Umweltwirkungen und langfristige Ertragsfähigkeit im Ackerbau in Abhängigkeit von Fruchtfolge und Pflanzenschutzmittelanwendung

Environmental effects and long-term productivity of arable farming affected by crop rotation and strategy of pesticide use

Die weltweite Nachfrage nach landwirtschaftlichen Produkten für Ernährung, Fütterung und erneuerbare Energien nimmt stetig zu, währenddessen die Verfüg­barkeit von landwirtschaftlichen Nutzflächen und fossiler Energie begrenzt ist (Kelm et al., 2003). Demzufolge kann eine Erhöhung der landwirtschaftlichen Produktion nur durch eine gesteigerte Produktivität erreicht werden (Alexandratos, 1995). Nachhaltige Anbausysteme müssen daher hohe Ertragsleistungen erbringen und gleichzeitig die mit der Produktion in Verbindung stehenden Umweltwirkungen minimieren. In diesem Zusammenhang ist die langfristige Erhaltung der Ertragsfähigkeit eines Standorts für eine nachhaltige Landnutzung von grundlegender Bedeutung (Christen, 1996; Bindraban et al., 2000).

Zur Beurteilung von Umweltwirkungen werden aus­sagekräftige und reproduzierbare Indikatoren benötigt, die sowohl den aktuellen Status eines landwirtschaft­lichen Systems als auch dessen Entwicklung in einem bestimmten Zeitraum darstellen. Pacini et al. (2003) sind zudem der Meinung, dass derartige Indikatoren einen direkten Bezug zu Managemententscheidungen des Landwirts aufweisen sollten. Energie- und Stick­stoffeffizienz sowie die Bewertung der Pflanzenschutz­intensität sind hierbei zentrale Indikatoren im Hinblick auf die Beurteilung der Nachhaltigkeit der Landwirtschaft (Kristensen und Halberg, 1997). Die Energieeffi­zienz kann als integrierender Indikator angesehen werden, da diese eine enge Korrelation zu anderen abiotischen Umweltindikatoren aufweist (Heissenhuber, 1999; Hülsbergen et al., 2001). So ist der Einsatz fossiler Energie direkt mit dem Ausstoß von Kohlendioxid korreliert (Dyer and Desjardin, 2003; Tzilivakis et al., 2005).

Der Bilanzüberschuss an Stickstoff (N) bzw. der N-Saldo wird häufig genutzt, um das Risiko der Nitratauswaschung von Ackerflächen zu bewerten (Lord et al., 2002; Salo und Turtola, 2006), wenngleich Sieling und Kage (2006) berichten, dass es in kurzfristigen Betrachtungen häufig keine lineare Beziehung zwischen N-Saldo und Nitratauswaschung gibt. Bei der Auswertung längerfristiger Untersuchungen kann der N-Saldo jedoch als geeigneter Indikator zur Bewertung des N-Verlustpotentials unterschiedlicher Bewirtschaftungssysteme angesehen werden (Öborn et al., 2003).

Eine ausgeglichene Humusbilanz, bezogen auf die gegebenen Standort- und Klimabedingungen, ist eine Grundvoraussetzung zur Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit (Dalal et al., 1999). Eine ausreichende Humus­reproduktion verbessert zudem die Bodenstruktur, fördert die biologische Aktivität des Bodens und beschleunigt Umsetzungsprozesse (Hülsbergen, 2003). Neben seiner Filter- und Pufferfunktion ist die Speicherung von Kohlenstoff (C) und Pflanzennährstoffen wie N, Schwefel und Phosphor von höchster Bedeutung (Doran, 1992; Cole et al., 1997; Kirschbaum, 2000). Folglich bewirken Änderungen des Humusgehaltes im Boden wesentliche Veränderungen von C- und N-Flüssen im Boden, wodurch sich auch die spezifischen Emissionen des Treib­hausgases eines landwirtschaftlichen Systems deutlich verändern (Küstermann et al., 2008).

