Die Klima- und Umweltwirkungen des Energiepflanzenanbaus in S-H

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1 Versuch Hohenschulen Die Klima- und Umweltwirkungen des Energiepflanzenanbaus in S-H Friedhelm Taube* Henning Kage**, Klaus Dittert***, Dirk Gericke**, Antje Herrmann*, Andreas Pacholski**, Mehmet Senbayram***, Klaus Sieling**, Nicolai Svoboda*, Anna Techow*, Babette Wienforth** * Abteilung Grünland und Futterbau/Ökologischer Landbau im Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung ** Abteilung Acker- und Pflanzenbau im Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung *** Abteilung Pflanzenernährung im Institut für Pflanzenernährung und Bodenkunde Gefördert durch Regionalprogramm 2000

2 Gliederung Einführung Projekt BIOGAS-EXPERT Energiemais - Humuswirkungen Fazit - Empfehlungen

3 1. Einleitung - Biogas S-H Entwicklung der Biogasproduktion Effekt EEG auch in S-H sichtbar Biogasanlagen in Schleswig Holstein Ende 2010: ~ 400 Biogasanlagen Ein Großteil der Anlagen auf Geeststandorten HOT SPOTS Substrate vornehmlich Mais und Gülle LWK Schleswig-Holstein (2010)

4 Konsequenz: Anstieg Maisanbauflächen Entwicklung Silomaisanbau S-H Anbaufläche (1000 ha) Überdurchschnittlicher Anstieg der Anbaufläche von Mais für die Energiegewinnung in Schleswig-Holstein Ca. 50% als Koferment Mais wird eher auf nicht weizenfähigen Geeststandorten angebaut 2007: ha 2009: ha 2010: ha 2011: weiter steigend Regionalstatistik2011 LWK2010

5 Konsequenz: Abnahme Grünland Veränderung des Grünlandanteils in den Bundesländern (in ha) Quelle: Behm 2008 Große Datenunsicherheit nach Daten Statistisches Landesamt: S-H Grünlandverluste höher

6 Einleitung Forschungsbedarf Produktivität/Flächenkonkurrenz Optimale Fruchtfolgen und Produktionstechnik (Alternativen zum Mais) Gärrückstandsverwertung N-Verwertungseffizienz N-Auswaschung Ammoniak- und Lachgasverluste (Probleme mit WRRL, DüngeVO, NEC und voraussichtlich NachhaltigkeitsVO) Prozesstechnik Optimierung der Gasausbeute Bodenfruchtbarkeit Kohlenstoffbilanzen (Klimawirksamkeit, CC)

7 Gliederung Einführung Projekt BIOGAS-EXPERT Energiemais - CC Zusammenfassung

8 Struktur der Teilprojekte im Biogas-Expert-Verbund: Stoff-Flüsse im System Boden-Pflanze-Fermenter Prozessoptimierung & Qualitäts- parameter Gärrückstände (AG Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik) Modellierung Stoffflüsse; Beratungstools (2. Projektphase) Qualitätsparameter & Methanertrag Erntegut (AG Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik) NH 3 -Emissionen Gärrückstände (AG Acker- und Pflanzenbau) Ertragsbildung & N-Effizienz Energiepflanzen (AG Acker- und Pflanzenbau) Treibhausgas-Emissionen Gärrückstände & Bodenfruchtbarkeit (AG Pflanzenernährung) N-Dynamik im Boden (AG Acker- und Pflanzenbau) N-Frachten und -konzentrationen im Sickerwasser (AG Grünland und Futterbau / Ökologischer Landbau)

9 Ostsee Hohenschulen Biogas-Expert Nordsee Modellbetrieb Marsch Biogas-Expert Karkendamm Biogas-Expert BIOGAS-EXPERT Versuchsstandorte Östliches Hügelland Hohe Geest Vorgeest Marsch Dünen und Strandwälle

10 Hohenschulen (östl. Hügelland) 240 Parzellen Karkendamm (Geest) 96 Parzellen Feldversuche Biogas-Expert Ansaat im Oktober 2006

11 Vorläufige Ergebnisse: Feldexperimente 2007/2008 in Hohenschulen und Karkendamm abgeschlossen Datenauswertung N-Verluste noch nicht vollständig erfolgt, daher vorläufige Ergebnisse Feldexperimente Marsch (vorläufige Ergebnisse)

