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Stickstoffeintrag aus der Landwirtschaft und Stickstoffüberschuss

<p> <p>Stickstoff ist ein essenzieller Nährstoff für alle Lebewesen. Im Übermaß in die Umwelt eingebrachter Stickstoff führt aber zu enormen Belastungen von Ökosystemen.</p> </p><p>Stickstoff ist ein essenzieller Nährstoff für alle Lebewesen. Im Übermaß in die Umwelt eingebrachter Stickstoff führt aber zu enormen Belastungen von Ökosystemen.</p><p> Stickstoffüberschuss der Landwirtschaft <p>Eine Maßzahl für die Stickstoffeinträge in Grundwasser, Oberflächengewässer, Böden und die Luft aus der Landwirtschaft ist der aus der landwirtschaftlichen Stickstoff-Gesamtbilanz ermittelte Stickstoffüberschuss (siehe Abb. „Saldo der landwirtschaftlichen Stickstoff-Gesamtbilanz in Bezug auf die landwirtschaftlich genutzte Fläche“). Überschüssiger Stickstoff aus landwirtschaftlichen Quellen gelangt als Nitrat in Grund- und Oberflächengewässer und als Ammoniak und Lachgas in die Luft. Lachgas trägt als hochwirksames <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/treibhausgas">Treibhausgas</a> zur Klimaerwärmung bei. Der Eintrag von Nitrat und Ammoniak führt zur Belastung des Grundwassers als wichtige Trinkwasserressource, <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/versauerung">Versauerung</a> von Böden, Nährstoffanreicherung (<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/eutrophierung">Eutrophierung</a>) in Land- und Wasserökosystemen und Beeinträchtigung der biologischen Vielfalt (siehe „<a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/landwirtschaft/umweltbelastungen-der-landwirtschaft/stickstoff#einfuhrung">Umweltbelastung der Landwirtschaft – Stickstoff</a>“).&nbsp;</p> <p>Ein Diagramm zeigt den zeitlichen Verlauf des Stickstoffüberschusses zwischen 1990 und 2023 für Einzeljahre und im gleitenden 5-Jahresmittel. Erkennbar ist eine Abnahme im 5-jährigen Mittel von 117 auf 70 Kilogramm Stickstoff pro Hektar und Jahr. Das Ziel für 2026-2030 sind 70 Kilogramm Stickstoff pro Hektar und Jahr.</p> <strong> Saldo der landwirtschaftlichen Stickstoff-Gesamtbilanz in Bezug auf die landwirtschaftlich ... </strong> <p>* jährlicher Überschuss bezogen auf das letzte Jahr des 5-Jahres-Zeitraums (aus gerundeten Jahreswerten berechnet)<br> ** 1990: Daten zum Teil unsicher, nur eingeschränkt vergleichbar mit Folgejahren. 2023: Daten teilweise vorläufig<br> *** Ziel der Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung, bezogen auf das 5-Jahres-Mittel des Zeitraums 2026 - 2030</p> Quelle: <p>Bundesministerium für Landwirtschaft, Ernährung und Heimat 2025</p> Downloads: <ul> <li><a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/384/bilder/dateien/DE_Indikator_AGRI-01_Stickstoffueberschuss-Landwirt_2026-03-05_0.pdf">Diagramm als PDF (99,24 kB)</a></li> <li><a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/384/bilder/dateien/DE-EN_Indikator_AGRI-01_Stickstoffueberschuss-Landwirt_2026-03-05_1.xlsx">Diagramm als Excel mit Daten (90,90 kB)</a></li> </ul> </p><p> <p>Die Stickstoff-Gesamtbilanz setzt sich zusammen aus den Komponenten Flächenbilanz (Bilanzierung der Pflanzen- bzw. Bodenproduktion), Stallbilanz (Bilanzierung der tierischen Erzeugung) und der Biogasbilanz (Bilanzierung der Erzeugung von Biogas in landwirtschaftlichen Biogasanlagen). Der Stickstoffüberschuss der Gesamtbilanz ergibt sich aus der Differenz von Stickstoffzufuhr in und Stickstoffabfuhr aus dem gesamten Sektor Landwirtschaft (siehe Schaubild „Schema der Stickstoff-Gesamtbilanz der Landwirtschaft“). Der <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/indikator">Indikator</a> wird vom Institut für Pflanzenbau und Bodenkunde des Julius-Kühn-Instituts und dem Umweltbundesamt berechnet und jährlich vom BMLEH veröffentlicht (siehe&nbsp;<a href="https://www.bmel-statistik.de/fileadmin/daten/0111260-0000.xlsx">BMLEH, Tabellen zur Landwirtschaft, MBT-0111-260-0000</a>).