Ferner gilt die Biodiversität als wesentlicher Indikator zur Beurteilung des Ressourcenmanagements (Stinner et al., 1997). Diese kann aber häufig nur unzureichend in Feldversuchen bestimmt werden. Da der Einsatz von chemischen Pflanzenschutzmitteln in diesem Zusammenhang eine wesentliche Einflussgröße auf die Veränderung von Agrarökosystemen darstellt (Gutsche und Rossberg, 1997), kann daher die synoptische Bewertung des Pflanzenschutzmitteleinsatzes als geeigneter und repräsentativer Indikator zur Einschätzung des Risiko­potentials, welches direkt von der Applikation von Pflanzenschutzmitteln ausgeht, gelten.

Das Hauptziel der vorgestellten Studie ist zu unter­suchen, in welchem Umfang die Fruchtfolge und die Intensität der Pflanzenschutzmittelanwendung die Ertragsfähigkeit und die Umweltwirkungen des Pflanzenbaus beeinflussen. Durch die Beurteilung der Ressourceneffi­zienz anhand der beschriebenen Indikatoren ist sowohl die Einschätzung der Effizienz der untersuchten Bewirtschaftungssysteme als auch der möglichen Beeinträchtigungen der Umwelt gewährleistet.

Langzeiteffekte von Bewirtschaftungsverfahren, die wesentliche Aspekte der Nachhaltigkeitsbewertung darstellen, können nur mit Hilfe von Dauerfeldversuchen gesichert beurteilt werden.

2 Material und Methoden

Daraus resultiert ein Boden, der im Mittel:

und einen pH-Wert von 5,8 aufweist. Die mittlere Bodenzahl beträgt 48.

Klima:

Als Referenzstationen für die durchschnittliche Jahrestemperatur wurde die meteorologische Station Potsdam genutzt, die für den Zeitraum 1971–2000 ein Jahres­mittel der Lufttemperatur von 9,0 ˚C aufweist.

Als Referenzstation für die durchschnittliche Jahresniederschlagssumme bieten sich die Messstellen

an.

Die eigenen Messungen auf dem Versuchsfeld weisen im Mittel von 1997–2009 für die Jahresdurchschnittstemperatur 9,5 ˚C und für die Jahresniederschlags­summe 587 mm aus.

Insgesamt betrachtet kann der Standort für etwa ein Drittel der Ackerfläche der neuen Bundesländer als repräsentativ gelten.

Der integrierte Pflanzenbau wurde im Rahmen

untersucht.

Als Prüffaktoren und Prüfglieder kamen zur Anwendung:

Als Versuchsanlage diente eine zweifaktorielle randomisierte Spaltanlage mit 4 Wiederholungen, wobei in der getreidebetonten Fruchtfolge infolge der dort vorhandenen höheren Bodenheterogenität ab 1998 zwei weitere Wiederholungen hinzukamen.

Im ausgewerteten Zeitraum (2003–2006) betrug die N-Düngung in Getreide ca. 100–120 kg N/ha und im Raps ca. 150 kg N/ha. Die ausführliche Standort- und Versuchsbeschreibung ist den Beiträgen Pallutt et al. und Jahn et al. in diesem Heft zu entnehmen.

Die Berechnungen, die in der vorgelegten Studie gezeigt werden, erfolgten mit Hilfe der Humuseinheiten (HE)-Methode nach Leithold et al. (1997). Bezugsmaßstab ist hierbei die „Humuseinheit“, die als 1t Humus mit 50 kg N und 580 kg C definiert ist. Die Bilanzparameter der HE-Methode wurden in Dauerfeldversuchen experimentell abgeleitet und validiert (Tab. 1).

Der Energieinput umfasst den direkten und indirekten Einsatz fossiler Energie. Beim Saatgut wird die für Herstellung, Lagerung und Transport notwendige fossile Energie in Ansatz gebracht. Zudem werden organische Dünger energetisch bewertet. Eingesetzte Betriebsmittel und Investitionsgüter werden über Energieäquivalente in den Primärenergieeinsatz für Produktion und Bereit­stellung umgerechnet (Tab. 2). Die Äquivalente sind dem technischen Fortschritt angepasst und beziehen sich auf moderne Produktionsanlagen.

