vielfalt bieten. Regelungsfunktion, denn die Böden regeln den Wasserkreislauf, die abiotische und biotische Stoffumwandlung, die physikalische und chemische Pufferung, Filterung und Speicherung sowie die Grundwasserneubildung. Literatur: BMVEL (2001): Gute fachliche Praxis zur Vorsorge gegen Bodenschadverdichtungen und Bodenerosion.

5 Bundes-Bodenschutzgesetz BBodSchG vom 17. März 1998, geändert am 09. Sept. 2001, BGBl. I S Gute fachliche Praxis in der Landwirtschaft Zu den Grundsätzen der guten fachlichen Praxis gehört, dass 1. die Bodenbearbeitung unter Berücksichtigung der Witterung standortangepasst erfolgt, 2. die Bodenstruktur erhalten oder verbessert wird, 3. Bodenverdichtungen so weit wie möglich vermieden werden, 4. Bodenabträge möglichst vermieden werden, 5. die naturbetonten Strukturelemente der Feldflur erhalten werden, 6. die biologische Aktivität erhalten oder gefördert wird, 7. der standorttypische Humusgehalt des Bodens erhalten wird.

6 Aktuelle Probleme der Bodennutzung Erosion durch Wind und Wasser Probleme Ursachen Onsite-Schäden: Schäden an Pflanzen, Humus- und Nährstoffverarmung, Offsite-Schäden: PSM-/Nährstoffeintrag, Verschmutzung von Straßen, Beseitigung von Strukturelementen Ausdehnung des Maisanbaus Überhöhte Schlaggrößen Bodenschadverdichtung

7 Aktuelle Probleme der Bodennutzung Bodenschadverdichtung Probleme Ursachen Negative Wirkungen auf Bodenfunktionen und Ertrag, geringe Wasserinfiltration (Hochwasser), Anstieg der Lachgasemissionen Hohe Maschinenmassen und Zunahme der Radlasten, Befahren bei ungünstigen Bodenbedingungen (Befahrbarkeit)

8 Aktuelle Probleme der Bodennutzung Flächenversiegelung und Flächenentzug Probleme Ursachen 40 bis 50 % der Verkehrs-/Siedlungsfläche ist komplett versiegelt. Reduktion der Produktionsfläche durch Naturschutz-Ausgleichsmaßnahmen. Flächenverbrauch für Verkehr und Siedlung: ca. 125 ha / Tag. Zunahme der Fläche um ha zwischen 1996 und 2008.

9 Aktuelle Probleme der Bodennutzung Dünger- und PSM-Einträge Probleme Ursachen Nährstoffüberschüsse und -verluste, Eutrophierung naturnaher Ökosysteme, Nährstoffunterversorgung und Nährstoffabreicherung der Böden Viehstarke Regionen (> 2 GV ha -1, Futterimporte), Extensivierung, Vertragsnaturschutz, Spezialisierter Marktfruchtbau

10 Aktuelle Probleme der Bodennutzung Immissionsbelastung Probleme Ursachen Einträge von Schwermetallen, Organischen Chemikalien, Säurebildnern, Mineral P-Düngung (Cd, U) Klärschlamm, Wirtschaftsdünger Trockene und nasse Deposition

11 Aktuelle Probleme der Bodennutzung Ungenügende Humusversorgung, Humusabbau Probleme Ursachen Negative Beeinflussung von Bodeneigenschaften und -funktionen, Ertrags- und Effizienzminderung, C-Freisetzung (Böden als CO 2 -Quelle) Umbruch von Grünland und Brachen, Bioenergienutzung (Mais, Stroh, C-Abbau im Biogasreaktor ), Einseitiger Marktfruchtbau

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

14 Stoffkreisläufe im Landwirtschaftsbetrieb Die Biogasanlage übernimmt Funktionen der Tierhaltung.

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 Betriebliche Stoffkreisläufe Problemstellung Spezialisierung und Betriebsvereinfachung Marktfruchtbau: Offene Kreisläufe, Ertragsstagnation? Biogassysteme: Intensivierung der Kreisläufe Gemischtbetriebe: Auslaufmodell? Möglichkeiten der Optimierung durch Fruchtfolge, Bodenbearbeitung und Düngung?

