Einfluss von Pflanzenschutzstrategie und Bodenbearbeitung auf den CO₂-Fußabdruck von Weizen

Impact of plant protection strategy and soil tillage on the carbon footprint of wheat

Journal für Kulturpflanzen, 72 (7). S. 311–326, 2020, ISSN 1867-0911, DOI: 10.5073/JfK.2020.07.08, Verlag Eugen Ulmer KG, Stuttgart

Kontaktanschrift

Dr. Til Feike, Julius Kühn-Institut (JKI) – Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen, Institut für Strategien und Folgen­abschätzung, Stahnsdorfer Damm 81, 14532 Kleinmachnow, E-Mail: til.feike@julius-kuehn.de

Zur Veröffentlichung angenommen

9. Juni 2020

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Material und Methoden

Bei den Pflanzenschutzstrategien wird zwischen „GfP“ (bis 2013 als „Gute fachliche Praxis, seit 2014 als „Allgemeinen Grundsätze des Integrierten Pflanzenschutzes“ betitelt) und „IPS“ (bis 2013 als „Integrierter Pflanzenschutz“, seit 2014 als „Sektor- und kulturartenspezifische Leitlinien des Integrierten Pflanzenschutzes“ betitelt) unterschieden. Bis 2013 wurde in der GfP Strategie der Pflanzenschutz nach praxisüblichen Gegebenheiten unter Einbeziehung der Hinweise der amtlichen Pflanzenschutzdienste durchgeführt. Seit Herbst 2013 wurden in GfP die Pflanzenschutzmittel nach den Grundsätzen des integrierten Pflanzenschutzes angewandt. Die Pflanzenschutzanwendungen erfolgen in beiden Strategien unter Berücksichtigung des Schwellenwertkonzeptes. In IPS wurde stets eine noch dezidiertere und stärker situa­tions­bezogene Dosierung nach Schwellenwerten sowie ein- bzw. mehrfache Anwendung reduzierter Aufwandmengen (Splitting) angewendet. Zudem werden seit Herbst 2013 in IPS Sorten mit einem höheren Resistenzniveau gewählt, während in GfP vorrangig auf praxis­übliche Sorten mit hohem Ertragsniveau gesetzt wird. In beiden Varianten wurde im Weizen in 2008–2010 die Sorte Brilliant und 2011–2013 die Sorte JB Asano angebaut. Seit 2014 wurde in GfP weiterhin die Sorte JB Asano und in IPS die Sorte Julius angebaut.

Der Weizen steht im Versuch in einer sechsgliedrigen Fruchtfolge aus Winterraps – Winterweizen – Winterroggen – Mais – Erbse – Triticale. Beim Versuchsdesign handelt es sich um eine randomisierte Spaltanlage mit fünf Wiederholungen. Bodenbearbeitung bildet den Hauptteilfaktor, während die anderen Versuchsfaktoren die Kleinteilstückfaktoren bilden.

Ein vierter Versuchsfaktor, der die Vorgeschichte des Dauerfeldversuchs vor 2007 hinsichtlich der damals im Getreide praktizierten vier Varianten „unbehandelte Kontrolle“, „mit Herbizid & ohne Fungizid“, „ohne Herbizid & mit Fungizid“, sowie „mit Herbizid & mit Fungizid“ abbildet, wurde in dieser Studie nicht berücksichtigt. Somit stehen zehn Wiederholungen je Versuchsvariante zur Verfügung. Der Einfluss des vierten Versuchsfaktors auf die Ziele der Untersuchung wird als vernachlässigbar angesehen, da es hier seit 2008 keinerlei Unterscheidung im Input-Management (Düngung, PS, etc.) gibt. Eine Berück­sichtigung würde die Ergebnisdarstellung unnötig verkomplizieren. Eine umfassendere Beschreibung der Versuchsvarianten finden sich u.a. in Klocke et al. (2020), Pallutt et al. (2010) und Schwarz (2013). Ein Überblick über die wesentlichen Parameter von Aussaat, Düngung und Pflanzenschutz in den acht Versuchsva­rianten ist in Tab. S1 gegeben.

