Die Minderung von Lachgas- und Nitratverlusten sowie die Steigerung der Stickstoff (N)-Effizienz beim Anbau von Winterweizen können durch Kombination einer stabilisierten, verlustarmen N-Düngung mit züchterisch verbesserten Sorten bzw. Linien erreicht werden. Da das Wurzelsystems für die Nährstoffaufnahme von größter Bedeutung ist, hat sich das F&E-Vorhaben 'NeatWheat' dabei zum Ziel gesetzt, die N-Nutzungseffizienz durch Erfassung der genetischen Variabilität und Nutzung vorteilhafter physiologischer und morphologischer Wurzelmerkmale zu verbessern.
Zielsetzung:
Der anthropogene Eingriff in den globalen Stickstoffhaushalt übertrifft in seinen Umweltwirkungen selbst die weltweiten, durch menschliche Aktivitäten ausgelösten Klimaveränderungen. Die Belastbarkeitsgrenzen der Erde mit Stickstoff vor allem in China, Nordindien, dem Nordosten der USA und Nordwest-Europa, einschließlich Deutschland, sind weit überschritten. Entscheidende Ursache für die durch die Landwirtschaft bedingte Stickstoffbelastung der Umwelt ist sowohl die Intensivtierhaltung und die damit verbundene häufig nicht optimale Verwendung der im Wirtschaftsdünger enthaltenen Nährstoffe als auch die nicht bedarfsorientierte Anwendung von mineralischen Düngemitteln.
Die Ausbringung von stickstoffhaltigen Düngemitteln (sowohl Wirtschaftsdünger tierischer Herkunft als auch Mineraldünger) ist eine der Hauptquellen für die nationalen und weltweiten Ammoniak-Emissionen. Bewertungen des Thinktanks Agora Agrar (Berlin) ergeben, dass es bei der landwirtschaftlichen Bodennutzung ein hohes Potenzial zur Einsparung von Treibhausgasen gibt und dabei ein Fokus auf die effiziente Nutzung von N-haltigen Mineraldüngern gelegt werden sollte. Die Rolle der Mineraldünger ist nach wie vor umstritten, weil davon auszugehen ist, dass die internationalen Vorschriften zur Berechnung der Emissionen zu einer Überschätzung der Mineraldüngeremissionen führen. Eine solche Überschätzung führt dazu, dass N-haltiger Mineraldünger als wesentlich den Ertrag bestimmender Produktionsfaktor häufig in zu großer Menge eingesetzt wird, d.h. durch einen Sicherheitszuschlag soll gewährleistet werden, dass das Ertragspotential des Standortes auch ausgenutzt werden kann. Dabei ist zu beachten, dass je genauer die Düngungsplanung vorgenommen werden muss und je weniger Emissionen entsprechend der gesetzlichen Vorgaben toleriert werden, desto wichtiger dann die genaue Kenntnis der zu erwartenden Ammoniakverluste ist. Allein deshalb ist es zwingend notwendig, möglichst einfache, kostengünstige und vor allem genau arbeitende Messverfahren zur Verfügung zu haben, um repräsentative Daten für eine Vielzahl von Regionen, Kulturen und Anbauspezifika zu erhalten. Aus diesen müssen dann robuste Emissionsfaktoren abgeleitet werden.
Ziel des Vorhabens ist die Überprüfung der 'Richtigkeit' der sogenannten 'Integrated Horizontal Flux'-Methode (IHF-Methode) zur Erfassung von Ammoniakemissionen unter verschiedensten praxisnahen Bedingungen um dieses Verfahren als Referenzmethode zu etablieren. Die IHF-Methode gilt gemeinhin als die physikalisch korrekteste Methode zur Erfassung der Ammoniakemissionen im Feld. Sie wird auf sogenannten 'Makroplots' eingesetzt und hat den Vorteil, dass mit betriebsüblicher Ausbringtechnik unter Praxisbedingungen gearbeitet werden kann. Mit der IHF-Methode können die Ergebnisse anderer Messverfahren validiert und vergleichbare, sowie belastbare Ammoniak-Emissionsdaten für Deutschland erhoben werden.
Das Projekt zielt sowohl auf signifikante Senkung der Ammoniak-Emissionen als auch auf eine Verbesserung der nachhaltigen Nutzung der in organischen und mineralischen Düngemitteln enthaltenen Stickstoffverbindungen ab. Insgesamt wird davon ausgegangen, dass durch die Arbeiten im Rahmen des Projekts die Ammoniakverluste nach Düngereinsatz deutlich besser eingeschätzt werden können, die N-Nutzungseffizienz dadurch verbessert wird und somit der Einsatz von Dünger-N deutlich reduziert werden kann. Dies gilt sowohl für die nationale als auch für die internationale Ebene. Entscheidend ist dabei, dass die im beantragten Projekt überprüfte Methode nachweislich zu quantitativ richtigen Ammoniak-Emissionswerten führt. Die so validierte Methode kann dann in anderen praxisnahen Feldversuchen zur Cross-Validierung eingesetzt werden, um so eine Verifizierung der Emissionsdaten zu gewährleisten. Weiterhin wird durch das Vorhaben die internationale Zusammenarbeit mit Ammoniakemissionsexperten induziert, die zu länderübergreifenden Methodenkongruenztests führt.
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).
Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Kooperationsprojektes werden unsere chinesischen Partner Feldversuche in drei verschiedenen Klimazonen Chinas (Peking, Nanking und Kanton (Guangzhou)) durchführen. Diese sollen durch die National Nature Science Foundation of China (NSFC) gefördert werden. Die Feldversuchsanlage wird an allen Orten identisch sein. Zusätzlich führt jede Gruppe Ergänzungsstudien gemäß der jeweiligen Arbeitsrichtung durch. Unser gemeinsames Projekt soll die relative Vorzüglichkeit von GCRPS gegenüber dem traditionellen Nassreis- bzw. Trockenreisanbau in der zweiten Reisanbausaison in der Region von Guangzhou (South China Agricultural University) untersuchen. Der Schwerpunkt wird auf den Wasserbedarf, die Stickstoffnutzungseffizienz (15N-Methode und Bilanzmethode) sowie auf N2O-, CH4 und NH3-Emissionen gelegt werden. Die Felduntersuchungen in Südchina werden durch Versuche unter kontrollierten Umweltbedingungen in Kiel unterstützt. Mit diesen Experimenten soll der Effekt von Stickstoffform und Stickstoffdüngungsrate auf die Fe-, Mn- und P-Aufnahme von Reis studiert werden. Diese Frage hat hohe Priorität, denn Ernährungsstörungen aufgrund Veränderungen des Bewässerungsmanagements wurden in verschiedenen chinesischen Provinzen im Nassreisanbau beobachtet. Weiterhin sollen die physiologische Wassernutzungseffizienz und der Effekt der Stickstoffform auf die CH4-Emissionen geprüft werden. Die kooperierenden vier chinesischen Arbeitsgruppen haben ihre jeweiligen Forschungsanträge an die NSFC eingereicht.
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.