Research Institute of Organic Agriculture Forschungsinstitut für biologischen Landbau Institut de recherche de l agriculture biologique 30 Jahre Biolandbau: Erträge, Bodenfruchtbarkeit und Artenvielfalt (Teil 2) Paul Mäder, Andreas Fliessbach, Monika Messmer, Alfred Berner Paul Mäder (paul.maeder@fibl.org) Reduzierte Bodenbearbeitung unter Biobedingungen Anpassung der reduzierten Bodenbearbeitung an die Verhältnisse des Biolandbaus (ohne Herbizide, ohne leichtlösliche Stickstoffdünger) Maschineneinsatz Umbruchzeitpunkt Düngung, Gründüngung Sorten Auswirkungen der reduzierten Bodenbearbeitung auf Ertrag, Unkräuter, Bodenfruchtbarkeit Quantifizierung der Kohlenstoffrückbindung im Boden Klimabilanz Wirtschaftlichkeitsberechnungen
Hintergrund Boden als wichtige Senke für Kohlenstoff Biolandbau trägt bei zur Klimaschonung Konservierende Bodenbearbeitung (Direktsaat, reduzierte Bodenbearbeitung) und organische Düngung zur Rückbindung von Kohlenstoff im Boden Kohlenstoffkreislauf In Mia Tonnen Kohlenstoff Quelle: NASA
Dynamik des organischen Kohlenstoffs im Boden nach einer Landnutzungsänderung Relative Kohlenstoffmengen Landnutzungsänderung Subsistenzland -wirtschaft, none or low off-farm inputs, Bodendegradierung Bisheriger Verlust: 42-78 Mia Tonnen Neues Gleichgewicht Boden C-Senken Optimierte Bewirtschaftung Kapazität Maximales Potential Erreichbares Potential Erhöhte Erosion Innovative Technologie II Innovative Technologie I Nachhaltige Landnutzung z.b. Biolandbau, reduzierte Bodenbearbeitung, Humuswirtschaft, Biokohle Zeit (Jahre) Lal, 2004 Klimafreundlicher Bioackerbau auf schweren Böden (Frick) Faktoren: Bodenbearbeitung x Düngung x biologisch-dynamische Präparate Berner et al., 2008: Soil & Tillage Research
Begleitgruppe Reduziert Pflug
Braunerde - Pseudogley, Frick Standort 2.2% C organisch 45% Ton 7.0 ph 1000 mm Niederschläge Grundbodenbearbeitung Schälgrubber 15 cm Mouldboard plough Depth 15cm WeCo-Dyn-System EcoDyn, Schwanau, Germany Rototiller 5cm Stoppelhobel 5 cm Rotary harrow (Rototiller) Rau, Weilheim, Germany Rüdiger Zobel, Wallhausen-Limbach, Germany 10
Reduzierte Bodenbearbeitung im Biolandbau Ertragsentwicklung Frick 2003-2013 *) *) Sonnenblumen 2010 Reduziert: 2.6 t Körner /ha Pflug: kein dreschbarer Ertrag 12
Bodenstruktur Reduzierte Bodenbearbeitung Pflug 27. Oktober 2008 Klimafreundlicher Ackerbau auf mittelschweren Böden Sentenhof, Muri (AG) und Schlatthof, Aesch (BL) Sentenhof, Muri (AG) Faktoren: Bodenbearbeitung x Düngung x Maissorten
NPK 50% NPK 100% Gülle 50% Gül le 100% NPK 1 00% Kontrolle 0% Kontr ol le 0 %NPK 50% Gülle 1 00% Gülle 50% FiBL Silomaisertrag Sentenhof, Muri in 2009 Pflug Reduziert Ricardinio Coxximo Fernandez Torres Aspekt Grosso Signifikant Effekte von Düngung und Sorte 15 Schlatthof, Aesch (BL) NPK 100% NPK 50% Gülle 50% Gülle 100% NPK 50% Kontr olle 0% Kon tro l le 0% NPK 100% Gülle 100% Gülle 50% Kontroll e 0%N PK 100% Gülle 100 % Gülle 5 0% NPK 100% NPK 50% Gülle 50% Gülle 100 % NPK 50% Kontrolle 0% Gülle 5 0% Güll e 100% NPK 100% NPK 50% NPK 50% K ontroll e 0% Kontrolle 0 % NPK 100% Gü lle 100% Güll e 50%