12 Trockenmasseerträge 25 Karkendamm 16.8 t 10.9 t Hohenschulen 18.7 t 17.0 t TM Ertrag [t/ha/a] % 19 % 45 % D-Weidel 2008 D-Weidel 2007 GPS-Weizen 2008 GPS-Weizen 2007 W-Weidel 2008 W-Weidel 2007 Mais 2008 Mais 2007 TP2 0 Mais-Mono Weidelgras Mais-Mono GPS-Weizen- W-Weidel- Mais Trockenmasseerträge [t ha -1 a -1 ] Mittelwert N3, Mittel aller N-Formen Wienforth et al.

13 Mais und Gras in der Marsch Relative Standortvorzüglichkeit: Mais und Gras in der Marsch ( ) Ertrag (t/ha) Mais Marsch: 14,2 Gras 16,3 Projekt Biogas-Expert Marsch; Versuchsjahr 2008: Totalverlust Mais aufgrund Witterung Techow, Quakernack et al.; unpubl.

14 TM-Erträge Max. Ertragsniveau ca. 18 t/ha Maismonokultur > Fruchtfolge N-Projekt Karkendamm ( ): FF Gras-Mais-Triticale im Ertrag der Maismonokultur ~ 10-15% unterlegen Gras deutlich geringeres Ertragsniveau, nur in der Marsch überlegen N-Verwertungseffizienz Gärreste vergleichbar mit Gülle

15 ] aplied [%TAN los NH Cumulative 3 TP 3: Ammoniak-Emissionen NH 3 Verlust [% von Gesamt] Rindergülle Schweine- Gülle. Cof. Biogasgärrest. Monof. Biogas Gärrest MittlerekumulierteNH 3 -Verluste ermittelt mit der DSM-Methode für 4 organische Dünger in 15 Meßkampagnen Gericke et al.

16 Ammoniak-Emissionen Leicht erhöhtes Ammoniakverlustpotential von Gärrückständen im Vergleich zu Gülle Ursache: Höhere ph-werte Starke Erhöhung der Emissionen möglich, wenn Ackerbausysteme mit Mineraldünger in Biogassysteme mit Gärrückständen überführt werden schon heute N-Deposition Raum Schleswig ~ 45 kg N/ha; Hügelland ~ 15 kg N/ha Kalkulation zusätzliche Ammoniakemissionen durch ha Energiepflanzen in S-H bei Annahme von 100 kg N-Gärrestapplikation/ha und 10% Emissionen: 1000 t p.a.

17 TP 4: Messung von Lachgas- und Methanemissionen mit der Closed-Chamber Methode Klimarelevanz: CO 2 Äquivalente 1 kg Kohlendioxid: Faktor 1 1 kg Methan: Faktor 24 1 kg Lachgas: Faktor 298 kg CO 2 - Äquivalente: 323 TP4

18 N 2 O-N [kg N ha -1 ] Weizen Mais März 2007-März 2008 Kumulative Lachgas- Emissionen 2007 und N 2 O-N [kg N ha -1 ] Weizen Mais März 2008-März Kont. Min- N R.- gülle Min- N R.- Gülle N 120 N 240 Mono Biogas GR Hohenschulen Sandiger Lehm Senbayram et al.

19 N 2 O-N [kg N ha -1 ] N 2 O-N [kg N ha -1 ] Gras Mais März 2007-März 2008 März 2008-März 2009 Kumulative Lachgas- Emissionen 2007 und 2008 aber je dt TM-Ertrag keine Unterschiede zwischen Mais und Gras bzw. Mais überlegen 0 Kont. Min- N N 120 R.- gülle Min- N R.- Gülle N240 Mono Biogas GR Karkendamm Sandboden Senbayram et al.

