Technische Universität München Optimierung der N-Effizienz auf Betriebsebene SKW-Fachtagungen Düngung 2015 Prof. Dr. habil. Kurt-Jürgen Hülsbergen, Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme
Optimierung der N-Effizienz Problemstellung N-Haushalt und N-Effizienz in Feldexperimenten Modellierung betrieblicher Stoffkreisläufe Schlussfolgerungen und Ausblick
Problemstellung Stickstoff als Motor der Pflanzenwachstums, wichtiger, oft ertragsbegrenzender Nährstoff, Proteinsynthese, Grundlage für Human-und Tierernährung Komplexe N-Umsatzprozesse im Boden (Immobilisierung, Mineralisierung), Standort-und Witterungseinflüsse Umweltwirkungen: Nitrataustrag (Grundwasser), Ammoniak (Luft), Lachgas (Treibhausgas Klimawirkungen ) Steigende Anforderungen, auch der Gesetzgebung (novellierte Dünge-VO, Wasserrahmenrichtlinie, Auflagen in Trinkwasserschutzgebieten, )
Erisman et al. (2008): Nature Geoscience 1, 636-639.
Trends in human population and nitrogen use throughout the twentieth century Erisman et al. (2008): Nature Geoscience 1, 636-639.
Trends in average global cereal yields and nitrogen-fertilization efficiency of crop production Tilman et al. (2002): Nature 418, 671-676.
Sutton et al. (2011): Nature 472, 159-161.
N-Anfall aus der Tierhaltung
N-Überschuss der Flächenbilanz in den Kreisen in Deutschland, Mittel 2007-2010 (Frede 2014)
Entwicklung N-Saldo und N-Effizienz (BMELV 2012) 150 140 N-Saldo (kg ha -1 ) 130 120 110 100 90 80 1990 1995 2000 2005 2010 50 N-Effizienz (%) 40 30 20 10 0 1990 1995 2000 2005 2010
Fragestellungen Wie kann die N-Düngung weiter optimiert werden? Was bringen moderne N-Management- und Düngesysteme? Welches Potenzial hat die teilflächenspezifische N-Düngung? Kann das hohe Intensitätsniveau und Ertragspotenzial der deutschen Landwirtschaft erhalten und gleichzeitig die Umwelt entlastet werden? N-Effizienz (N use efficiency, NUE) N-Effizienz = N-Output N-Input
Ertragswirkung organisch-mineralischer Düngung TM-Ertrag, Haupt- und Nebenprodukte (Düngungsversuch Seehausen) 130 120 97 113 130 TM-Ertrag (dt ha -1 ) 110 100 90 80 OD0 OD1 OD2 OD3 147 70 0 30 60 90 120 150 Mineral-N(kg ha -1 ) 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
N-Salden (potenzielle N-Verluste) Düngungsversuch Seehausen 120 100 N-Saldo (kg ha -1 ) 80 60 40 20 OD3 OD2 OD1 OD0 0 0 30 60 90 120 150 Mineral-N (kg ha -1 ) y = 9,3 + 0,251 x 1 + 0,00189 x 22 + 0,001028 x 12 B = 0,91 + s R = 9,6
Beziehung zwischen N-Saldo und Nitratvorrat (1-7,5 m Tiefe) Düngungsversuch Seehausen (Hülsbergen 2003) 350 300 NO - 3 -N 3 -N (kg (kg/ha) -1 ) 250 200 150 100 50 0 20 40 60 80 100 120 N-Saldo (kg/ha) -1 ) Tiefenbohrung auf einer Versuchsfläche y = 75,7 e 0,012 x B = 0,91 + s R = 37,1
N-Effizienz und N-Verluste in Abhängigkeit von der Düngung Düngungsversuch Seehausen Düngung N-Effizienz Verluste OD kg N ha -1 MD kg N ha -1 Pflanze % Boden % Gesamt % % kg N ha -1 0 50 80 11 91 9 5 0 100 74 9 83 17 18 0 150 62 7 69 31 48 50 50 54 22 76 24 25 100 100 50 27 77 23 48 150 150 40 24 64 36 112
Entwicklung der N t -Gehalte, Messwerte und Simulationswerte Düngungsversuch Seehausen: 40 % Hackfrucht, 60 % Getreide, Strohernte 150 140 N org -Gehalt (mg 100g -1 ) 130 120 110 100 90 80 70 0 35 Jahre ungedüngt Mineral-N Stalldung Stalldung + Mineral-N
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
N 2 O-Emissionen im Energiepflanzen-Fruchtfolgeversuch Viehhausen (Peter, Schmid, Munch & Hülsbergen 2013) 600 Kleegras 500 Winterweizen mit Biogasgülle Winterweizen ohne Biogasgülle 400 µg N 2 O-N m -2 h -1 300 200 100 0 01.05.09 21.05.09 10.06.09 30.06.09 20.07.09 09.08.09 29.08.09 Messzeitpunkt
