Das Verbundvorhaben adressiert die Themen der Minderung der Lachgasemission und Verbesserung der Stickstoffeffizienz durch Modellierung, der Bewertung möglicher Minderungsmaßnahmen und der standortdifferenzierenden Bewertung der Denitrifikation. Gasförmige Emissionen aus der Denitrifikation verursachen pflanzenbaulich relevante N-Verluste und verursachen direkte N2O-Emissionen des Pflanzenbaus. Pflanzenbauliche Klimaschutzmaßnahmen im Bereich der Düngung, Bodenbearbeitung, Fruchtfolge sind im Hinblick auf die Rolle der Denitrifikation kaum erforscht. Ein pflanzenbauliches Management welches N-Effizienz optimiert und gleichzeitig N-Emissionen minimiert ist daher bisher nicht verlässlich definiert. Übergeordnetes Ziel des vorliegenden Antrags ist es, pflanzenbaulich praktikable Minderungsmaßnahmen im Hinblick auf N2 und N2O-Emissionen der Denitrifikation für Ackerbausysteme in Deutschland zu identifizieren, indem der Kenntnisstand zu denitrifikativen N-Verlusten durch Feld- und Laborstudien verbessert und zur Parametrisierung, Validierung und Anwendung von Simulationsmodellen eingesetzt wird. Unsere Teilziele sind wie folgt: 1. Regionalisierung der N-Verluste durch Denitrifikation in Deutschland auf Basis vorhandener Modelle 2. Bestimmung der Wirkung von pflanzenbaulichen Klimaschutzmaßnahmen auf N2- und N2O-Verluste 3. Prüfung von Minderungsoptionen auf der Modell-, Labor- und Feldskala unter Berücksichtigung des Oberbodens und des durchwurzelten Unterbodens für verschiedene Böden 4. Weiterentwicklung von Denitrifikationsmodellen, um die Abbildung von Minderungsmaßnahmen zu verbessern anhand vorhandener und neuer Messdaten 5. Prüfung der Minderungsoptionen für Deutschland anhand der verbesserten Modelle unter Berücksichtigung von Ertrag, Wirtschaftlichkeit, Technologiebedarf, N2O-Emission, N-Effizienz, Düngerbedarf, NH3-Emisissionen und Nitratauswaschung.
In Dauerfeldexperimenten werden in ökologischen und konventionellen Anbausystemen an drei Versuchsstandorten zeitlich hochauflösend Lachgasemissionen und Ammoniakemissionen gemessen, um Mechanismen der Treibhausgasbildung aufzuklären, pflanzenbauliche Strategien zur Treibhausgasminderung zu prüfen und standortspezifische Emissionsfaktoren abzuleiten. Die Messung von Treibhausgasflüssen erfolgt in Versuchen mit unterschiedlichen Fruchtfolge-, Bodenbearbeitungs- und Düngungssystemen zur Bestimmung von flächen- und produktbezogenen Emissionen. In zwei Feldexperimenten wird Pflanzenkohle in Kombination mit organischen und mineralischen Düngern eingesetzt um zu analysieren, wie der Stickstoffumsatz im Boden, der Stickstofftransfer in der Fruchtfolge und die Stickstoffemissionen beeinflusst werden. Auf der Grundlage der experimentellen Daten wird bewertet, ob es möglich ist, NH3- und N2O-Emissionen durch den Einsatz von Pflanzenkohle signifikant zu vermindern. In einem weiteren Versuch werden die Stickstoffdynamik und Lachgasemissionen in ökologischen und konventionellen Anbausystemen untersucht. Auf der Grundlage der Messdaten wird das Emissionspotenzial sowie das N2O-Minderungspotenzial von Anbausystemen bewertet. Lachgas- und Ammoniakemissionen werden in Beziehung zur Stickstoffdynamik gesetzt, um Ursachen und Prozesse aufzuklären, die zu hohen Emissionen führen. Alle pflanzenbaulichen Maßnahmen werden hinsichtlich der Effekte auf die Erträge und Produktqualität, die Stickstoffsalden und Stickstoffeffizienz bewertet, um die Umsetzbarkeit in der landwirtschaftlichen Praxis einschätzen zu können. Die experimentellen Daten verbessern die Datenbasis für die nationale Klimaberichterstattung. Sie sind für die Regionalisierung von NH3- und N2O-Minderungsmaßnahmen umfassend nutzbar. Der Transfer der Ergebnisse in die landwirtschaftliche Praxis erfolgt durch Publikationen in angewandten Zeitschriften, die Durchführung von Workshops und Feldtagen.