Die Studie nutzt eine partielle Lebenszyklusanalyse (life cycle assessment; LCA), d.h., die THG-Emissionen werden von der ursprünglichen Ressourcengewinnung bis zum Hoftor (farm gate), entsprechend DIN EN ISO 14040 umfänglich ermittelt (DIN, 2006). Die Kalkulationen erfolgten mittels eines selbsterstellten Bilanzierungsmodells in MS Excel. Die Systemgrenzen sind in Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1. Beschreibung der für die Treibhausgasbilan­zierung verwendeten Systemgrenzen; sämtli­che THG-Emissionen innerhalb des roten Rechtecks wurden be­rücksichtigt.

Zur Bewertung der THG-Emissionen in den verschiedenen Versuchsvarianten wurden die tatsächlichen Überfahrten bzw. Arbeitsschritte, d.h., Bodenbearbeitung, Aussaat, Düngung, Pflanzenschutz und Ernte, wie sie im Feldversuch erfolgten, parzellen- und jahressspezifisch herangezogen. Ebenso wurden die tatsächlichen Aufwendungen an Saatgut, Pflanzenschutzmittel und Düngemittel je Hektar berücksichtigt, sowie die tatsächlichen Erntemengen beim Drusch und Abtransport des Ernteguts zum Hof. THG Emissionen im Zusammenhang mit einer möglichen Trocknung und Lagerung wurden nicht berücksichtigt, und die Bilanz endet am Hoftor.

Um die Plausibilität und Praxisrelevanz der Bewertung zu erhöhen wurde ein Beispielbetrieb konstruiert (Tab. 1), auf dem die Weizenproduktion entsprechend der Arbeitsschritte und Aufwandmengen im Versuch angenommen wurde.

Sämtliche Dieselverbräuche wurden arbeitsgang- und parzellenspezifisch unter Berücksichtigung der wesent­lichen Einflussfaktoren auf den Kraftstoffverbrauch gemäß Schreiber (2006) kalkuliert. Dies umfasst die Berück­sichtigung von Gewichtskraft, Zugkraft, und Schlupf. Hieraus wurden Nabenleistung, Fahrleistung und Motorleistung berechnet. Hierauf aufbauend konnte der spezifische Kraftstoffverbrauch individuell für die Fahrt auf der Straße und Arbeiten auf dem Feld kalkuliert werden. Bei Aussaat, Düngung, Pflanzenschutz und Ernte wurden die tatsächlichen Aufwand-, Ausbringungs- bzw. Erntemengen des Versuchs herangezogen und für die Bestimmung der Gewichtskräfte, Motorleistung inklusive Nebenleistungen und Anzahl Fahrten zwischen Hof und Feld kalkulatorisch berücksichtigt. Hieraus ließen sich nun die Dieselverbräuche für die Feld­arbeit, Wegstrecken und Befüllarbeiten berechnen. Zur Plausibilitätsprüfung wurden die Kalkulationsergebnisse mit dem KTBL-Dieselbedarfsrechner (KTBL, 2017) abgeglichen.

Für Diesel wurde ein Emissionsfaktor von 3,02 kg CO₂eq l^‑1 angenommen (KTBL, 2019). Der Anteil der THG-Emissionen für die Herstellung der landwirtschaftlichen Maschinen an der Weizenproduktion, wurde gemäß KTBL (2019) vereinfacht über den Dieselverbrauch mit dem Faktor 0,885 kg CO₂eq l^‑1 Diesel abgeschätzt. Dies ermöglicht die Zuordnung der THG-Emis­sionen für Maschinen- und Geräteherstellung für den betrach­teten Weizenanbau anteilig zur gesamten Nutzungsdauer bzw. Arbeitsleitung. Die Bewertung der THG-Emissionen zur Herstellung und Transport der eingesetzten Düngemittel erfolgte über düngemittelspezifische Emissionsfaktoren (EFs; CO₂eq kg^‑1). Ebenso wurden wirkstoffklassenspezifische EFs für die Bewertung der Emissionen für Herstellung und Transport der eingesetzten Pflanzenschutzmittel genutzt (Wernet et al., 2016), und entsprechend der Wirkstoffanteile pflanzenschutzmittelspezifisch berücksichtigt. Für das Weizensaatgut wurde ein Emissionsfaktor von 0,8494 CO₂eq kg^‑1 angesetzt (Nemecek, 2017).