20 Lachgasmessungen Emissionen Starke Standorteffekte Lehmstandort Hohenschulen > Sandstandort Karkendamm Starke Jahreseffekte 2007 > 2008 (hohe Lachgasemissionen im Sommer 2007) Deutliche Fruchtarteffekte (je ha) Mais>Weizen Mais>Gras

21 TP 5: Konfliktpotentiale mit WRRL/ Nitratrichtlinie Grundwasserkörper mit Gefährdungsabschätzung in Schleswig-Holstein Problem: Energiemaisanbau häufig auf Grundwasser gefährdeten Standorten

22 Messung der N-Auswaschung (Nitrat, DON) mit Saugkerzen Intensiv-Beprobungsprogramm: Sickerwasserbeprobung mit Saugkerzen in allen Varianten Auf 334 Parzellen Beprobung: wöchentlich > Perkolate TP5

23 TP 5: Vergleich N-Austräge unter Gras und Mais Karkendamm (Svoboda et al., 2011) Fazit II: Kalkulation ha Grünlandverlust > Überführung in Mais: Zusätzliche N-Verluste über Sickerwasser S-H: >500 t N p.a. Nitrat-N Fracht (kg N ha -1 ) Gras Mais KAS Rind Schwein Co-Ferment Mono-Ferment kritische N-Fracht 2007/ /2009 WW nach Raps Hohenschulen SFB N-Input, mineralischer Anteil (kg N ha -1 ) N-Input, mineralischer Anteil (kg N ha -1 ) Svoboda et al., 2011 Fazit I: Intensive Schnittnutzung Grünland sicherste Option, um N-Austräge zu vermeiden; Mais: N-Überschuss = Auswaschung +

24 Kritscher Rohprotein-Gehalt N-Auswaschung Daten BIOGAS-EXPERT Hohenschulen 2008/09: Relationship between nitrogen leaching losses (mineral) and crude protein harvested. Simulated (line plot) and measured (scatter plot) data. Hohenschulen 2008/2009 Krit.-RP: 6,6 % (6,2-7,0) (Taube u. Herrmann, 2005) Fazit: Konzept Krit.-RP-Gehalt vollständig bestätigt NO 3 -N load (kg ha -1 ) mineral pig slurry co-fermented mineral pig slurry co-fermented EU-limit for drinking water observation period: April to March 36 weeks included (b) Kritische RP-Werte einhalten, um erhöhte N-Austräge zu vermeiden! crude-protein (%) Trinkwassergrenzwert In S-H übersteigen mehr als 60% der untersuchten Maissilagen landwirtschaftlicher Betriebe den krit. RP-Gehalt Svoboda et al., 2010

25 Nitratauswaschung Grünland<<Mais Trotz deutlich höheren N-Inputs Mineralische N-Menge bei Güllen kurzfristig entscheidende Größe Kritischer Rohprotein-Gehalt zur Ernte (max. 7%) ebenso guter Indikator für N-Verluste wie N-Bilanzsaldo Handlungsbedarf in der landwirtschaftlichen Praxis, N-Intensität zu Mais zu reduzieren, N-Nachlieferung Boden besser abzuschätzen

26 Struktur der Teilprojekte im Biogas-Expert-Verbund TP1 Prozessoptimierung & Qualitäts- parameter Gärrückstände (AG Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik) Modellierung Stoffflüsse; Beratungstools (2. Projektphase) Qualitätsparameter & Methanertrag Erntegut (AG Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik) NH 3 -Emissionen Gärrückstände TP3 (AG Acker- und Pflanzenbau) Ertragsbildung & N-Effizienz TP2 Energiepflanzen (AG Acker- und Pflanzenbau) CO 2 -Bilanz Treibhausgas-Emissionen Gärrückstände TP4 & Bodenfruchtbarkeit (AG Pflanzenernährung) N-Dynamik im Boden (AG Acker- und Pflanzenbau) TP5 N-Frachten und -konzentrationen im Sickerwasser (AG Grünland und Futterbau / Ökologischer Landbau)

27 Flächenbilanz CO 2 -Äquivalente (Netto CO 2äq -Vermeidung) 10.0 Ohne KWK incl. Humusabbau Mais CC CO2-Äqu. [t CO2/(ha*a)] Ohne KWK nach Grünlandumbruch (1 t C-Verlust/ha/Jahr über 15 Jahre) THG NH3 THG N2O Energieinput Konversion Energieinput Produktion Netto CO2 Äquivalente WBA-Gutachten (Mais-Mono) Hohenschulen Mais Mono Karkendamm Mais Mono Hohenschulen FF Unter Verwendung von Annahmen des WBA-Gutachtens Eigene Daten für: Ertrag, Energieinput Pflanzenproduktion, N 2 O- und NH 3 - Emissionen 10% Abschlag auf Ertragsdaten 6% Sillierverluste