&nbsp;</p> <p>Der Stickstoffüberschuss der Gesamtbilanz ist als mittlerer Überschuss aller landwirtschaftlicher Betriebe in Deutschland zu interpretieren.&nbsp;Regional unterscheiden sich die Überschüsse jedoch teilweise stark voneinander. Grund dafür sind vorrangig unterschiedliche Viehbesatzdichten und daraus resultierende Differenzen beim Anfall von Wirtschaftsdünger. Um durch <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/witterung">Witterung</a> und Düngerpreis verursachte jährliche Schwankungen auszugleichen wird ein gleitendes 5-Jahresmittel errechnet.</p> <a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/384/bilder/3_schaubild_schema-n-gesamtbilanz_0.png"> </a> <strong> Schema der Stickstoff-Gesamtbilanz der Landwirtschaft </strong> Quelle: verändert nach Häußermann Downloads: <ul> <li><a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/384/bilder/dateien/3_schaubild_schema-n-gesamtbilanz_0.pdf">Schaubild als PDF (47,21 kB)</a></li> </ul> </p><p> <p>Die Ergebnisse der Bilanzierung zeigen einen deutlich abnehmenden Trend bei den Stickstoffüberschüssen über die gesamte Zeitreihe (siehe Abb. „Saldo der landwirtschaftlichen Stickstoff-Gesamtbilanz in Bezug auf die landwirtschaftlich genutzte Fläche“). Im Zeitraum 1994 bis 2023 ist der Stickstoffüberschuss im gleitenden 5-Jahresmittel von 117 Kilogramm Stickstoff pro Hektar landwirtschaftlich genutzter Fläche und Jahr (kg N/ha*a) auf 70 kg N/ha*a gesunken. Das entspricht einem jährlichen Rückgang von über 1 % sowie einem Rückgang über die Zeit um 40 %. Die Reduktion des Stickstoffüberschusses zu Beginn der 1990er Jahre ist größtenteils auf den Abbau der Tierbestände in den östlichen Bundesländern zurückzuführen. Der durchschnittliche Rückgang des Stickstoffüberschusses über die gesamte Zeit von 1994 bis 2023 beruht auf einem effizienteren Einsatz von Stickstoff-Düngemitteln, Ertragssteigerungen in der Pflanzenproduktion, höhere Futterverwertung bei Nutztieren und gesunkenen Tierzahlen.&nbsp;Seit 2015 ist der Überschuss besonders stark zurückgegangen. Der wesentliche Treiber dieses Rückgangs ist der deutlich verminderte Einsatz von Mineraldüngern. Dies ist u.a. auf eine verschärfte Düngegesetzgebung, der beschleunigten Einführung emissionsarmer Ausbringungstechnologien, mehrerer Dürrejahre und höherer Düngemittelpreise nach dem Angriffskrieg auf die Ukraine zurückzuführen.&nbsp;</p> <p>Im Jahr 2016 wurde in der&nbsp;<a href="https://www.bundesregierung.de/resource/blob/992814/2335292/3962877378d74837d4f4c611749b6172/2025-05-13-dns-2025-data.pdf">Deutschen Nachhaltigkeitsstrategie</a> der Bundesregierung (BReg 2016) ein Zielwert von 70 kg N/ha*a für das gleitende 5-Jahresmittel von 2028-2032 verankert. Mit der <a href="https://www.bundesregierung.de/resource/blob/976072/2335292/c4471db32df421a65f13f9db3b5432ba/2025-02-17-dns-2025-data.pdf?download=1">Weiterentwicklung</a> der Strategie in 2025 wurde der Zeitraum für die Zielerreichung auf die Jahre 2026 bis 2030 vorgezogen.&nbsp;</p> </p><p> Bewertung der Entwicklung <p>Das Ziel der Deutschen Nachhaltigkeitsstrategie wird mit Veröffentlichung des Bilanzjahres 2023 erstmalig erreicht, was einen großen Erfolg darstellt. Allerdings bedeutet dies nicht, dass es keiner weiteren Anstrengungen mehr Bedarf, die Stickstoffeinträge in die Umwelt weiter zu reduzieren oder auch dass die Überschüsse in den kommenden Jahren auf dem Niveau bleiben werden. Vielmehr ist dies als ein Teilziel zu betrachten, auf dem Weg Umwelt, Gesundheit und <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/klima">Klima</a> insgesamt vor zu hohen Stickstoffeinträgen zu schützen.