Intensität und Risiko des chemischen Pflanzenschutzes beim Anbau von Zuckerrüben, Silomais und Winterweizen in Fruchtfolgen

Intensity and risk of chemical pesticides when cultivating sugar beet, silage maize and winter wheat in crop rotations

Material und Methoden

In den Versuchen wurden die Parzellen jedoch stets ganzflächig appliziert. Pro Standort, Untersuchungsjahr und Kulturart wurde der Behandlungsindex der Wirk­bereiche Herbizide, Fungizide und Insektizide berechnet sowie zusätzlich für Zuckerrüben der Wirkbereich Mol­luskizide und für Winterweizen der Wirkbereich Wachstumsregler. Aus diesen Einzelwerten wurden sowohl der Behandlungsindex einer Kulturart (Summe aller Wirk­bereiche) als auch der gesamter Fruchtfolgen einschließlich Silomais im Daueranbau (3-jährige Summe aller Kulturarten einer Fruchtfolge) berechnet. Diese Summe wurde aus den Mittelwerten je Wirkbereich und Jahr errech­net, welche sich aus der Summe der Behandlungsindizes aller Fruchtfolgefelder je Jahr ergaben.

SYNOPS unterscheidet zwischen einem akuten und einem chronischem Risiko (Freier et al., 2015; Strassemeyer et al., 2017).

Das akute Risiko, das von einem bestimmten Wirkstoff ausgeht (AkR_Wirkstoff), wird als Quotient des Jahresmaximums der Tageskonzentration (C_{(t,Wirkstoff)}) und der letalen Konzentration (LC_{50(Wirkstoff)}) für die einzelnen Referenzorganismen berechnet (Formel 2). Die LC₅₀ ist eine im Labor bestimmte Konzentration, die auf 50% der Population des jeweiligen Organismus letal wirkt.

wobei t der laufende Tag in der Anbauperiode der jeweiligen Kulturart ist.

Das akute Risiko aller angewandten Wirkstoffe einer Spritzfolge im Anbaujahr einer Kulturart (AkR_Spritzfolge) entspricht dann dem maximalen Risikowert der einzelnen Wirkstoffe (Formel 3).

wobei n der Anzahl der angewandten Wirkstoffe entspricht.

Das akute Risiko wird für die folgenden Kompartimente mit den jeweiligen Stellvertreterorganismen modelliert:

Das chronische Risiko eines bestimmten Wirkstoffs in der Anbauperiode (ChR_Wirkstoff) wird als Quotient des Jahresmaximums der zeitgewichteten Durchschnittskonzentration (C_{TWA(t,Wirkstoff)}, time weighted average concentration) und der ‚no effect concentration‘ (NOEC_Wirkstoff) berechnet (Formel 4). Die NOEC ist eine im Labor bestimmte Konzentration bei der keine erkennbaren Effekte für die Referenz­organismen auftreten (Crane und Newman, 2000). Die zeitgewichtete Durchschnittskonzentration C_{TWA(t,Wirkstoff)} berechnet sich aus dem gewichteten Mittelwert der Tageskonzentrationen über einen Zeitraum von sieben Tagen (Formel 5).

wobei t der laufende Tag in der Anbauperiode der jeweiligen Kulturart ist.

Im Gegensatz zum akuten Risiko liegt der Berechnung des chronischen Risikos eine Addition der Risikowerte aus unterschiedlichen Wirkstoffen auf täglicher Basis zugrunde. Für die gesamte Spritzfolge im Anbaujahr einer Kulturart wird das chronische Risiko (ChR_Spritzfolge) als Jahresmaximum der Tagessummen der Risikowerte berechnet (Formel 6).

wobei n der Anzahl der angewandten Wirkstoffe entspricht.

Das chronische Risiko wird für die folgenden Kompartimente mit den jeweiligen Stellvertreterorganismen model­liert:

Es wurden die aggregierten Ergebnisse je Fruchtfolgefeld und Jahr verwendet. Das bedeutet, dass jeweils der maxi­male Risikowert, der innerhalb eines Nichtziel-Kompartiments für einen der Stellvertreterorganismen auftrat, für die Ergebnisdarstellung genutzt wird. Diese Maximalwerte wurden über Mediane für die Fruchtfolgen beschrie­ben und als Boxplots (Whisker: 95. Perzentil plus Ausreißer) dargestellt.