18 Anteil viehlos wirtschaftender Betriebe in Bayern Auswertung von InVeKoS-Daten (Vockinger 2013)

19 Kohlenstoffbilanz mit und ohne Biogaserzeugung Reinhold, Klimanek & Breitschuh (1991) C-Bilanz

20 Wirkung von Gülle und Gärresten auf den Boden-C Gefäßversuch mit Weidelgras, nach 5 Düngerapplikationen, Fouda (2011) Dünger Inhaltstoffe der organischen Dünger (% in FM) Boden TS C t N t NH 4 -N C t (%) Ungedüngt Mineral-N 1,84 a 1,90 ab Rindergülle 12,1 4,4 0,44 0,22 2,13 d Biogasgülle 1 6,3 2,1 0,75 0,51 1,97 bc Biogasgülle 6 12,5 4,7 0,72 0,37 2,13 d Biogasgülle 8 5,2 2,0 0,48 0,27 2,13 d Humusreproduktion von Biogasgülle: 12 kg Humus-C t -1 bei 10 % TS VDLUFA (2004), abgeleitet anhand der stofflichen Zusammensetzung und Abbaubarkeit (= 100 % der Humusreproduktion von Rindergülle, 75 % der Humusreproduktion von Stalldung)

21 Wirkung von Gülle und Gärresten auf den Boden-C Gefäßversuch mit Weidelgras, nach 5 Düngerapplikationen, Fouda (2011) Dünger Inhaltstoffe der organischen Dünger (% in FM) Boden TS C t N t NH 4 -N C t (%) Ungedüngt Mineral-N 1,20 a 1,25 ab Dünngülle 1 6,3 2,5 0,56 0,30 1,41 abcde Dünngülle 7 7,6 2,3 0,51 0,47 1,34 abc Feststoff 1 26,6 10,3 0,58 0,23 1,64 fg Feststoff 7 29,8 8,3 1,08 0,62 1,48 cdefg Substrate: BG1: 98 % Mais, BG 7: 67 % Gülle, 15 % Mais

22 Energiepflanzen-Biomasse-Versuch Viehhausen

23 Winterweizen-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 Ertrag (dt/ha) Rohprotein (%) Ohne Biogasgülle 46,8 10,0 Mit Biogasgülle 59,4 11,4

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

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

26 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

27 N 2 O-Emissionen im Energiepflanzen-Fruchtfolgeversuch Viehhausen, Winterweizen mit Biogasgülle (Peter et al. 2012) µg N 2 O-N m -2 h -1

28 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

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30 Kohlenstoffkreislauf

31 Der globale Kohlenstoffkreislauf (Mrd. t C) 760 CO

32 Der globale Kohlenstoffkreislauf (Mrd. t C) + 7,2 + 0,9 760 CO 2 + 4,1 560 C-Emissionen Welt: 7,2 Mrd. t = 1,1 t C pro Kopf CO 2 -Emission pro Kopf + 2,2 Welt: 4 t Deutschland: 10 t Fossil C USA: 20 t Indien: 1 t

33 Der globale Kohlenstoffkreislauf (Mrd. t C) a 760 CO 2 c b Fossil C a) Reduzierung von Emissionen aus der Nutzung fossiler Brennstoffe b) Nutzung von photosynthetisiertem C als Bioenergieträger c) Erhöhung der C-Speicherung in Böden und in der Phytomasse

34 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 market products 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

35 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

36 Kohlenstoffkreislauf eines Marktfruchtbetriebes (1000 ha) mit Biogasanlage (kg C ha -1 a -1 ) nach Schmid & Hülsbergen (2008) Inputs Innerbetrieblicher Kreislauf Outputs Naturalertrag 3548 Marktprodukte 2357 Konservierungsverluste 412 Biomasse 1191 Assimilation 6345 Pflanze Stroh-, Gründüngung 1755 Biogasanlage Methan 429 CO 2 -Verluste Ernterückstände, Wurzeln 839 Biogasgülle Boden Saatgut 59 ΔC org -93 CO 2 -Bodenatmung 2941

37 Beziehung zwischen C-Sequestrierung und THG-Emissionen Pilotbetriebe (Schmid, Braun & Hülsbergen 2012) 60 THG-Emissionen [kg CO 2 eq GE -1 ] y = 29,0-0,036 x R² = 0,81 ökologisch konventionell y = 29,5-0,076 x R² = 0, C-Sequestrierung [kg C ha -1 a -1 ]

38 Entwicklung der N org -Gehalte nach Grünlandumbruch Dauerversuch Lauterbach, Erzgebirge (Hülsbergen et al. 2006: Agricultural Research) 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

39 Root distribution pattern of species used in a grass-clover mixture Braun M., Schmid H., Grundler T. & Hülsbergen, K.-J. (2010): Plant Biosystems 144, Humusaufbau Klee-Luzerne-Gras 600 bis 800 kg C ha -1 a -1 (VDLUFA 2004) 1165 kg C ha -1 a -1 (Fruchtfolgeversuch Seehausen, Hülsbergen 2003)

40 Humusbilanzparameter von Silomais Humusabbau: 560 bis 800 kg C ha -1 a -1 (VDLUFA 2004) unter Berücksichtigung von Wurzelmasse, Rhizodeposition und Anbauverfahren (Bodenbearbeitung) abgeleitet aus Dauerfeldexperimenten

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