&nbsp;Besonders im Hinblick auf die Umweltziele zur Verringerung der Nitratbelastung des Grundwassers - aufgrund seiner großen Bedeutung als Trinkwasserressource -, zur Minderung des Stickstoffeintrags in Nord- und Ostsee sowie zur Begrenzung der <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/eutrophierung">Eutrophierung</a> aquatischer und terrestrischer Ökosysteme ist das Ziel von 70 kg Stickstoff pro Hektar nicht ausreichend. Denn hier kommt es weniger auf den durchschnittlichen nationalen Stickstoffüberschuss, sondern viel mehr auf die regionale Verteilung der&nbsp;Stickstoffüberschüsse an. Einen&nbsp;Überblick über die Verteilung der Überschüsse liefert <a href="https://gis.uba.de/maps/resources/apps/lu_nflaechenbilanzueberschuss/index.html?lang=de&amp;vm=2D&amp;s=9193427.02702703&amp;r=0&amp;bm=tpol&amp;c=1150000%2C6683301.2629420925&amp;l=nfbue_daten%2C%7E18b29039bd5-layer-2%28-2%2C-3%2C-4%2C-5%2C-6%29">die Karte zu den regionalen N-Flächenbilanzüberschüssen</a>.&nbsp;</p> </p><p> Stickstoffzufuhr und Stickstoffabfuhr in der Landwirtschaft <p>Die Stickstoffzufuhr in der landwirtschaftlichen Gesamtbilanz setzt sich aus mehreren Quellen zusammen. Dazu zählen vor allem Mineraldünger, importierte Wirtschaftsdünger, Kompost und Klärschlamm, die Stickstoffdeposition aus der Luft, die biologische Stickstoffbindung durch <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/leguminosen">Leguminosen</a>, Co-Substrate für die Bioenergieproduktion sowie Futtermittelimporte. Die Stickstoffabfuhr erfolgt über pflanzliche und tierische Marktprodukte.</p> <p>Zwischen 1990 und 2023 lag die durchschnittliche Stickstoffzufuhr bei 186 kg N/ha*a. Sie erreichte 1990 mit 209 kg N/ha*a ihren Höchstwert und sank bis 2023 auf ein Minimum von 143 kg N/ha*a. Bis 2017 blieb die Zufuhr weitgehend konstant, in den letzten sechs Jahren ging sie jedoch deutlich um durchschnittlich 8 kg N/ha*a zurück. Die Stickstoffabfuhr betrug im gesamten Zeitraum durchschnittlich 87 kg N/ha*a. Sie stieg bis 2017 kontinuierlich auf 98 kg N/ha*a an und ist seitdem leicht rückläufig. Aktuell liegt sie bei 89 kg N/ha*a. Durch den stärkeren Rückgang der Zufuhr im Vergleich zur Abfuhr hat sich der Stickstoffüberschuss deutlich verringert (siehe Abb. „Zu-und Abfuhr der landwirtschaftlichen Stickstoff-Gesamtbilanz, 1990-2023“).</p> <p>Im Jahr 2023 stammten 42 % der <u>Stickstoffzufuhr</u> aus Mineraldüngern, 24 % aus inländischem Tierfutter und 15 % aus Futtermittelimporten. Weitere Beiträge kamen aus der biologischen Stickstofffixierung von Leguminosen (10 %), aus atmosphärischer <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/deposition">Deposition</a> (3 %), aus Co-Substraten für die Biogasproduktion (2 %) sowie aus Saat- und Pflanzgut (1 %). Wirtschaftsdünger und betriebseigene Futtermittel werden in der Flächenbilanz, nicht jedoch in der Gesamtbilanz berücksichtigt (siehe Abb. „Stickstoff-Zufuhr zur landwirtschaftlichen Stickstoff-Gesamtbilanz in 2023“).</p> <p>Die <u>Stickstoffabfuhr</u> erfolgte 2023 zu 68 % über pflanzliche Marktprodukte und zu 32 % über Fleisch, Schlachtabfälle und andere tierische Produkte (siehe Abb. „Stickstoff-Abfuhr aus der landwirtschaftlichen Stickstoff-Gesamtbilanz in 2023“).</p> <a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/image/4_Abb_N-Zu-und_Abfuhren_Zeitreihe_2026-03-05.png"> </a> <strong> Zu-und Abfuhr der landwirtschaftlichen Stickstoff-Gesamtbilanz, 1990-2023 </strong> Quelle: Bundesministerium für Landwirtschaft / Ernährung und Heimat <a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/image/4_Abb_N-Zu-und_Abfuhren_Zeitreihe_2026-03-05.png">Bild herunterladen</a> (279,67 kB) <a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/384/bilder/dateien/4_Abb_N-Zu-und_Abfuhren_Zeitreihe_2026-03-05.pdf">Diagramm als PDF</a> (57,58 kB) <a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/384/bilder/dateien/4_Abb_N-Zu-und_Abfuhren_Zeitreihe_2026-03-05.xlsx">Diagramm als Excel mit Daten</a> (757,93 kB) <a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/image/5_Abb_N-Zufuhren_Anteile_2026-03-05.png"> </a> <strong> Stickstoff-Zufuhr zur landwirtschaftlichen Stickstoff-Gesamtbilanz