N 2 O-Emissionen im Energiepflanzen-Fruchtfolgeversuch Viehhausen, Winterweizen mit Biogasgülle (Peter et al. 2013) µg N 2 O-N m -2 h -1
N 2 O-Flüsse, Winterraps, 40/120/60 = 220 kg N ha -1 (ASS) Versuchsstation Roggenstein (Vinzent, Maidl & Hülsbergen 2014) N-Düngung
N 2 O-Flüsse, Winterraps, TUM 40/50/105 = 195 kg N ha -1 (ASS) Versuchsstation Roggenstein (Vinzent, Maidl & Hülsbergen 2014) N-Düngung
N 2 O-Flüsse, Winterraps, 40/120/60 = 220 kg N ha -1 (Alzon) Versuchsstation Roggenstein (Vinzent, Maidl & Hülsbergen 2014) N-Düngung
Teilflächenspezifische N-Düngung (Precision Farming) 0,6 Stickstoffdüngeversuche mit Winterraps Reflexionsgrad 0,4 0,2 0 N 60 N 120 N 180 N 0 360 450 540 630 720 810 900 Wellenlänge [nm] Reflexionsspektren von Winterraps Anwendung in der Praxis: Messalgorithmen und Düngesystem der TUM
Teilflächenspezifische N-Düngung (Precision Farming)
Optimierung der N-Düngung bei Wintergerste Streifenversuche, Versuchsstation Roggenstein (Spicker & Maidl 2014) Mineral-N-Düngung Korn-Ertrag N-Saldo
Nutrient flows and system boundaries OENEMA et al. (2003): Europ. J. Agronomy 20, 3-16.
Stickstoffkreislauf, Versuchsbetrieb Scheyern, ökologisch (kg N ha -1 a -1 ) Küstermann, Christen & Hülsbergen (2010): Agric., Ecosys.& Environm. 135, 70-80. 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 20 16 Stalldung, Gülle 91 Gülle 5 NH 3 -Verluste 9 N 2 O-Verluste 4 NO 3 -Verluste 11
Stickstoffkreislauf, Versuchsbetrieb Scheyern, konventionell (kg N ha -1 a -1 ) Küstermann, Christen & Hülsbergen (2010): Agric., Ecosys.& Environm. 135, 70-80. 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 -24 74 NH 3 -Verluste 8 N 2 O-Verluste 10 NO 3 -Verluste 47
Stickstoffkreislauf, Betrieb Lommatzscher Pflege (kg N ha -1 a -1, Hülsbergen & Schmid 2014) Inputs Innerbetrieblicher Kreislauf Outputs Futter, Biomasse 36 Tiere 2 167 Marktprodukte 115 Konservierungsverluste 7 Futter, Stroh 50 Pflanze Stroh-/Gründüngung 37 Tier /BGA Marktprodukte 23 NH 3 -Verluste Mineral-N 15 134 Saatgut 2 Immissionen 20 N 2 -Fixierung 23 N-Entzug 209 ΔN org Boden -8 N-Saldo 63 Organ. Dünger 50 NH 3 -Verluste 12 N 2 -, N 2 O-Verluste 18 NO 3 -Verluste 33
Stickstoffkreislauf eines Veredlungsbetriebes (kg N ha -1 a -1, Abraham & Hülsbergen 2002) Inputs Innerbetrieblicher Kreislauf Outputs Futter, Biomasse 200 Tiere 114 33 Futter, Stroh Konservierungsverluste 6 Pflanze Stroh-/Gründüngung 38 Tier Marktprodukte 118 NH 3 -Verluste 18 Saatgut 2 Immissionen 30 Mineral-N 55 N-Entzug 158 ΔN org Boden 2 N-Saldo 164 Gülle 196 Rotte-, Lagerverluste 15 NH 3 -Verluste 40 Denitrifikationsverluste 19 Auswaschungsverluste 105
Vergleich von Betriebssystemen, Modell REPRO 200 Konventioneller Landbau Ökologischer Landbau N-Saldo (kg ha -1 a -1 ) 150 100 50 0-50 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Tierbesatz (GV ha -1 )
Bewertungsfunktionen Flächenbezogener N-Saldo Leistung 1,00 0,75 0,50 0,25 0-50 0 50 100 150 N-Saldo (kg N ha -1 )
Bewertungsfunktionen Flächenbezogener N-Saldo Bereich kg N ha -1 a -1 Begründung N-Mangel - 50 bis 0 Abnahme des Boden-N und des Ertragspotentials Optimalbereich 0 bis 50 unvermeidbare N-Verluste N-Überschuss 50 bis 150 erhöhte N-Verluste > 150 überhöhte, nicht tolerierbare N-Verluste
Thematische Karten, N-Saldo (kg N ha -1 ) Gemischtbetrieb mit Milchviehhaltung
Schema teilflächenspezifischer N-Bilanzierung
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.
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