Die bodenbürtigen Lachgasemissionen im Zusammenhang mit der Weizenproduktion wurden entsprechend der Vorgaben des IPCC (2006) parzellen- und jahresspezifisch kalkuliert. Die direkten und indirekten Lachgas­emissionen werden vorrangig durch die eingebrachte Menge an Stickstoff aus mineralischer und organischer Düngung bestimmt, die entsprechend der tatsächlichen Aufwandmengen im Versuch berücksichtigt wurde. Zusätz­lich trägt der Stickstoffgehalt der ober- und unterirdischen Ernterückstände zu den Emissionen bei. Die Ernterückstände wurden in Abhängigkeit der erzielten Kornerträge entsprechend Tabelle 1 1.2 in IPCC (2006) kalkuliert und mit einem Verhältnis der unterirdischen Rückstände zur oberirdischen Biomasse von 23% abgeschätzt. Die Stickstoffgehalte wurden mit 0,006 kg N (kg TM)^‑1 für die oberirischen Rückstände und 0,009 kg N (kg TM)^‑1 für die unterirdischen Rückstände angenommen (IPCC, 2006).

Abb. 2. Einfluss der drei Ver­suchsfaktoren Pflanzen­schutzstrategie (GfP vs. IPS), Fungizidvariante (mit vs. ohne Fungizid) und Bodenbearbei­tungsvariante (nicht-wendend vs. wendend) auf die Treibhasgase­missionen (THG-Emis­sionen) der Weizenproduktion in Dahnsdorf in 2008–2019. Durch das Modell (s. Tab. S3) geschätzte Mittelwerte (Punkte) und das 95% Konfiden­zinterval (Fehlerbalken) sind in rot gegeben. Die Daten wurden für die Analyse aufgrund Vari­anzheterogenität log-transformiert; entspre­chend ist die Y-Achse log-skaliert. Gruppen die keinen Buchstaben teilen sind signifikant voneinander verschieden.

Die Durchschnitterträge je Variante reichen von maximal 75,2 dt ha^‑1 bei „GfP, mit Fungizid, wendend“ bis mini­mal 60,3 dt ha^‑1 bei „GfP, ohne Fungizid, nicht-wendend“ (Abb. 3). Es zeigt sich in beiden Strategien GfP und IPS ein abnehmender Ertrag in der Reihenfolge „mit Fungizid, wendend“, „mit Fungizid, nicht-wendend“, „ohne Fungizid, wendend“, „ohne Fungizid, nicht-wendend“. Die Unterschiede sind hierbei stets signifikant bis auf „ohne Fungizid, wendend“ vs. „ohne Fungizid, nicht-wendend“ in GfP sowie in IPS „mit Fungizid, nicht-wendend“ vs. „ohne Fungizid, wendend“ und „ohne Fungizid, wendend“ vs. „ohne Fungizid, nicht-wendend“. Im Vergleich von GfP und IPS zeigen sich keine sig­nifikanten Ertragsunterschiede in den entsprechenden Vergleichsvarianten von Fungizidvariante und Boden­bearbeitung. Die wendenden Varianten erzielten „mit Fungizid“ signifikant höhere Erträge im Vergleich zu den nicht-wendenden Varianten in beiden Pflanzenschutzstrategien, während sich ohne Fungizide keine sig­nifikanten Unterschiede zwischen „nicht-wendend“ und „wendend“ zeigen.

Abb. 3. Einfluss der drei Ver­suchsfaktoren Pflanzen­schutzstrategie (GfP vs. IPS), Fungizidvariante (mit vs. ohne Fungizid) und Bodenbearbei­tungsvariante (nicht-wendend vs. wendend) auf den Ertrag in 2008–2019. Durch das Modell (s. Tab. S3) geschätzte Mittelwerte (Punkte) und das 95% Konfiden­zinterval (Fehlerbalken) sind in rot gegeben. Gruppen die keinen Buchstaben teilen sind signifikant voneinander verschieden.

Der CO₂-Fußabdruck reicht im Mittel über die zwölf Jahre und zehn Wiederholungen je Variante von minimal 0,47 kg CO₂eq kg^‑1 bei „GfP, mit Fungizid, wendend“ bis 0,71 kg CO₂eq kg^‑1 bei „GfP, ohne Fungizid, wendend“ (Abb. 4). Die einzelnen hohen Werte über 3 kg CO₂eq kg^‑1 sind maßgeblich auf sehr niedrige Erträge in einzelnen Parzellen in 2011 zurückzuführen.