in 2023 </strong> Quelle: Bundesministerium für Landwirtschaft / Ernährung und Heimat <a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/image/5_Abb_N-Zufuhren_Anteile_2026-03-05.png">Bild herunterladen</a> (119,91 kB) <a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/384/bilder/dateien/5_Abb_N-Zufuhren_Anteile_2026-03-05.pdf">Diagramm als PDF</a> (36,68 kB) <a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/384/bilder/dateien/5_Abb_N-Zufuhren_Anteile_2026-03-05.xlsx">Diagramm als Excel mit Daten</a> (746,79 kB) <a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/image/6_Abb_N-Abfuhren_Anteile_2026-03-05.png"> </a> <strong> Stickstoff-Abfuhr aus der landwirtschaftlichen Stickstoff-Gesamtbilanz in 2023 </strong> Quelle: Bundesministerium für Landwirtschaft / Ernährung und Heimat <a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/image/6_Abb_N-Abfuhren_Anteile_2026-03-05.png">Bild herunterladen</a> (88,19 kB) <a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/384/bilder/dateien/6_Abb_N-Abfuhren_Anteile_2026-03-05.pdf">Diagramm als PDF</a> (34,71 kB) <a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/384/bilder/dateien/6_Abb_N-Abfuhren_Anteile_2026-03-05.xlsx">Diagramm als Excel mit Daten</a> (746,41 kB) Weiter <i> </i> Vorherige <i> </i> </p><p> Maßnahmen zur Verringerung der Überschüsse <p>Um den Stickstoffüberschuss weiter zu verringern und die damit verbundenen Umweltziele zu <a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/umweltindikatoren/indikator-nitrat-im-grundwasser">Nitrat im Grundwasser</a>, <a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/umweltindikatoren/indikator-eutrophierung-durch-stickstoff">Eutrophierung von Ökosystemen</a>, <a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/umweltindikatoren/indikator-eutrophierung-der-meere">Stickstoffeinträge in Küstengewässer</a> und <a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/umweltindikatoren/indikator-emission-von-luftschadstoffen">Emissionen von Luftschadstoffen</a> zu erreichen, sollten die Stickstoffzufuhr in der Landwirtschaft weiter reduziert und der eingesetzte Stickstoff effizienter genutzt werden. Die Voraussetzung dafür ist ein möglichst geschlossener Stickstoffkreislauf. Um dies zu erreichen müssen Maßnahmen umgesetzt werden, die dazu führen, dass die Anwendung von Mineraldünger reduziert wird, importierte Futtermittel durch heimische ersetzt werden und die Anzahl von Nutztieren reduziert und gleichmäßiger auf die landwirtschaftliche Fläche verteilt wird. Zudem sollte die Effizienz der Stickstoffnutzung durch weitere Optimierungen des betrieblichen Nährstoffmanagements, wie standortangepasste Bewirtschaftungsmaßnahmen, geeignete Nutzpflanzensorten und passende, vielfältige Fruchtfolgen verbessert werden.&nbsp;</p> </p><p> Die Düngeverordnung <p>Die <a href="http://www.gesetze-im-internet.de/d_v_2017/index.html">Düngeverordnung</a> definiert „die gute fachliche Praxis der Düngung“ und gibt vor, wie die mit der Düngung verbundenen Risiken zu minimieren sind. Sie wurde 2017 und 2020 umfassend&nbsp;novelliert um Strafzahlungen als Folge des Urteils des EuGHs gegen Deutschland wegen Verletzung der EU-Nitratrichtlinie zu verhindern. Dieses Ziel wurde vorerst erreicht. Die kurzfristige Wirkung der Maßnahmen der Düngeverordnung soll zukünftig im Rahmen eines Wirkungsmonitorings geprüft werden, um eine schnelle Nachsteuerung von Maßnahmen vor allem in den mit Nitrat belasteten und von <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/eutrophierung">Eutrophierung</a> betroffenen Gebieten zu erreichen. Informationen zu den Novellierungen finden sich&nbsp;<a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/wasser/grundwasser/nutzung-belastungen/faqs-zu-nitrat-im-grund-trinkwasser#was-ist-der-unterschied-zwischen-trinkwasser-rohwasser-und-grundwasser">hier</a>.</p> </p><p> </p><p>Informationen für...</p>