28 Flächenbilanz CO 2 -Äquivalente Netto-Effekt auf CO 2 -Bilanz in ähnlicher Größenordnung wie WBA-Gutachten Relative Bedeutung für CO 2 -Bilanz: KWK > Landnutzungswandel Ertragsleistung>Lachgasemissionen> Energieinput Anlage>Energieinput LN>>NH 3 - Emissionen Energiemais nach Grünlandumbruch > Netto-CO 2 -Vermeidung gleich null

29 3. Humushaushalt - CC Cross Compliance Konformität des Energiemaisanbaus? Erhaltung landw. Flächen in gutem landwirtschaftlichen und ökologischen Zustand (alternativ ) 3 Früchte mit mind. 15% Flächenanteil je Frucht Geest S-H problematisch jährliche Humusbilanz (Grenzwert: -75 kg Humus- C/ha) Maismono Geest S-H? Analyse Bodenhumusgehalt alle 6 Jahre (Grenzwert: 1 bzw. 1.5% Humus) 19 bestehende EU-Regelungen u.a. EU- Nitratrichtlinie, umgesetzt durch Dünge-Verordnung max. 170 kg N/ha aus Wirtschaftsdüngern tier. Herkunft o. Mischungen N-Bilanz Erhalt Dauergrünland

30 Corg- Gehalte und Mengen: Böden S-H Einfluss der Landnutzung auf Gehalt und Menge organisch gebundenen Kohlenstoffs in Böden unterschiedlicher Naturräume Schleswig-Holsteins (Tode et al., 2011) counties Counties Kreise Landschaftsräume Naturraum Landscapes in S-H N Hohe Geest Hügelland Upland Östliches Hügelland Marshes Marsch Vorgeest Kilometers Na Monitoring auf 27 Betrieben in den vier Landschaftsräumen Schleswig- Holsteins (85 Flächen) Dauergrünland, Maismonokultur, Mais in Fruchtfolge, Ackerkulturen Entnahme Bodenproben auf 60 cm Analyse Corg- und N-Gehalte, Ermittlung Lagerungsdichte Statistische Auswertung: t-test für verbundene Stichproben

31 3. Bodennutzung und Corg Mengen Boden Effekte der Landnutzung auf Corg-Mengen (t ha -1 ) in Ober- und Unterboden (0-60 cm) Dauergrünland (> 40 Jahre) versus langjährige Maismonokultur (> 20 Jahre) Corg (t/ha) Grünland p < 0.05 Mais Grünland Mais Grünland Mais Grünland Mais Grünland Mais Betrieb 1 ÖH, ls Betrieb 13 Hohe Geest, ls Betrieb 20 Hohe Geest, ss Betrieb 24 Vorgeest, hs Mittel Fazit: Auf nicht Grundwasser beeinflussten Mineralböden (Geest) rel. geringe (- 15%) Unterschiede in der Boden-C-Speicherung unter Dauergrünland und Acker keine Unterschiede unter Acker zwischen Mono-Mais und anderen Ackerkulturen Humusgehalte in keinem Fall unter CC-Grenzwert

32 Fazit und Empfehlungen Obwohl Mono-Mais im Methanertrag/ha und in der CO 2 - Minderung kurzfristig überlegen ist: Fruchtfolgen anstreben (WRRL; Pathogene) Inverse Effekte: Klimaschutz Wasserschutz Bodenschutz (Mais Gras) > Problem Grünlandumbruch > Regional differenzieren: Niederungsgebiete (ETS); alte Marschen: > absolute Grünlandstandorte > hydromorphe Böden > Boden-C-Speicherpotential hoch; Habitat Wiesenvögel: Absolutes Grünlandumbruchverbot aussprechen! Grundwasserferne Geeststandorte: > fakultative Grünlandstandorte historische Ackerstandorte Grünlandumbruchverbot lockern, Fruchtfolgen vorschreiben Gute fachliche Praxis der Düngung justieren

33 Vielen Dank Weitere Informationen: bzw. Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung CAU Kiel Grünland und Futterbau/Ökologischer Landbau