In Dauerfeldexperimenten werden in ökologischen und konventionellen Anbausystemen an drei Versuchsstandorten zeitlich hochauflösend Lachgasemissionen und Ammoniakemissionen gemessen, um Mechanismen der Treibhausgasbildung aufzuklären, pflanzenbauliche Strategien zur Treibhausgasminderung zu prüfen und standortspezifische Emissionsfaktoren abzuleiten. Die Messung von Treibhausgasflüssen erfolgt in Versuchen mit unterschiedlichen Fruchtfolge-, Bodenbearbeitungs- und Düngungssystemen zur Bestimmung von flächen- und produktbezogenen Emissionen. In zwei Feldexperimenten wird Pflanzenkohle in Kombination mit organischen und mineralischen Düngern eingesetzt um zu analysieren, wie der Stickstoffumsatz im Boden, der Stickstofftransfer in der Fruchtfolge und die Stickstoffemissionen beeinflusst werden. Auf der Grundlage der experimentellen Daten wird bewertet, ob es möglich ist, NH3- und N2O-Emissionen durch den Einsatz von Pflanzenkohle signifikant zu vermindern. In einem weiteren Versuch werden die Stickstoffdynamik und Lachgasemissionen in ökologischen und konventionellen Anbausystemen untersucht. Auf der Grundlage der Messdaten wird das Emissionspotenzial sowie das N2O-Minderungspotenzial von Anbausystemen bewertet. Lachgas- und Ammoniakemissionen werden in Beziehung zur Stickstoffdynamik gesetzt, um Ursachen und Prozesse aufzuklären, die zu hohen Emissionen führen. Alle pflanzenbaulichen Maßnahmen werden hinsichtlich der Effekte auf die Erträge und Produktqualität, die Stickstoffsalden und Stickstoffeffizienz bewertet, um die Umsetzbarkeit in der landwirtschaftlichen Praxis einschätzen zu können. Die experimentellen Daten verbessern die Datenbasis für die nationale Klimaberichterstattung. Sie sind für die Regionalisierung von NH3- und N2O-Minderungsmaßnahmen umfassend nutzbar. Der Transfer der Ergebnisse in die landwirtschaftliche Praxis erfolgt durch Publikationen in angewandten Zeitschriften, die Durchführung von Workshops und Feldtagen.
Zurzeit ist die 'Biokohle' in aller Munde, und diese wird als Wunderstoff zur Steigerung und Stabilisierung der Bodenqualität angesehen. Eigene Modellversuche mit drei verschiedenen Böden ergaben, dass die Kohlen, bis auf eine Hydro-Thermal-Kohle (HTC) aus Eichenästen, recht stabil im Boden sind und dass diese dazu beitragen können, den Kohlenstoff im Boden zu sequenzieren. Die vielfach geäußerte Vorstellung, dass eine Biokohleapplikation die spezifische Adsorption von Phosphat reduziert, konnten wir in unseren Untersuchungen nicht bestätigen. Auf drei Standorten wird die Wirkung von Biokohle aus Holzhackschnitzel-Siebresten auf einer Löss-Parabraunerde in Rauischholzhausen, einem Sandboden in Groß-Gerau und einem Alluvium in Gießen in Feldversuchen geprüft. Die Versuche begannen im Frühjahr 2012 bzw. im Herbst 2012. Es hat den Anschein, dass die Biokohle die N-Effizienz zu Silomais aus der Löss-Parabraunerde zu fördern scheint, da die Erträge in den Varianten mit Biokohle über denen ohne Biokohle lagen. Auf dem Sandboden und auch auf dem Alluvium förderet die Biokohleapplikation weder von 15 noch von 30 t/ha den Ertrag von Körnermais, Winterweizen oder Sommergerste. Die Wassernutzung wurde auf dem Sandboden nicht durch Biokohle gefördert. Verbessert wurde aber die Nitratretention durch Biokohle. Um diese Mechanismen von Biokohle besser zu verstehen, untersucht Christian Koch in seiner von der Deutschen Bundesstiftung-Umwelt (DBU) geförderten Promotion, inwieweit durch verschiedene Herstellungstemperaturen die Eigenschaften von Biokohlen aus Fichtenrestholz, Landschaftspflegeheu und Nusshäutchen von Haselnuss beeinflusst werden. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Karbonisierungstemperatur die Sorption von Huminsäuren beeinflusst. Dagegen haben die Karbonisierungstemperaturen keinen Einfluss auf die von uns durchgeführten Versuche zur Nitratretention und Kationenaustauschkapazität (= Bariumsorption).