Forschergruppe (FOR) 2569: Agricultural Land Markets - Efficiency and Regulation, Teilprojekt: Landnutzungsverhalten von Landwirten unter verschiedenen institutionellen Rahmenbedingungen

Das Projekt untersucht den Einfluss institutioneller Faktoren auf das Landnutzungsverhaltens von Landwirten. Dabei konzentrieren wir uns auf den Einfluss von Eigentumsrechten und Agrarumweltprogrammen (AUP) auf das Verhalten bezüglich Bodenschutz. Aus ökonomischer Sicht führt Pacht verglichen mit Landbesitz zu ineffizienter Ressourcennutzung und Verringerung der Bodenqualität. Erklärt kann dies durch die sich daraus ergebenden, unterschiedlichen Planungshorizonte werden. Da der Pachtanteile in vielen EU-Ländern sehr hoch ist, erscheint es wichtig, den Einfluss des Landbesitzes auf das Landnutzungsverhalten zu verstehen. AUP können als ein Mittel zur Beseitigung der negativen Effekte unsichere Eigentumsverhältnisse gesehen werden. Institution und ökonomische Überlegungen sind wichtige Einflussfaktoren für die Entscheidungen der Landwirt, aber soziale Normen, Überzeugungen und Werte beeinflussen ebenfalls ihre Motivation und ihr Verhalten. Deshalb wenden wir sowohl ökonomische als auch sozialpsychologische Theorien und Modelle in vier Arbeitspaketen (AP) an. AP1 (Analyse des Einflusses von Eigentumsrechten auf das ) erforscht, ob Landwirte auf gepachtetem Land eher erosionsanfällige Pflanzen anbauen und weniger Fruchtfolge durchführen als auf eigenem Land. Außerdem untersuchen wir den Zusammenhang zwischen den Eigentumsverhältnissen und der Teilnahme an AUP. In AP2 (Ökonomische Effizienz und Umwelteffizienz von landwirtschaftlichen Haushalten) verbinden wir ein Haushaltsproduktionsmodell mit stochastischen Produktionsfunktionen. Wir verwenden diesen neuartigen Ansatz um den Zusammenhang zwischen ökonomischer Effizienz und Umwelteffizienz und ihre Abhängigkeit von Landbesitz und Teilnahme an AUP zu offenbaren. In AP3 (Sozialpsychologische Analyse des Landnutzungsverhaltens der Landwirte) verwenden wir explorative Interviews und eine Befragung von Landwirten, so wie das sozialpsychologische Modell der Mensch-Natur-Beziehungen, um zu verstehen, wie formale und informelle Institutionen die Motivation der Landwirte für die Bodenerhaltung beeinflussen. In WP4 (Konzeptionelles Modell des institutionell geformten Landnutzungsverhaltens und Landbewirtschaftungstypen) verwenden wir die Ergebnisse aus AP1 - AP3, um verschiedene Landbewirtschaftungstypen zu identifizieren. Die wichtigsten Beiträge unserer Forschungsarbeit sind: i.) unser integrative Ansatz der ökonomischen und sozialpsychologischen Modelle kombiniert; ii) die Adaption der Messung von Umwelteffizienz für die Entscheidungssituation landwirtschaftlicher Familienbetriebe; iii.) die erstmalige Anwendung des Modells der Mensch-Natur-Beziehungen im Zusammenhang mit Landnutzungsverhalten von Landwirten; iv.) alles basierend auf der Verwendung zweier außergewöhnlicher Datensätze: ein bundesweiter, mehrjähriger Datensatz auf Flurstück-Ebene und landwirtschaftliche Buchführungsdaten verknüpft mit sozialpsychologischen Umfragedaten.