Die ermittelten Indizes wurden nach Freier et al. (2015) in folgende Risikoklassen eingeteilt: Akutes Risiko: < 0,01 = „sehr niedrig“; 0,01–0,1 = „niedrig“; 0,1–1 = „mittel“; > 1 „höher“; chronisches Risiko: < 0,1 = „sehr niedrig“; 0,1–1 = „niedrig“; 1–10 = „mittel“; > 10 = „höher“. Nach Anonymous (2009a) und Gutsche et al. (2012) können ab der mittleren Risikoklasse (akut: > 0,1 bzw. chronisch: > 1) negative Effekte auf die untersuchten Stellvertreterorganismen nicht ausgeschlossen werden. Daher wird dieser Bereich hier als „nicht tolerabel“ definiert. Ein niedriger bis sehr niedriger Index bezeichnet dagegen ein „tolerables“ Risiko.

Ergebnisse

Der chemische Pflanzenschutzmitteleinsatz in Zuckerrüben wird charakterisiert durch die Applikation von Herbi­ziden und Fungiziden, in Silomais durch die allei­nige Applikation von Herbiziden und in Winterweizen von Fungiziden sowie in geringerem Umfang von Her­biziden/Insektiziden/Wachstumsreglern, entsprechend unterschiedlich war die Anzahl der chemischen Pflan­zenschutzmaßnahmen, die in Silomais mit etwa 1 am geringsten war (Tab. 1).

Am Standort Aiterhofen ergab sich ein nicht signifikant unterschiedlicher Behandlungsindex für Zuckerrüben-Winterweizen-Winterweizen von 16,7, für Silomais-Winterweizen-Winterweizen von 11,9 und für Silomais-Zuckerrüben-Winterweizen von 13,2 (Abb. 1). Dagegen war der Behandlungsindex beim Anbau von Silomais im Daueranbau mit 5,1 signifikant niedriger. Am Standort Harste war der Behandlungsindex zwischen Zuckerrüben-Winterweizen-Winterweizen mit 20,6 und Silomais-Zuckerrüben-Winterweizen mit 15,2 signifikant unterschiedlich, jedoch jeweils nicht zu Silomais-Winterweizen-Winterweizen mit 17,3. Silomais im Daueranbau erreichte mit 6,6 einen signifikant geringeren Behandlungsindex.

Abb. 1. Behandlungsindex von Fruchtfolgen ein­schließlich Silomais im Daueranbau (aufsum­miert über drei Jahre) in Aiter­hofen und Harste, 2011–2014 (Mittelwer­te; n = 4_Jahre). ZR = Zucker­rüben, SM = Silomais, WW = Winterweizen. Unter­schiedliche Klein­­buchstaben kennzeichnen signifi­kante Unterschiede je Standort (ANOVA, p = 0,05).

Abb. 2. Aggregiertes akutes Risiko des chemischen Pflan­­zenschutzmitteleinsatzes in den Nicht­ziel-Kom­partimenten „Ober­­flächengewässer“ bei variiertem Abstand zwi­schen Feldkante und Uferböschung des angrenzenden Gewäs­sers und „Saum­biotope“ für Fruchtfolgen ein­schließlich Silomais im Dauer­anbau, Aiterhofen und Harste, 2011–2014. ZR = Zuckerrüben, SM = Silomais, WW = Winterweizen. Werte oberhalb der gestrichel­ten Linie liegen im Be­reich eines mittleren nicht tolerablen Risikos (> 0,1; Freier et al., 2015). Mittelwerte und Mediane, Fruchtfolge n = 3_{Fruchtfolgefelder} × 4_Jahre, Daueranbau n = 4_Jahre. Unter­­schiedliche Kleinbuch­­staben kennzeichnen signifi­kante Unterschie­de zwischen den Frucht­folgen einschließlich Silomais im Daueran­bau. n. s.: nicht signifi­kant (Kruskal-Wallis, p = 0,05). Boxplots (Whisker: 95. Perzentil plus Ausreißer).