Der Energieoutput entspricht dem physikalischen Brennwert der geernteten Biomasse und wird aus dem Trockenmasseertrag und den Inhaltsstoffen abgeleitet. Der Energiegewinn, die Energieintensität und das Output/Input-Verhältnis sind aus dem Energieinput, dem Getreideeinheiten (GE)-Ertrag und dem Energieoutput ermittelte Größen.

Risikopotentiale in Abhängigkeit der erfolgten Pflanzenschutzmaßnahmen werden in Form von Expositionsraten für die Toxizität angegeben. Hierzu werden Modellorganismen als Indikatoren, wie beispielsweise der Regenwurm für den Boden, die Biene für Saumbiotope sowie Daphnien, Algen und Fische für Oberflächen­gewässer, genutzt. Das potentielle Risiko wird sowohl für das aktuelle Risiko (ETR_akut) als auch für das chronische Risiko (ETR_chronisch) durch die jeweiligen Expositions­raten der Toxizität angegeben.

Für die Berechnungen wurde zugrunde gelegt, dass die gesetzlichen Vorgaben für die Pflanzenschutzmittelanwendung eingehalten wurden. Ferner wurde angenommen, dass die Schläge keine Drainagen haben und sich 1 m neben einem stehenden Gewässer von 1 m Breite und 0,3 m Tiefe befinden. Dies kann als eine Art Worst-case-Szenario angesehen werden, zumal in den Modellrechnungen simuliert wurde, dass nach jeder Pflanzenschutzapplikation eine Regenmenge von 30 mm fällt.

Im Durchschnitt wiesen alle geprüften Varianten positive Humussalden auf, d.h. dass die Humusreproduktion höher als der kalkulierte Humusbedarf war. Die Fruchtfolgen unterschieden sich nicht hinsichtlich des Humussaldos. Darüber hinaus konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen den Rotationen ‚FF 1’ und ‚FF 2’ im N-Saldo nachgewiesen werden. Demgegenüber übte die unterschiedliche Pflanzenschutzintensität einen statistisch belegbaren Einfluss auf die N-Bilanzen aus (vgl. Tab. 3).

Die geprüften Fruchtfolgen hatten einen signifikanten Einfluss auf den Energiegewinn und das Output/Input-Verhältnis, während die Pflanzenschutzintensität den GE-Ertrag und die N-Salden nachweisbar beeinflusste. Wechselwirkungen zwischen Fruchtfolge und Pflanzenschutzintensität konnten nicht bewiesen werden. Zudem waren die Unterschiede im Energieinput und in der Energieintensität zwischen den Fruchtfolgen ‚FF 1’ und ‚FF 2’ nur geringfügig. Allerdings waren der durchschnittliche Energiegewinn und das mittlere Output/Input-Verhältnis in ‚FF 2’ signifikant höher als in ‚FF 1’. Dies ist vor allem damit zu begründen, dass in ‚FF 2’ Getreidestroh geerntet wurde, dieses in ‚FF1’ jedoch auf dem Feld verblieb.

Nur geringfügige Unterschiede zwischen den Fruchtfolgen ‚FF 1’ und ‚FF 2’ wurden im Hinblick auf die potentielle Gefährdung von terrestrischen und aquatischen Organismen gefunden (Tab. 4). Die berechneten Werte für das akute und das chronische Risikopotential waren im Durchschnitt in der Variante ‚50 % HF’ niedriger als in der Stufe ‚100 % HF’.