Funktionelle Differenzierung von arbuskulären Mykorrhizapilzen im Ober- vs. Unterboden: beherbergen Unterböden Eigenschaften zur Nährstoffgewinnung, die eine nachhaltige Landwirtschaft unterstützen?

Monokulturen und ineffiziente Ressourcennutzung, begleitet von Bodendegradation und Verlust der biologischen Vielfalt in konventionell bewirtschafteten Agrarsystemen, stellen eine Herausforderung für eine stabile Nahrungsmittelproduktion dar. Um die Nahrungsmittelproduktion zu sichern, ohne die Gesundheit und Funktionalität der Agrarökosysteme (weiter) zu gefährden, sind nachhaltige Strategien erforderlich. Arbuskuläre Mykorrhizapilze (AMF) sind die am weitesten verbreiteten Symbionten unter den Nutzpflanzen. Die meisten Studien zum Nutzen der AMF für die Pflanzenproduktion konzentrieren sich jedoch auf den Oberboden, d. h. die dünne Pflugschicht in konventionell bewirtschafteten Systemen. Das Potenzial von AMF in Unterböden (d.h. dem Mineralboden unterhalb der Pflugschicht) wird nur selten untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass Unterböden spezifische AMF-Arten beherbergen können, von denen man annimmt, dass sie sich in ihren Eigenschaften und Funktionalität von den Arten im Oberbodens unterscheiden. Das Hauptziel dieses Projekts ist eine funktionelle Differenzierung der AMF-Gemeinschaften im Ober- und Unterboden hinsichtlich ihrer Strategien zur Nährstoffakquise und -allokation. Das Projekt zielt auf die Beantwortung der Frage ab, (i) ob Unterböden AMF-Gemeinschaften mit funktionellen Eigenschaften beherbergen, die sich von denen der AMF-Gemeinschaften im Oberbodens unterscheiden oder sogar vielfältiger sind, und (ii) ob diese Eigenschaften für eine nachhaltige Bewirtschaftung von Nutzen sein können. Die DNA Amplikon Sequenzierung und Metatranskriptomanalyse von AMF-Gemeinschaften, die mit Pflanzen verschiedener funktioneller Pflanzengruppen assoziiert sind, erlaubt eine erste Bewertung der funktionellen Vielfalt von AMF Unterbodengemeinschaften. Dies beruht auf der Annahme einer merkmalsbasierten Partnerwahl zwischen Pflanze und Pilz. Zur weiteren funktionellen Charakterisierung wird die Aufnahme und der Transfer von leicht verfügbarem N und K durch AMF Gemeinschaften mit Hilfe von 15N-angereicherten Verbindungen sowie Spurenelementen untersucht, die bei der Nährstoffaufnahme als K-Analoga agieren. Die Anregung der N- und P-Mobilisierung aus organischem Material durch AMF-Gemeinschaften wird unter Verwendung von zweifach isotopisch markiertem (15N, 33P) Pflanzenbiomasse untersucht. Durch 13CO2-Pulsmarkierung der Wirtspflanzen wird die Kohlenstoffallokation der Pflanzen in verschiedene AMF-Gemeinschaften analysiert. Dadurch sollen Erkenntnisse über das Potenzial von Unterböden als Reservoir für funktionell vielfältige AMF-Gemeinschaften und deren Potenzial zur Verbesserung der Nährstoffverwertung in Agrarsystemen gewonnen werden. Das Projekt wird damit zur Klärung der Frage beitragen, ob eine angemessene Bewirtschaftung des Unterbodens geeignet ist, die funktionelle Vielfalt von AMF oder sogar gezielt bestimmte funktionelle Eigenschaften von AMF in landwirtschaftlichen Systemen zu fördern, um die Nahrungsmittelproduktion zu stabilisieren.

Einfluss des Nitrat- und Chloridgehaltes im Boden auf die Transpiration von Kulturpflanzen