Das chronische Risiko war am Standort Harste höher als in Aiterhofen und es ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den Fruchtfolgen (Abb. 3). Das chronische Risiko für „Oberflächengewässer“ nahm mit zunehmendem Abstandsszenario ab. Auffällig ist das höhere chronische Risiko für Silomais im Daueranbau am Standort Aiterhofen. Das chronische Risiko für „Boden“ lag im tolerablen Bereich (< 1), während für „Oberflächengewässer“ Szenarien im nicht tolerablen Bereich existierten.

Abb. 3. Aggregiertes chroni­sches Risiko des chemi­schen Pflanzenschutzmit­teleinsatzes in den Nichtziel-Komparti­menten „Oberflächen­gewässer“ bei variiertem Abstand zwi­schen Feldkante und Uferböschung des an­grenzenden Gewässers und „Boden“ für Frucht­folgen einschließlich Si­lomais im Daueranbau, Aiterhofen und Harste, 2011–2014. ZR = Zuckerrüben, SM = Silo­mais, WW = Winterweizen. Werte oberhalb der ge­strichelten Linie liegen im Bereich eines mittle­ren nicht tolerablen Ri­sikos (> 1; Freier et al., 2015). Mittelwerte und Mediane, Fruchtfolge n = 3_{Fruchtfolgefelder} × 4_Jahre, Daueranbau n = 4_Jahre. n. s.: nicht signifikant (Kruskal-Wallis, p = 0,05). Box­plots (Whisker: 95. Per­zentil plus Ausreißer).

Für den Anbau von Zuckerrüben wurde für alle Wirkstoffe ein tolerables akutes bzw. chronisches Risiko kalkuliert (< 0,1 bzw. < 1; Tab. 2). Beim Anbau von Silomais und Winterweizen trat ein nicht tolerables akutes Risiko für „Oberflächengewässer“ beim Abstandsszenario 1 m hauptsächlich durch herbizide, aber auch fungizide Wirkstoffe auf, während bei den Abstandsszenarien 20 m und 100 m nur durch den Einsatz von Herbiziden ein nicht tolerables akutes Risiko ermittelt wurde. Für „Saumbiotope“ wurde dagegen ein nicht tolerables akutes Risiko lediglich durch den Einsatz je eines spezifischen Herbizids bzw. Fungizids kalkuliert. Für das chronische Risiko für „Oberflächengewässer“ wurde nur durch die Anwendung von Herbiziden ein nicht tolerables Risiko, unabhängig der Abstandszenarien, kalkuliert.

Der Behandlungsindex wurde beim Anbau von Zuckerrüben und Silomais vom Standort und Jahr beeinflusst, die Vorfrucht hatte keinen Einfluss.

Beim Anbau von Silomais wird in der Regel nur eine Herbizidmaßnahme appliziert, ggf. zwei im Splittingverfahren (Roßberg, 2016: Behandlungshäufigkeit = 1,4). Folglich war der Behandlungsindex beim Anbau von Silo­mais an beiden Standorten über die Jahre relativ gering und konstant (Tab. 1). Lediglich durch den Einsatz von Glyphosat im Vorauflauf (nicht gezeigt) gab es aufgrund stärkerer Verunkrautung nach milden Wintern infolge pflugloser Bewirtschaftung eine geringe Variabilität durch entsprechend höhere Behandlungsindizes. Die Höhe der Behandlungsindizes lag im ähnlichen Bereich wie in den bundesweiten PAPA-Erhebungen (2011–2014: 1,7–2,0; Roßberg, 2016). Die Unkrautregulierung ist aufgrund der schwachen Konkurrenzfähigkeit junger Maispflanzen erforderlich, um wesentlichen Ertragsverlusten entgegenzuwirken (Oerke, 2006).