Nach der Veränderung von Bewirtschaftungsmaßnahmen treten signifikante Effekte häufig erst nach einer Umstellungsphase auf. Dies betrifft vor allem durch die Bewirtschaftung oder unterschiedliche Unkrautbekämpfungsstrategien bedingte Veränderungen in der Unkrautpopulation (Pallutt und Grübner, 2004) sowie Veränderungen der Humus- oder der Bodennährstoffgehalte infolge unterschiedlicher Düngung (Persson und Kirchmann, 1994; Campbell et al., 2000). Die ausgewerteten Feldversuche in Dahnsdorf wurden 1995 angelegt, sodass nennenswerte Veränderungen durch unterschiedliche Unkrautbekämpfungsstrategien und damit verbundene Effekte auf den Ertrag bereits aufgetreten sind (vgl. Pallutt, 2002; Deike et al., 2006a; Deike et al., 2008b; Pallutt und Moll, 2008). Die Heterogenität des Standorts sowie die unterschiedlichen Fruchtarten, die angebaut wurden, führten zu deutlichen Schwankungen des GE-Ertrags und des Energieoutputs, welche nicht durch die geprüften Behandlungsstufen erklärt werden können. Durch die vergleichsweise geringe Wasserspeicherfähigkeit des Bodens ist das Ertragspotential des Standorts bei eintretender Vorsommertrockenheit hierdurch häufig deutlich stärker begrenzt als durch die mangelnde Bekämpfung von Krankheiten, Schädlingen oder Unkräutern. Dies war insbesondere im sehr trockenen Jahr 2003 der Fall.

C- und N-Flüsse in landwirtschaftlich genutzten Böden stehen in enger Beziehung zueinander und beeinflussen die Umweltwirkungen eines Bewirtschaftungssystems in hohem Maße. Humusabbau kann einen erhöhten Ausstoß an Kohlendioxid verursachen (Cole et al., 1997; Kirschbaum, 2000; Küstermann et al., 2008) und darüber hinaus die Nitratauswaschung vergrößern (Hansen et al., 2007). Andererseits kann infolge erhöhter Mineralisation durch zu hohe Bodenhumusgehalte das N-Verlustpotential im Boden ansteigen (Kirchmann, 1994). Eine ausreichende Humusreproduktion konnte sowohl in ‚FF 1’ als auch in ‚FF 2’ gewährleistet werden, obwohl beide Fruchtfolgen sehr unterschiedlich strukturiert sind. In der Marktfruchtfruchtfolge ‚FF 1’ ist die Humusreproduktion vor allem auf die Strohdüngung bei Getreide und Raps sowie den Anbau von Erbsen, welche als Leguminose humusmehrend wirken, zurückzuführen. Demgegenüber führt der Anbau von Silomais sowie die Abfuhr des gesamten Getreidestrohs in ‚FF 2’ zu einem erhöhten Humusbedarf. Anhand der Berechnungen kann allerdings geschlussfolgert werden, dass der vorhandene Humusreproduktionsbedarf durch den Luzerne/Klee/Gras-Anbau sowie die Applika­tion von Stallmist zum Silomais gedeckt werden konnte.

Mit der Studie konnte gezeigt werden, dass die Humusbilanz infolge der Veränderungen des Gehaltes an organisch gebundenem Stickstoff die N-Salden direkt beeinflusst. Dementsprechend wurden für ‚FF 1’ im Durchschnitt leicht niedrigere N-Salden berechnet als für ‚FF 2’. Durch die Ernte des Getreidestrohs in ‚FF 2’ war der Humusbedarf im entsprechenden Anbaujahr nicht gedeckt. In der genutzten Methodik zur N-Bilanzierung wurde dementsprechend veranschlagt, dass dadurch zusätzlicher Stickstoff aus dem Boden-Pool mineralisiert wurde. Diese N-Menge wird den N-Salden aufgeschlagen und erhöht folglich die mittleren N-Salden in ‚FF 2’. Ferner war die N-Effizienz und folglich der N-Saldo beim Maisanbau in ‚FF 2’ durch den Einsatz von Stallmist im Vergleich zu ‚FF 1’, wo ausschließlich mineralisch gedüngt wurde, verschlechtert. Die grundsätzlich schlechtere N-Effizienz beim Einsatz organischer Dünger verglichen mit mineralischen Düngemitteln wurde in zahlreichen Untersuchungen belegt (z.B. Smith und Chambers, 1992; Sieling, 2005). Demgegenüber wird die N-Effizienz durch die Vermeidung schaderregerbedingter Ertragsverluste im Vergleich zum Anbau ohne Pflanzenschutzmittelanwendung verbessert, sodass das N-Verlustpotential im Boden deutlich verringert wird (Deike et al., 2006a, 2007).