Abb. 4. Einfluss der drei Ver­suchsfaktoren Pflanzen­schutzstrategie (GfP vs. IPS), Fungizidvariante (mit vs. ohne Fungizid) und Bodenbearbei­tungsvariante (nicht-wendend vs. wendend) auf den CO₂-Fußab­druck der Weizenpro­duktion in Dahnsdorf in 2008–2019. Durch das Modell (s. Tab. S3) ge­schätzte Mittelwerte (Punkte) und das 95% Konfidenzinterval (Feh­lerbalken) sind in rot ge­geben. Die Daten wurden für die Analyse aufgrund Varianzhete­rogenität log-transfor­miert; entsprechend ist die y-Achse log-ska­liert. Gruppen die kei­nen Buchstaben teilen sind signifikant vonein­ander verschieden.

Im Vergleich von GfP und IPS zeigen sich beim CO₂-Fußabdruck keine signifikanten Unterschiede in den entsprechenden Vergleichsvarianten von Fungizidvariante und Bodenbearbeitung. Ebenso zeigen sich im Vergleich der wendenden und nicht-wendenden Varianten keine signifikanten Unterschiede beim CO₂-Fußabdruck in den entsprechenden Vergleichsvarianten von Pflanzenschutzstrategie und Fungizidvariante. Hingegen führt der Verzicht auf Fungizide in allen Vergleichsvarianten von Pflanzenschutzstrategie und Bodenbearbeitung zu signifikant höheren, d.h., schlechteren CO₂-Fußabdrücken. Lediglich die Variante „IPS, nicht-wendend“ weist ohne Fungizid keinen signifikant schlechteren CO₂-Fußabdruck auf, verglichen mit „IPS, mit Fungizid, wendend“ und „IPS, mit Fungizid, nicht-wendend“. Trotz der signifikant höchsten THG-Emissionen je ha zeigt die „inten­sivste“ Variante „GfP, mit Fungizid, wendend“ mit 0,47 kg CO₂eq kg^‑1 die geringsten Emissionen je Einheit Erntegut. Die signifikant höheren erzielten Erträge verglichen mit „extensiveren“ Varianten überkompensieren hier die höheren Emissionen.

Betrachtet man den mittleren Beitrag der verschiedenen Emissionsquellen zu den THG-Emissionen der acht untersuchten Versuchsvarianten (Abb. 5), so leisten die eingesetzten Düngemittel mit 1304,0 kg CO₂eq ha^‑1, sowie die Lachgasemissionen, die zwischen 1243,6 kg CO₂eq ha^‑1 (GfP, ohne Fungizid, nicht-wendend) und 1350,4 kg CO₂eq ha^‑1 (GfP, mit Fungizid, wendend) den höchsten Beitrag. Die Düngung wurde über alle Versuchsvarianten identisch durchgeführt. Der durch Düngemittel eingebrachte Stickstoff trägt daher im gleichen Maß zu den Lachgasemissionen der verschiedenen Varianten bei. Die Unterschiede zwischen den Varianten ergeben sich durch unterschiedliche Erntemengen und daraus resultierende unterschiedliche Ernterückstandsmengen und entsprechende N-Einträge.

Abb. 5. Zusammensetzung der durchschnittlichen THG-Emissionen der Weizenproduktion unter Einfluss der drei Versuchsfaktoren Pflanzenschutzstrategie (GfP vs. IPS), Fungizidvariante (mit vs. ohne Fungizid) und Bodenbearbeitungsvariante (nicht-wendend vs. wendend) in 2008–2019.