Silomaisertrag Schlatthof, Aesch in 2010 Ricardinio Coxximo Fernandez Torres Aspekt Grosso Signifikant Effekte von Bodenbearbeitung, Düngung, Sorte und Sorte x Bodenbearbeitung 17 Erträge Frick 2003-2011 Muri 2009-2011 Aesch 2010-2011 Pflug 100% 100% 100% 100% Reduziert 111% 101% 88% 92% Praxisbetriebe 1 ) 2009-2011 1) Resultate von 6-8 Betrieben pro Jahr 18
Deckungsgrad Unkraut (3. Jahr, Wintergetreide, vor Striegeln) Frick Ø 2003-2011 Muri 2011 Aesch 2011 Praxisbetriebe 2011 Pflug 11 7 32 7 Reduziert 28 40 33 20 Frick: Ø Mais, Winterweizen, Sonnenblumen, Dinkel Muri: Winterweizen Aesch: Winterackerbohnen Praxisbetriebe: Daten von je 8 Wintergetreidebeständen 19 Gründüngungen zur Stickstofffixierung Versuchsfragen: Gründüngungsart Saatzeitpunkt Saatstärke Einarbeitung Wirtschaftlichkeit
Maisertrag nach Wintererbsen (Mittel 6 Versuche) N-Fixierung durch Erbsengründüngung Folgekultur der Erbsen- Gründüngung (GD) Anzahl Versuche GD: N- Ertrag in kg N/ha GD: C/N Verhältnis GD: Anteil N aus biol. Fixierung in % N-Transfer zur Folgekultur kg N/ha Silomais 9 135 12.7 83 % 56 Gemüse kurze Standzeit (<14 Wochen) Gemüse lange Standzeit (>14 Wochen) 5 137 13.3 83 % 24 5 164 12.5 67% 14 22
Bildquelle: Amt für Umwelt Kanton Solothurn Reduziert gegenüber Pflug: +37% mehr mikrobielle Biomasse (Bakterien, Pilze) Die Spatenprobe auf dem Prüfstand
Spatenprobe 2005 Links: Reduzierte Bodenbearbeitung Rechts: Pflug Rückstände der Sonnenblumen gut sichtbar Entwicklung des Kohlenstoffgehalts +17% Bodentiefe 0-10 cm Gadermaier et al., 2011: Renewable Agriculture & Food Systems
Veränderung C org (Humus) Muri 27 Regenwurmmessungen Handauslese (50 50 25 cm) Datenerhebung Anzahl Gewicht 28
Anzahl und Gewicht von Regenwürmern (Anzahl bzw. Gewicht in g/m 2 ) Bearbeitung Alle Juvenile (Junge) Cocons Gewicht Anzahl Gewicht Anzahl Anzahl Pflug 56.1 156.5 11.2 103.8 21 Reduziert 83.3 261.8 18.8 187.0 113 Red/Pflug +48% +67% +68% +80% +438% Kuntz et al., 2013: Pedobiologia 29 Regenwurmpopulationen im Frick Versuch Quelle: Kuntz et al., 2013. PEDOBIOLOGIA 30
Fazit Förderung der Regenwurmfauna Wichtige Voraussetzungen für das Gedeihen der Regenwürmer: ausreichend Nahrung krümeliger, unverdichteter Boden Verzicht auf chemische Pestizide und hohe Gaben an Mineraldünger bodenschonende, extensive Bodenbearbeitung biologischer Anbau fördert Regenwürmer Mikrobielle Biomasse 2008 Bodentiefe 0-10cm Ohne Präparate Mit Präparaten 914 899 n.s. Pflug Reduzierte Bodenbearbeitung 763 +37% 1049 *** 1 ) Vollgülle Mistkompost / Gülle 900 913 n.s. 0 500 1000 1500 mg C mic /kg Boden TS 1 ) Tiefe 10-20cm: +9% * Berner und Gadermeier 2009
Mykorrhiza Dinkel 2005 Mykorrhiza Kolonisierung Tiefenstufe (cm) 0-5 5-10 10-20 20-30 30-40 Stadium: Blüte 59 70 ns 47 56 ns 53 64 (*) 60 64 ns 55 ns Pflug 61 Reduziert 0 20 40 60 80 100 Kolonisierung (%) (Hildermann 2005) Wurzellängen Dinkel 2005 Wurzellängendichte Tiefenstufe (cm) 0-5 5-10 10-20 20-30 30-40 1.9 1.4 1.2 1.0 ns 0.8 0.7 ns * 3.5 4.0 5.0 * 6.7 Pflug Reduziert * 0 2 4 6 8 cm / cm3 Stadium: Ende Bestockung (Hildermann 2005)