Die Effekte der unterschiedlichen Intensität der Pflanzenschutzmittelanwendung auf die potentielle Gefährdung von aquatischen und terrestrischen Organismen waren von geringer Bedeutung. Im Allgemeinen kann sowohl das akute als auch das chronische Risiko für die untersuchten Organismen bei beiden Behandlungsstufen der Pflanzenschutzintensität als gering eingeschätzt werden, zumal die Berechnungen unter Annahme eines Worst-case-Szenarios erfolgten (vgl. Kapitel 2.5). Dies trifft ebenso für die Mehrzahl der Pflanzenschutzmittelanwendungen in Ackerbaubetrieben zu, sofern die Grundsätze des Pflanzenschutzmittelrechts bzw. der Guten fachlichen Praxis eingehalten werden. Dies ist mit dem weitgehenden Verzicht auf die Anwendung hoch­toxischer Wirkstoffe und die vergleichsweise niedrigen Behandlungsfrequenzen zurückzuführen (Strassemeyer, persönliche Mitteilung). Wenngleich sich die berechneten Risikopotentiale überwiegend auf einem niedrigen Niveau befinden, konnten doch deutlich geringere Werte in der Behandlungsstufe ‚50 % HF’ im Vergleich zu ‚100 % HF’, da mit Ausnahme von Wachstumsregulatoren jeweils um 50 % reduzierte Pflanzenschutzmittelaufwandmengen im Vergleich zur Variante ‚100 % HF’ appliziert wurden.

Neben Dieselkraftstoff werden Dünge- und Pflanzenschutzmittel als wesentlichste Quellen des Energie­verbrauchs in der konventionellen Landwirtschaft angesehen (Wood et al., 2006). Insbesondere der Einsatz mineralischer N-Dünger stellt hierbei einen großen Anteil am gesamten Energieeinsatz dar (z.B. Kuesters und Lammel, 1999; Moerschner, 2000; Hülsbergen et al., 2001; Deike et al., 2008a). Dementsprechend unterstreichen sowohl Rathke et al. (2007) als auch Deike et al. (2008a) die große Bedeutung der N-Effizienz im Hinblick auf die Energieeffizienz im Ackerbau. Die in der vorgelegten Studie untersuchten Behandlungsstufen der Pflanzenschutzintensität beeinflussten den Energieinput nur in geringem Maße. In diesem Zusammenhang betonen Deike et al. (2008a), dass die Anwendung von Pflanzenschutzmitteln zwar von vergleichsweise geringer Bedeutung in Bezug auf den Energieinput ist, aber aufgrund der Erhöhung der Ernteerträge eine enorme Bedeutung für den Energieoutput hat. Frühere Unter­suchungen der Versuche in Dahnsdorf zeigten weiterhin, dass die Energieeffizienz, ausgedrückt durch die Indikatoren Energiegewinn und Energieintensität, bei situa­tionsbezogener Pflanzenschutzmittelanwendung signifikant höher war verglichen mit den Varianten ohne Pflanzenschutzmitteleinsatz (Deike et al., 2006b, 2007).

Generell scheint die Energieeffizienz ausgewogener Fruchtfolgen, die unterschiedliche Fruchtarten enthalten, höher zu sein als in einseitigen Fruchtfolgen. Hierbei führt vor allem die Integration von Leguminosen in die Fruchtfolge zu einer Erhöhung der Energieeffizienz (Franzluebbers und Francis, 1995; Li et al. 2002; Rathke et al., 2007). Die Ernte von Nebenprodukten wie beispielsweise Stroh in der Fruchtfolge ‚FF 2’ kann dazu beitragen, die Energiebilanz zahlreicher Bewirtschaftungssysteme zu erhöhen. Unter Beachtung der damit einhergehenden Umweltwirkungen sollte dieser Aspekt hinsichtlich der stetig steigenden Nachfrage für Biomasse zur Erzeugung regenerativer Energien berücksichtigt werden.