Im Dieselverbrauch zeigen sich die größten Unterschiede zwischen den gepflügten und nicht-wendenden Varianten mit rund 90 kg CO₂eq ha^‑1 geringeren Emissionen in den nicht-wendend en Varianten. Die größten Emissionen mit 288,2 kg CO₂eq ha^‑1 weist die Variante „GfP, mit Fungizid, wendend“ auf, während die Variante „GfP, ohne Fungizid, nicht-wendend“ mit 180,0 kg CO₂eq ha^‑1 die geringsten Emissionen aufweist. Der Verzicht auf Fungizide und die entsprechenden Überfahrten führt über die verschiedenen Varianten zu geringeren Emissionen beim Dieselverbrauch von 12–25 kg CO₂eq ha^‑1. Da die Emissionen für die Herstellung der Maschinen direkt aus dem Dieselverbrauch abgeleitet werden, sind die Ergebnis analog zu den Emissionen aus dem Dieselverbrauch, nur auf einem niedrigeren Niveau. Die Spanne reicht von 52,8 kg CO₂eq ha^‑1 bei „GfP, ohne Fungizid, nicht-wendend“ bis 84,5 kg CO₂eq ha^‑1 bei „GfP, mit Fungizid, wendend“.

Bei den Emissionen für das Saatgut weist GfP aufgrund höherer Tausendkorngewichte des verwendeten Saatguts leicht höhere Emissionen auf, verglichen mit IPS.

Die Emissionen für die Herstellung der Pflanzenschutzmittel liegt auf einem niedrigen Niveau zwischen maximal 19,2 kg CO₂eq ha^‑1 bei „GfP, mit Fungizid, nicht-wendend“ und minimal 2,1 kg CO₂eq ha^‑1 bei „IPS, ohne Fungizid, wendend“. In GfP liegen die Werte stets unter den entsprechenden Varianten in IPS. Die wendende Bodenbearbeitung zeigt geringere Emissionen verglichen mit der nicht-wendenden Variante. Der Verzicht auf Fungizide führt zu stark verringerten Werten.

Um die Unterschiede im Dieselverbrauch zwischen der nicht-wendenden und wendenden Variante genauer zu verstehen hilft es einen Blick auf die Annahmen zu den Dieselverbräuchen zu werfen (Tab. 2). Während die Stoppelbearbeitung und Saatbettbereitung in beiden Varian­ten nahezu identisch erfolgte, wurde für Grund­bodenbearbeitung in der Variante „nicht-wendend“ ein Grubber eingesetzt und in der Variante „wendend“ ein Pflug bzw. Pflug mit Packer. Der 5-Schar-Pflug mit 1,75 m Arbeitsbreite und 30 cm Bearbeitungstiefe benötigt 27,50 l Diesel ha^–1 und mit Packer 33,71 l Diesel ha^–1, während der Grubber mit 4 m Arbeitsbreite und 25 cm Bearbeitungstiefe mit 14,41 l ha^–1 nur ungefähr den halben Dieselbedarf aufweist. Entsprechend sind die kalkulierten THG-Emissionen für den Dieselverbrauch und die anteilige Maschinen- und Geräteherstellung beim Grubber ebenfalls nur halb so hoch im Vergleich zum Pflug.

Betrachtet man die Unterschiede in den durch den Pflanzenschutz verursachten THG-Emissionen in Tab. 3, zeigen sich klare Effekte zwischen „wendend“ und „nicht-wendend“ sowie zwischen „mit Fungizid“ und „ohne Fungizid“. Bei der nicht-wendenden Variante liegen die THG-Emissionen durch den Herbizideinsatz fast dreimal so hoch im Vergleich zur gepflügten Variante. Bei der fungizidfreien Variante liegen die THG-Emissionen selbsterklärend bei null, während sie in den anderen Vari­anten zwischen ca. 10 und 18 kg CO₂eq ha^‑1 liegen. Während die Emissionen in der IPS-Strategie im Vergleich zur GfP-Strategie bei den Herbiziden ungefähr gleich sind, betragen sie bei den Fungiziden ca. zwei Drittel und bei den Insektiziden ca. ein Drittel der Emissionen der GfP-Strategie. Bei den Wachstumsreglern gibt es keine Unterschiede aufgrund der identischen Behandlung über alle Varianten. Die Emissionen für die Bonituren liegen bei maximal 0,26 kg CO₂eq ha^‑1 bei „GfP, mit Fungizid“ und sind in den fungizidfreien Varianten nahe null.

Neben dem direkten Beitrag von Pflanzenschutzmittel­anwendungen zu den THG-Emissionen (Tab. 3), trägt auch die ertragssichernde Wirkung des Fungizideinsatzes indirekt zu erhöhten THG-Emissionen bei, durch einen erhöhten Dieselbedarf bei Drusch und Transport.