Der Anbau von Zuckerrüben erfordert ebenfalls eine intensive Unkrautregulierung, da Zuckerrüben in frühen Entwicklungsstadien besonders empfindlich auf Konkurrenz reagieren und erhebliche Ertragsverluste die Folge sind (Bräutigam, 1998; Gummert et al., 2012). Den höchsten Anteil am Behandlungsindex hatten deshalb Herbi­zide. Die Applikation der Wirkstoffe erfolgte in mehreren sogenannten Splitting-Behandlungen mit unterschiedlichen Aufwandmengen und Mischungspartnern je nach Unkrautvorkommen am jeweiligen Standort und Jahr (Vasel et al., 2012; BVL, 2014). Entsprechend unterschiedlich war der Behandlungsindex für Herbizide zwischen den Standorten und Jahren. Er war in Aiterhofen wegen des Auftretens von Hirse ssp. besonders hoch und lag über dem Durchschnitt der landwirtschaftlichen Praxis in Deutschland (PAPA-Erhebungen, 2011–2014: 2,6–2,8; Roßberg et al., 2017). Die Applikation von Fungiziden wird im Wesentlichen durch die Regulierung von Cercospora beticola als wichtigster pilzlicher Blattfleckenkrankheit bestimmt (Gummert et al., 2012), die in Süddeutschland stärker auftritt als in anderen Anbauregionen Deutschlands (Roßberg et al., 2010). Infolgedessen war der Behandlungsindex in Aiterhofen deutlich höher als in Harste. Im Vergleich zur landwirtschaftlichen Praxis (PAPA-Erhebungen, 2011–2014: 0,9–1,1; Roßberg et al., 2017) war die Applikationsintensität der Fungizide im Mittel höher. Ursache dafür war, dass Standorte mit einem sehr hohen Befall wie in Aiterhofen nur einen kleinen Anteil an den für Deutschland repräsentativen PAPA-Erhebungen ausmachen und der Befallsdruck zwischen (kleineren) Nachbarparzellen erheblich höher ist als zwischen (größeren) Praxisschlägen. Insektizide und mol­luskizide Applikationen sind im Zuckerrübenanbau sehr niedrig.

Der Behandlungsindex von Winterweizen nach Vorfrucht Winterweizen hatte etwas höhere Werte im Vergleich zu den Vorfrüchten Zuckerrüben und Silomais. Erheb­lich höher war aber der Einfluss des Standortes mit intensiverem Einsatz von Fungiziden (und Wachstumsreglern) am Standort Harste. Ursache dafür ist die Witterung in Norddeutschland mit höherem Infektionsdruck von pilzlichen Krankheitserregern, insbesondere Septoria tritici (Freier et al., 2015). Ähnlich standortspezifisch wie für den Behandlungsindex Herbizide bei Zuckerrüben in Aiterhofen, ergibt sich durch den überproportionalen Einfluss von Fungiziden am Standort Harste eine höhere Intensität als in den bundesweiten PAPA-Erhebungen (2011–2014: 1,7–2,4; Roßberg, 2016). Aber auch der höhere Befallsdruck pilzlicher Krankheitserreger zwischen (kleineren) Versuchsparzellen führte im Vergleich zur Praxis zu einem etwas höheren Behandlungsindex. Der Behandlungsindex Insektizide war zwischen den Standorten und Jahren etwa gleich und entsprach etwa dem bundesweiten Mittel. Dagegen war die Applikation von Herbiziden in Harste durch eine zusätzliche Herbstapplikation (Resistenzmanagement, hoher Gräser­druck) und später Verunkrautung, spezifisch mit Cirsium arvense höher als in Aiterhofen.

