Humboldt-Universität zu Berlin - Albrecht Daniel Thaer-Institut für Agrar- und Gartenbauwissenschaften

Sarah Lütke Börding

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Einfluss der Fruchtfolgegestaltung, der Bodenbearbeitungsintensität und des Nährstoffmanagements auf die Umweltwirkungen von Bodennutzngssystemen

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum agriculturarum

Eingereicht an der Lebenswissenschaftlichen Fakultät der Humboldt-Universtät zu Berlin

Datum der Promotion: 28. 10. 2016

Hochschulschrift

HU Universitätsbibliothek oder DNB

Zusammenfassung

Vor dem Hintergrund einer produktiven landwirtschaftlichen Erzeugung mit möglichst geringen Umweltbelastungen wurde in dieser Studie der Frage nachgegangen, in wieweit sich eine erweiterte Fruchtfolge, eine reduzierte Bodenbearbeitung und ein organisch- mineralisches Nährstoffmanagement vorteilhaft auf Umweltaspekte auswirken.

 Auf Grundlage eines zweijährigen Feldexperiments in Großparzellen an zwei Ackerbaustandorten in Deutschland (Soest und Braunschweig) wurden drei verschiedene Bodennutzungssysteme diesbezüglich mittels einer Ökobilanzierung bewertet. Neben einer klassischen Marktfruchtfolge mit Pflugeinsatz und ausschließlicher mineralischer Düngung (FF l) wurde eine dreijährige Fruchtfolge mit partiell reduzierter Bodenbearbeitung und Gärresteinsatz (FF 2), sowie einer achtjährigen Fruchtfolge ohne jegliche Bodenbearbeitung (Direktsaat) und mit Gärrestdüngung untersucht (FF 3). ln FF 2 wurde neben Weizen und Gerste auch als Zweinutzungssystem Grünroggen und Silomais angebaut. ln FF 3 standen Winterraps, Winterweizen, mit Zwischenfrucht vor Sommerackerbohnen und Gerste. Weiter wurde zweimalig Grünroggen-Silomais als Fruchtfolgeglied und GPS-Roggen als Ganzpflanzenernte für eine mögliche Bereitstellung als Biogassubstrat integriert. Somit umfasste die FF 3 alle drei Maßnahmen, die zur Reduzierung schädlicher Umweltwirkungen beitragen sollten. Die Bodennutzungssysteme wurden je nach Standort und Kultur entsprechend gedüngt und bewirtschaftet. Mit den erhobenen Daten des Feldexperiments wurde auf Grundlage einer Lebenszyklusanalyse mittels der Berechnungsmethode SALCA und der Software SimaPro eine Ökobilanzierung durchgeführt. Die Ergebnisse wurden für jeden Standort, für jedes Jahr auf Fruchtfolgeebene sowohl flächen- als auch produktbezogen (Getreideeinheit) dargestellt und ausgewertet.

 Bei der flächenbezogenen Betrachtung (je ha und a) des Treibauspotentials konnte die gewünschte Reduzierung im System FF 3 nicht erreicht werden. Am Standort Soest wiesen in beiden Jahren FF 2 die geringsten Potentiale auf, am Standort Braunschweig waren es FF l (2012) und FF 3 (2013). Durch den Einsatz von Gärrückständen konnten Mineraldünger und die dabei entstehenden indirekten Emissionen reduziert werden, dafür stiegen jedoch die direkten Emissionen aus dem Einsatz des organischen Düngers. Auch die Bereitstellung des Fahrsilos und die Ernte der Ganzpflanzen in FF 2 und FF 3 führten zu hohen Belastungspotentialen. Die reduzierte Bodenbearbeitung beziehungsweise Direktsaat konnte dieses nicht immer ausgleichen. Die Vorteile der reduzierten Bodenbearbeitung und des geringeren Mineraldüngereinsatzes machten sich dann deutlicher in den beiden anderen Wirkungskategorien des Ressourcenmanagements bemerkbar. Hier war für FF 3 in beiden Jahren und an beiden Standorten das geringste Ozonbildungspotential und auch der geringste Bedarf an nicht erneuerbarer Energie geschätzt worden. Auch die Integration einer nicht mit Stickstoff gedüngten Kultur (Ackerbohne) in FF 3 erbrachte eine weitere Düngereinsparung und damit Vorteile für dieses System. Bei den Wirkungskategorien des Nährstoffmanagements führte vor allem die Ausbringung der Gärrückstände zu hohen NH3- Emissionen und somit zu hohen Belastungspotentialen des terrestrischen Eutrophierungs- und des Versauerungspotentials. Diese könnten jedoch durch eine emissionsmindernde Ausbringtechnik deutlich reduziert werden, wie die durchgeführte Sensitivitätsanalyse und die Szenario-Berechnung 1 deutlich gemacht hat. Die Nitratauswaschung, welche vor allem zum aquatischen Eutrophierungspotential beiträgt, ist aufgrund des insgesamt hohen N- Düngungsniveaus, mit einer Ausnahme (FF 3, 2013, Soest), für FF 2 am höchsten und für FF l im jeweiligen Jahr am geringsten. Ein hohes Belastungspotential wurde vor allem bei Silomais durch eine Gärrestdüngung im Mai geschätzt. Für das Schadstoffmanagement ergab sich ein gemischtes Bild für die Systeme. Nachteilig wirkten sich in den untersuchten Jahren hohe Getreide- und Maisanteile in der Fruchtfolge aus. Bei den untersuchten Jahren waren es Wirkstoffe vor allem zu diesen Kulturen, die sich negativ auswirkten. Der höhere Einsatz von Glyphosat in den FF 3-Systemen kam dabei jedoch nicht zum Tragen, da von diesem kein hohes Schadpotential nach den angewandten Methoden (CML und EDIP) ausgeht.