Die Landwirtschaft steht in vielen Teilen Europas vor zwei großen Herausforderungen: Die zunehmende Verknappung des verfügbaren Bodenwassers und eine gleichzeitige Stickstoffreduktion, als Maßnahme die eine Verunreinigung des Grund- und Oberflächenwassers durch Nitrate verhindern soll. Beide Herausforderungen stehen in Wechselwirkung, da eine geringe Verfügbarkeit von Bodenwasser zum einen die Transpiration und die Massenfluss-getriebene Aufnahme von Nährstoffen wie Nitrat (NO3-) und Chlorid (Cl-) verringert. Im Gegenzug hat sich gezeigt, dass die Aufnahme, d. h. das Vorhandensein von NO3- und Cl- im Blatt, die stomatären Bewegungen beeinflussen und somit wiederum einen wichtigen Einfluss auf den Wasserverbrauch der Pflanzen haben. In dem geplanten Projekt soll die Beziehung zwischen dem NO3--zu-Cl--Verhältnis im Boden und der stomatären Bewegung an zwei Kulturpflanzen untersucht werden; der dikotylen Ackerbohne und dem Getreide Gerste. Beide Kulturen unterscheiden sich vermutlich hinsichtlich einer Abhängigkeit von NO3- und Cl- für die Regulierung der stomatären Leitfähigkeit, da der stomatäre Schluss in Gerste von apoplastischem NO3- abhängt, während diese Abhängigkeit bei dikotylen Pflanzen nicht gefunden wurde. Darüber hinaus ist nicht bekannt, ob Gersten- oder Ackerbohnenschließzellen die Aufnahme von NO3- gegenüber Cl- bevorzugen, um die stomatäre Öffnung voranzutreiben. Das Projekt soll den Einfluss des NO3--zu-Cl--Verhältnisses im Boden auf die Stomata in vier Arbeitspaketen (APs) untersuchen, in deren Umfang Versuche auf den Organisationsebenen der Gesamtpflanzen (AP1), von Organ-/Gewebeebene (AP2), auf Einzelzellebene (AP3) und abschließend an individuellen Transportproteinen (AP4) durchgeführt werden sollen. Im AP1 werden verschiedene NO3--zu-Cl--Verhältnisse im Boden mit der Fähigkeit unserer Modellpflanzen, die Stomata sowie die Hydratisierung des Blattes zu regulieren, in Beziehung gesetzt. In AP2 werden wir untersuchen, inwieweit unterschiedliche NO3--zu-Cl--Verhältnissen im Boden die Ionen-, Metaboliten- und Hormonkonzentration (ABA) im Blattapoplasten und im Schließzellsymplasten beeinflussen, während AP3 zeigen soll, in welchem Maße das Anionenangebot (NO3-, Cl-) die stomatären Bewegungen beeinflusst. Im Zuge dessen soll geprüft werden, ob Schließzellen der Ackerbohne und Gerste NO3- oder Cl- für die osmotischen Prozesse bevorzugen, die die stomatären Bewegungen antreiben. Schließlich werden wir uns im WP4 auf die Rolle von NPF-Transportern für der Aufnahme von NO3- und Cl- in Schließzellen sowie auf die Rolle der SLAC1-ähnlichen Anionenkanäle, die diese Anionen wieder aus den Schließzellen herausschleusen können, konzentrieren. Obgleich gezeigt wurde, dass SLAC1-ähnliche Kanäle eine wichtige Rolle bei der Regulation der stomatären Bewegungen spielen, gibt es nur wenige Informationen über die Bedeutung einer NPF-vermittelten Aufnahme von NO3- und Cl- in die Schließzellen.

Aquaponics optimization in a local climatic, economic and cultural context: maximizing the benefits of a circular bioeconomy for food production

Sustainable food production depends on the recovery of water, energy, and nutrients from waste streams within existing supply chains. Greenhouse hydroponic systems (HYP) and recirculating aquaculture systems (RAS) are two intensive food production systems that in combined production as an aquaponics system (AP) can utilize fish wastes as fertilizers, while recycling water and energy to increase both systems' sustainability and efficiency. However, despite significant environmental benefits, such systems current infrastructure costs limit widespread application. Implementing relevant technology for such resource-efficient systems requires designs that can optimize performance. AquapnicsOpti contributes to innovative, decarbonized, and resource-efficient food production systems by improving nutrient reuse, increasing energy efficiency and reducing fossil fuel dependence, reducing freshwater needs, and developing scalable models for improving microbial relationships for fish and plant health. In direct collaboration with stakeholders, we will analyze design aspects, business models and consumer preferences, while also carefully examining barriers and economic challenges of AP facilities in different countries. The consortium will take a holistic approach in the context of agroecology to evaluate AP operations in diverse geo-climatic zones and document how adaptations of their technologies and practices can better support local and regional food production. Relevant technology for such resource-efficient systems requires designs that explore and quantify multifactor interactions of biological components to maintain or enhance productivity beyond the capabilities of current AP systems. Scientific testing of microbial digester designs aims to maximise decomposition of fish wastes and provide plant crops with essential nutrients in bioavailable forms. Development and integration of smart biosensors to automatically collect water quality data and automate systems will facilitate operational monitoring and controls that are currently labour-intensive and not always timely. Design innovations will consider existing fish-plant AP pairs but evaluate and test the potential of other culturally acceptable species that would have production and marketing appeal. Simulations of operational conditions will be used to compare and contrast situational variables for AP stakeholder operators to consider, and for design engineers to optimise before modifications are implemented. Integral to this research, we will analyze a broad range of quantitative and qualitative data about stakeholder attitudes, regulatory policies and socio-economic conditions within the diverse geo-climatic zones represented among our project partners. Six research work packages (WP) emphasise integration across disciplinary lines, and the seventh WP ensures that sustained communications among them results in interdisciplinary deliverables and dissemination.