In unserer Studie konnten die Behandlungsindizes ganzer Fruchtfolgen standort-/jahres-/kulturartspezifisch orthogonal bewertet werden. Bislang gibt es dazu lediglich eine Studie (Busche, 2008), in der der Behandlungsindex ganzer Fruchtfolgen aus Versuchsanlagen im Streifenanbau mit Großparzellen bewertet wurde; hier lag der Behandlungsindex der Fruchtfolge Zuckerrüben-Winterweizen-Wintergerste bei 16,6–17,4, wobei Wintergerste einen geringeren Behandlungsindex hatte als Winterweizen. Würde man die bundesweiten Mittelwerte der PAPA-Erhebungen (2011–2014; Roßberg, 2016) für die Kulturarten Zuckerrüben (Behandlungsindex: 3,9), Silomais (1,9) und Winterweizen (5,2) exemplarisch für die in unserer Studie untersuchten Fruchtfolgen aufaddieren, so würden die Behandlungsindizes für Zuckerrüben-Winterweizen-Winterweizen 14,3, für Silomais-Winterweizen-Winterweizen 12,3, für Silomais-Zuckerrüben-Winterweizen 11,0 und für Silomais im Daueranbau (Summe über drei Jahre) 5,7 betragen. Die Summen über die Fruchtfolgen, ohne Betrachtung des Silomais Daueranbaus, lägen damit z.T. deutlich unter denen in unseren Versuchen (Tab. 1). Ursache dafür sind die bereits erwähnten standort- und versuchsspezifischen Einflüsse, die den chemischen Pflanzenschutz beim Anbau von Zuckerrüben und Winterweizen, nicht jedoch von Silomais, charakterisieren. Bei Silomais ist dagegen das Wirkungsspektrum der Herbizide mit Ausnahme von Hirse ssp. so breit, dass eine Abhängigkeit von Standort und Jahr nicht existiert.

Das Umweltrisiko wurde in unserer Studie für Kulturarten und Fruchtfolgen an zwei Standorten mit den entsprechenden spezifischen Umweltbedingungen kalkuliert. Aufgrund der hohen Abhängigkeit des Simulationsmodells von den spezifischen Umweltbedingungen muss deshalb eine allgemeingültige Aussage mit Vorsicht erfolgen. Die Ergebnisse sind jedoch von hohem Wert, da entsprechende Kalkulationen auf Parzellenbasis in der Literatur nach unserem Wissen bisher nicht beschrieben worden sind.

Beim Anbau von Zuckerrüben war das akute Risiko an beiden Standorten und in den Kompartimenten „Ober­flächengewässer“ und „Saumbiotope“, trotz der hohen Intensität, eher gering. Auch Gutsche et al. (2012) und Reineke et al. (2014) ermittelten Risikoindizes beim Anbau von Zuckerrüben, die bis auf wenige Ausnahmen im tolerablen Bereich lagen. Dagegen war das akute Risiko für „Oberflächengewässer“ beim Abstandsszenario 1 m für den Anbau von Silomais und Winterweizen auf beiden Standorten vor allem für herbizide und fungizide Wirkstoffe zum Teil im nicht tolerablen Bereich. Daraus ergab sich für den Standort Harste ein akutes Risiko in der gesamten Fruchtfolge, das erheblich höher war als in Aiterhofen und für verschiedene Szenarien, unabhängig von der Fruchtfolge, zum Teil deutlich im nicht tolerablen Bereich lag. Demgegenüber lag das akute Risiko für „Saumbiotope“ für alle Fruchtfolgen und Standorte für alle Abstandsszenarien nahezu ausschließlich im tolerablen Bereich.

Dagegen lag das chronische Risiko für „Oberflächengewässer“ und für „Boden“ an beiden Standorten und für alle Fruchtfolgen eher im tolerablen Bereich und nahm mit zunehmendem Abstandsszenario ab. Auffällig war in Aiterhofen, dass Silomais im Daueranbau ein deutlich höheres, zum Teil nicht tolerables chronisches Risiko für „Oberflächengewässer“ hatte und dass die Werte in Harste für alle Fruchtfolgen höher waren als in Aiter­hofen. Ursache dafür sind im Wesentlichen die hohen Risiko­indizes der spezifischen in Harste applizierten Herbizide und Fungizide, die sich aus den toxikologischen Basisdaten der Zulassung ergeben. Diese sind ebenso wie das Simulationsmodell SYNOPS an sich im Kontext dieser Studie eher nicht kritisch zu reflektieren.