 Bei der produktbezogenen Betrachtung waren vor allem die hohen erreichten GE-Erträge von FF 2 von Bedeutung. In Soest war die Differenz zu den übrigen Systemen besonders deutlich. So ergaben sich für die Wirkungskategorien des Ressourcen- und Nährstoffmanagements für den Standort Soest für dieses System die geringsten Belastungen. Für die Wirkungskategorien des Schadstoffmanagements war das Bild differenzierter, jedoch mit der Tendenz für geringere Belastungen bei FF 3. Am Standort Braunschweig war das Bild nicht eindeutig. Bei dem Ressourcenmanagement lagen die produktbezogenen Belastungspotentiale für FF 3 am niedrigsten, für das Nährstoffmanagement jedoch überwiegend bei FF l. Während sich für die Wirkungskategorien des Schadstoffmanagements ebenfalls kein einheitliches Bild zeigte und kein System für beide Jahre das geringste Potential in den drei dazugehörigen Wirkungskategorien ergab.

Diese Ergebnisse zeigen, dass die Maßnahmen zum Teil zur Verringerung von Umweltbelastungen beitragen. Zukünftig gilt es jedoch zu klären, wie sich vor dem Hintergrund der reduzierten Bodenbearbeitung, beziehungsweise der Direktsaat, die Erträge und der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln entwickeln wird. Auch können Versuche mit unterschiedlichen Düngungsstufen sinnvoll sein, um die ökologisch optimale N-Düngermenge zu bestimmen.

 

Summary

 

Against the background of productive agricultural production with minimal environmental impact, this study investigated the extent to which extended crop rotation, reduced tillage and organic-mineral nutrient management have beneficial effects on environmental aspects.

Based on a two-year field trial in large-scale plots at two arable farming sites in Germany (Soest and Braunschweig), three different land use systems were evaluated accordingly by means of a life cycle assessment. In addition to a conventional cash crop rotation with ploughing and only mineral fertilisation (FF 1), a three-year rotation with partially reduced tillage and use of biogas digested residue (FF 2), and an eight-year rotation without tillage (direct drilling) and with digested residue fertilisation (FF 3) were studied. In FF 2, green-rye and silage maize as dual-purpose system were cultivated in addition to winter wheat and winter barley. In FF 3 winter oilseed rape and winter wheat were grown, with a catch crop before summer faba beans and winter barley. In addition, green-rye/silage maize was integrated twice in this crop rotation and whole-crop rye was grown for possible use as a biogas substrate. FF 3 thus included all three measures thought to contribute to reducing harmful environmental effects. The land use systems were fertilised and managed depending on the site and crop. The data collected in the field trial were used to carry out a life cycle assessment using the calculation method SALCA and the software SimaPro. The results were presented and evaluated for each site, for each year at crop rotation level, and on an area and product basis (unit grain equivalent).

In the area-based analysis (per ha per year) of global warming potential, the desired reduction could not be achieved in system FF 3. At the Soest site, FF 2 showed the lowest potential in both years; at the Braunschweig site it was FF 1 (2012) and FF 3 (2013). The use of digested residues reduced mineral fertiliser application and the resulting indirect emissions, but there was a corresponding increase in direct emissions due to the use of organic fertiliser. The use of a horizontal silo and the whole-crop harvesting in FF 2 and FF 3 also led to high impact potentials. Reduced tillage or direct drilling could not always compensate for this. The advantages of reduced tillage and lower mineral fertiliser use were clearer in the other two impact categories of resource management. Here, the lowest ozone formation potential and also the lowest demand for non-renewable energy had been estimated for FF 3 in both years and at both sites. The integration of a non-nitrogen fertilised crop (faba bean) in FF 3 also produced further fertiliser savings and thus advantages for this system. Among the impact categories of nutrient management, digested residue application in particular led to high NH; emissions and thus to high impact potentials due to terrestrial eutrophication and acidification potential. However, these could be significantly reduced by an emission-reducing application technique, as the sensitivity analysis and scenario calculation l made clear. Due to the generally high N fertilisation level — with one exception (FF 3, 2013, Soest) — nitrate leaching, which contributes to aquatic eutrophication potential in particular, is highest for FF 2 and lowest for FF 1 in the respective year. A high impact potential was estimated notably for silage maize, due to digested residue fertilisation in May. Regarding pollutant management, a mixed picture emerged for the systems. In the years studied, high proportions of cereals and maize in the crop rotation had negative effects. Active substances used mainly in these crops had negative effects. However, the higher use of glyphosate in the FF 3 systems did not play a noticeable role as it does not have a high harmful potential when applied by the methods used (CML and EDIP).

In the product-related analysis, the high GE yields achieved in FF 2 were of particular importance. The difference compared with the other systems was especially clear in Soest. For example, the lowest impacts for the impact categories of resource and nutrient management were found for this system at the Soest site. For the impact categories of pollutant management, the picture was more differentiated, but with a tendency towards lower impacts in FF 3. At the Braunschweig site the picture was unclear. In the case of resource management, the product-related impact potential was lowest in FF 3; in the case of nutrient management, however, it was mainly in FF l. A uniform picture was also lacking for the impact categories of pollutant management, and no system had the lowest potential in the three corresponding impact categories for both years.

These results show that the measures contribute in part to reducing environmental impact. In the future, however, it will be important to clarify how yields and the use of plant protection products will evolve against the background of reduced tillage and/or direct drilling. Studies involving different fertilisation levels might also be useful in order to determine the ecologically optimal quantity of N fertiliser.


 

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