Forschergruppe (FOR) 1501: Resilience, Collapse and Reorganisation in Social-Ecological Systems of East- and South Africa's Savannahs, Vulnerability and Resilience of Rangeland Vegetation as Affected by Livestock Management, Soils and Climate

The vegetation of East and South African savannahs has been shaped by the complex interaction of geo-biophysical processes and human impact. For both regions a controversial discussion is pertinent, as to whether massive degradation threatens the sustainability of livelihoods in these regions. Rangeland vegetation is mainly affected by environmental conditions (soil and climate) and by livestock management. Extent and interaction of these drivers are not well understood but have profound impacts on the resilience and vulnerability of these systems to be shifted toward unfavourable degraded or bush encroached states. The project aims to analyse and model rangeland vegetation in response to range management including livestock, soil quality and climatic conditions and to assess the impacts of changes in these conditions on the resilience and vulnerability of rangeland systems. Field measurements, remote sensing of vegetation patterns and dynamics and simulation modelling will be used to understand the dynamics of rangeland vegetation. We will use the 'fast' or 'state' variables potential of pastures to produce palatable biomass, the variability of this production, and the system's potential to recover from disturbance impact as indicators of resilience. 'slow' variables that control (or drive) the 'fast' variables such as management, climate and soil variables are recorded in cooperation with other subprojects as with A1 for soil variables. Results of the project will show which management activities are most favourable for individual regions to sustain plant production in the long term.

Eignung von Phragmites als nachwachsender Rohstoff

Die oekologische Versuchsfarm des Instituts fuer Oekologie der Pflanzen im ariden Suedwesten Afrikas wird von einem Salzfluss durchschnitten, dessen Flussbett und Flussufer auf ca 10 km Laenge und 200 m Breite von dichten Phragmites-Bestaenden bewachsen wird. An diesen Bestaenden werden produktionsbiologische Untersuchungen durchgefuehrt mit dem Ziel, die Eignung von Phragmites australis als nachwachsender Rohstoff zu charakterisieren.

Chemischer Mitteleinsatz im Pflanzenbau

Die modernen Fruchtfolgeforschung am Institut hat sowohl die Schwaechen hackfruchtintensiver als auch getreidereicher Anbausysteme deutlich werden lassen. Bei intensiver mineralischer und organischer Duengung sowie entsprechender Bodenbearbeitung ist es in beiden Systemen moeglich, den Fruchtbarkeitszustand des Bodens auf ein hohes Niveau anzuheben. Die entsprechende Transformation in Leistung bzw. Ertrag bleibt vielfach aus, da sie durch tierische und pilzliche Schaderreger unterbrochen bzw. verhindert wird. Diesen Engpass zu vermeiden, werden in den Faellen, in denen eine Sanierung mit Acker- und Pflanzenbaulichen Massnahmen nicht moeglich ist, in den hackfruchtbetonten Fruchtfolgen Nematizide, in den Getreidefolgen systemische Fungizide in verschiedenen Konzentrationen eingesetzt. Der artspezifischen Verunkrautung wird durch Herbizide auf neuer Wirkstoffbasis begegnet.

Die Wirkung von Muellkompost auf landwirtschaftlich genutzte Flaechen

In einem Feldversuch wurden unterschiedliche Mengen und Arten von Muellkompost angewendet. In regelmaessigen Abstaenden wird der Einfluss dieser Materialien auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Bodens ermittelt, gleichzeitig werden Ertragsfeststellungen durchgefuehrt.

Fruchtfolge und integrierter Pflanzenschutz

Die langjaehrigen Fruchtfolgeversuche werden fortgesetzt. Der Schwerpunkt liegt in dem Einfluss eines hohen Anteils von Getreide und insbesondere von Weizen und Gerste in der Fruchtfolge unter Beruecksichtigung der auftretenden Fusskrankheiten. Eine Zwischenauswertung des 'Monokulturversuches' in Giessen steht vor dem Abschluss.

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