Im NAP ist festgelegt, dass das Umweltrisiko bei der Applikation von chemischen Pflanzenschutzmitteln zukünftig erheblich sinken soll. Dazu erfolgt eine Kalkulation mit SYNOPS auf Basis von national repräsentativen Absatzzahlen. In unserer Studie wurde dagegen versucht mit SYNOPS das Umweltrisiko für spezifische Ackerbausysteme zu kalkulieren. Das hochkomplexe Simu­lationsmodell und die Komplexität der Eingangsdaten (Wirkstoffe, Abbauverhalten, etc.) machen absolute Aussagen kaum möglich. Dies betrifft insbesondere Szenarien, in denen ein nicht tolerables Risiko für Stellvertreterorganismen in verschiedenen Nichtziel-Kompartimenten kalkuliert wurde (akut: > 0,1 bzw. chronisch: > 1). Diese dürfen nicht im Widerspruch zur Zulas­sung der Wirkstoffe stehen, zumal das Simula­tions­modell gerade auf den toxikologischen Daten der Zulassung aufbaut. Vielmehr ist das mit SYNOPS kalkulierte Umweltrisiko nur geeignet, um potenzielle Trends oder Unterschiede in Ackerbausystemen, hier Kultur­arten und Fruchtfolgen, aufzuzeigen. Dies erscheint möglich. Allerdings zeigte unsere Untersuchung, dass bei einer hohen Intensität des chemischen Pflanzenschutzes nicht gleichzeitig von einem hohen Umwelt­risiko auszugehen ist, wie auch Studien von Roßberg (2013) und Reineke et al. (2014) bestätigen. Dies ist im NAP auch nicht gefordert, denn der Behandlungsindex soll die (agronomische) Intensität abbilden.

Zur Senkung des Umweltrisikos ergibt sich im Sinne des Integrierten Pflanzenschutzes die Notwendigkeit zur entsprechenden Auswahl von Wirkstoffen mit eher geringeren Risikoindizes, wie in unseren Untersuchungen für Herbizide und Fungizide in Winterweizen gezeigt. Für den Anbau von Zuckerrüben ist dies als Beratungsgrundlage in den Leitlinien des Integrierten Pflanzenschutzes durch die Aufnahme in den Anhang I des NAP erstmalig vorgegeben (BMEL, 2018) und sollte von der Beratung konsequent umgesetzt werden. Auch ist für einzelne Wirkstoffe nach Hommel et al. (2006) eine Reduktion des Einsatzes z.B. im Maisanbau möglich. Um Handlungsoptionen zur Risikominimierung durch den Einsatz von chemischen Pflanzenschutzmitteln abzuleiten, müssten jedoch weitergehende SYNOPS-Bewertungen für verschiedene Kombinationen aus Standorten, Jahren (Witterung), Kulturarten und Wirkstoffen durchgeführt werden. Im Sinne des Integrierten Pflanzenschutzes sind aber vor allem auch nicht-chemische Minderungsmaßnahmen von Bedeutung, wie z.B. die Nutzung von Filterstreifen (Brown et al., 2017; z.B. für Winterweizen), die mechanische Unkrautbekämpfung (Griepentrog und Dedousis, 2009; z.B. für Silomais) oder der Einsatz resistenter Sorten (Vogel et al., 2018, z.B. für Zuckerrüben).

In unserer Studie wurden keine eindeutigen fruchtfolgespezifischen Effekte auf das Umweltrisiko gefunden, die vom Einfluss der Umwelt (Standort × Jahr) und Wirkstoffe überlagert wurden. Weiterhin ist kritisch zu hinterfragen, ob zur Bewertung eine kumulative Aggregation ausreichend ist oder das Umweltrisiko beim Anbau verschiedener Kulturarten Interaktionen zur Fruchtfolge zeigt. Dazu wäre eine umweltspezifische Faktorabstufung der Intensität des chemischen Pflanzenschutzes kulturart- und fruchtfolgespezifisch erforderlich. Dies stößt an Kapazitätsgrenzen von Feldversuchen. Es zeigt sich aber insgesamt, dass weitere Studien zur Intensität und zum Umweltrisiko für verschiedene Ackerbausysteme erforder­lich sind.