Bodenfruchtbarkeit Bodentiefe 0-10cm Frick 2003-2008 Muri 2009-2011 Pflug 100% 100% 100% Praxisbetriebe 1 ) 2009-2011 C org2 ) Reduziert 117% *** 107% * 92% n.s. Mikrob. Biomasse 3 ) Reduziert 137% ** - 125% *** Dehydrogenase 3 ) Reduziert 157% * - 134% *** 1 ) Praxisbetriebe: Corg 9; Biomasse, DHA 2 2 ) Zunahme im Vergleich zu Versuchsbeginn; Muri im Vergleich zu Pflug 121% *** 3 ) Zunahme im Vergleich zu Pflug *** p=<0.001; ** p=<0.01; * p=<0.05; n.s. nicht signifikant 35 Klimabilanz bei reduzierter Bodenbearbeitung Ziel: Untersuchung des Klimaeffekts verschiedener Bodenbearbeitungs- und Düngungsvarianten des Fricker Versuches auf der Basis von LCAs Vorgehen: Berechnung der Klimagasemissionen der verschiedenen Bodenbearbeitungs- und Düngungsvarianten erfolgt unter Berücksichtigung aktueller Ökobilanzdatenbanken
Klimabilanz (Frick) 37 Klimabilanz (Frick) 38
Klimagasemissionen (+) und Kohlenstoffbindung (-) im Fricker Bodenbearbeitungsversuch 12'000 10'000 8'000 6'000 4'000 2'000 CO 2 eq Emissionen ~ 20% Weizen 09 Mais 08 Kleegras 06-07 Dinkel 05 kg CO2 eq / ha 0-2'000-4'000-6'000-8'000-10'000-12'000-14'000-16'000 Pflug / Mistkompost Pflug / Vollgülle ~ 75% CO 2 eq Rückbindung reduzierte Bodenbearbeitung / Mistkompost reduzierte Bodenbearbeitung / Vollgülle Sonnenblumen 04 Weizen 03 C-Sequestrierung Weizen 09 C-Sequestrierung Mais 08 C-Sequestrierung Kleegras 06-07 C-Sequestrierung Dinkel 05 C-Sequestrierung Sonnenblumen 04 C-Sequestrierung Weizen 03 Klimagasemissionen und Kohlenstoffbindung im Bodenbearbeitungsversuch Muri 40
Messung von bodenbürtigen Treibhausgasen & Bilanzierung über Emissionen und Sequestrierung DOK Versuch (BAfU & BLW) -2012 2015 -Systemvergleich Frick Versuch (TILMAN ORG) -2012 2015 -Reduzierte Bodenbearbeitung 41 Gasprobennahme im Detail - Anreicherung der Gase in einer geschlossenen Kammer - Injektion mit einer 20 ml Spritze in vorevakuierte 12 ml Vials - Parallele Bestimmung von Luftemperatur, Bodenfeuchte und temperatur, sowie Nmin 42
Analyse mittels Gaschromatographie - Agilent 7890A Gaschromatograf (TCD, FID, ECD) mit CTC- Autosampler (200 Proben) - Möglichkeit zur PrepSequence für Inkubationsstudien - Hohe Präzision und Messstabilität 43 Auswertung und Flussberechnung - Auswertung und Darstellung der Daten mit R - Einbezug von linearen und nicht-linearen Modellen zur Flussberechnung 44
Herausforderungen Standort- und betriebsspezifische Anpassung der reduzierten Bodenbearbeitung mit Fokus Unkrautregulierung unter Bioverhältnissen (langjährige Pilotprojekte) Klimagasmessungen bei reduzierter Bodenbearbeitung und Direktsaat, insbesondere unter Biobedingungen Klimagasmessungen Ackerbau (Bio und konventionell) Potenzial der Biokohle (Charcoal) als Kohlenstoffsenke Fördermassnahmen für besonders schonende Bodenbearbeitungsverfahren (analog Berner Modell) Langzeiteffekte an verschiedenen Standorten, N O 45 Merci!