Nitrifikationshemmstoffe werden als robuste und skalierbare THG Reduktionsmaßnahme für den Pflanzenbau vorgeschlagen. Ob dies aber eine effiziente, praxisgerechte und umweltschonende Maßnahme zur Verringerung düngungsinduzierter N2O-Emissionen unter mitteleuropäischen Bedingungen ist, wird von Wissenschaft, Politik und Praxis kontrovers diskutiert. Einerseits bestehen die Potenziale, durch die Hemmung der Nitratbildung sowohl die direkten als auch indirekten N2O-Emissionen deutlich zu mindern und dadurch die Effizienz der Stickstoffdüngung zu verbessern. Andererseits fehlen für eine gesicherte Bewertung in mehreren Punkten wissenschaftlich belastbare und standortdifferenzierende Ergebnisse: i) die standortdifferenzierende Bewertung der Wirkung auf die N2O-Jahresemission und Nitratauswaschung, ii) die ökologischen Langzeitwirkungen einer regelmäßigen Ausbringung der Hemmstoffe und ihre Wirkung auf andere umwelt- und klimawirksamen Emissionen sowie iii) die zusammenführende und standortdifferenzierende Gesamtbewertung als Klimaschutzmaßnahme unter Einbeziehung von Klimaschutzeffekten, ökologischen Risiken, sowie ökonomischen und pflanzenbaulichen Effekten. Ziel dieses Teilprojekts ist die standortabhängige pflanzenbauliche Bewertung des Einsatzes von Nitrifikationsinhibitoren und damit verbundener Düngungsstrategien auf die Qualität und Höhe der Erträge und Stickstoffnutzungseffizienz. Neben bereits verfügbaren Daten aus der Literatur fließen hier insbesondere die pflanzenbaulichen Daten aus den Feldversuchen des Verbundprojektes ein. Zur weiteren Extrapolation der Erkenntnisse werden statistische und pflanzenbauliche Modelle herangezogen.
Problemstellung: In den meisten landwirtschaftlichen Systemen ist die Höhe des Feldertrages eng an die Stickstoffdüngung gekoppelt. Im Durchschnitt werden nur 40-50 Prozent des Stickstoffdüngers direkt von den Pflanzen aufgenommen, während der grössere Anteil zu Stickoxiden, flüchtigem Ammoniakgas oder Nitrat umgesetzt wird und teilweise die Umwelt stark belastet. Zusätzlich wird ein Teil des durch die Pflanzen aufgenommenen Stickstoffs in Form von Ammonium und Nitrat wieder abgegeben bzw. verflüchtigt sich aus den Blättern als Ammoniak. Pflanzensorten mit effizienter Aufnahme, Rückverlagerung und Umsatz von Stickstoff könnten helfen, den Verbrauch an Düngern und damit auch die Umweltbelastung zu verringern. Bekanntermassen bilden Nitrat, Harnstoff und Ammonium die Hauptquelle für die Stickstoffversorgung der Pflanzen. Darauf basiert ein Forschungsthema an den Modellpflanzen Arabidopsis und Tomate, das zum Ziel hat, Ammonium- und Harnstofftransportprozesse zu charakterisieren und ihre Beteiligung an einer effizienten Stickstoffausnutzung aufzuklären.
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