Betrachtet man die zeitliche Entwicklung der THG-Emissionen zwischen 2008 und 2019 so liegt das Niveau in den meisten Jahren bei rund 3000 kg CO₂eq ha^–1 (Abb. 6).  Ausnahmen bilden 2013 mit wesentlich höheren und 2015 mit geringeren THG-Emissionen. Die Abweichun­gen in 2013 beruhen auf der Ausbringung von knapp 2 t ha^‑1 Granukal 85, das bei einem EF von 1,5655 kg CO₂eq kg^–1 von Calciumcarbonat (Wernet et al., 2016) zu den entsprechend hohen Emissionen führt. In 2015 beruhen die Unterschiede auf dem Einsatz von Ammoniumsulfat-haltigem Stickstoffdünger, der einen EF von 2,0566 kg CO₂eq kg^–1 N aufweist, anstelle einer N-Gabe mit Kalkamonsalpeter (KAS) in allen anderen Jahren, der einen EF von 8,237 kg CO₂eq kg^–1 N aufweist (Wernet et al., 2016).

Abb. 6. Jahresspezifischer Einfluss der drei Versuchsfaktoren Pflanzenschutzstrategie (GfP vs. IPS), Fungizid­variante (mit vs. ohne Fungizid) und Bodenbearbeitungsvariante (nicht-wendend vs. wendend) auf die Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) der Weizenproduktion in Dahnsdorf in 2008–2019. Durch das Modell (s. Tab. S2) geschätzte Mittelwerte (Punkte) und das 95% Konfidenzinterval (Fehlerbalken) sind in rot gegeben. Die Daten wurden für die Analyse aufgrund Varianzheterogenität log-transformiert; entsprechend ist die Y-Achse log-skaliert. Gruppen, die in einem Jahr keinen Buchstaben teilen sind in diesem Jahr signifikant voneinander verschieden.

Die Effekte der drei Versuchsfaktoren differenzieren unterschiedlich über die Jahre. Während der Faktor Boden­bearbeitung in den Jahren 2008–2010 und 2015 die Unterschiede maßgeblich bestimmt, zeigen sich in 2011 und 2013 keinerlei Unterschiede zwischen den acht Versuchsvarianten. Betrachtet man den Effekt „mit Fungizid“ vs. „ohne Fungizid“ genauer, so zeigen sich in den Jahren 2008–2011, 2013, 2018 und 2019 keine Unter­schiede zwischen den jeweiligen Vergleichsvarianten von Pflanzenschutzstrategie und Bodenbearbeitung. Hingegen zeigen sich 2017 signifikante Unterschiede zwischen allen entsprechenden Vergleichsvarianten, in 2012 und 2016 unterscheiden sich die beiden GfP-Varianten sowie die gepflügte IPS-Variante, während sich in 2014 und 2015 nur die GfP-Varianten und nicht die IPS-Varianten hinsichtlich der Fungizidvariante unterschieden.

Verglichen mit den THG-Emissionen weisen die Erträge deutlichere Jahresunterschiede auf (Abb. 7). In guten Jahren reichen die Erträge im Durchschnitt über alle Vari­anten auf über 80 dt ha^–1, während Sie in schlechten Jahren nur knapp über 50 dt ha^–1 und im Trockenjahr 2018 sogar nur knapp über 42 dt ha^–1 aufweisen. Die niedrigen Jahreserträge sind vornehmlich durch die Limi­tation an pflanzenverfügbarem Wasser bedingt. In 2013 hat ein Hagelschlag kurz vor der Ernte zudem zu Ertrags­minderungen geführt.

Abb. 7. Jahresspezifischer Einfluss der drei Versuchsfaktoren Pflanzenschutzstrategie (GfP vs. IPS), Fungizid­variante (mit vs. ohne Fungizid) und Bodenbearbeitungsvariante (nicht-wendend vs. wendend) auf die Erträge der Weizenproduktion in Dahnsdorf in 2008–2019. Durch das Modell (s. Tab. S2) geschätzte Mittelwerte (Punkte) und das 95% Konfidenzinterval (Fehlerbalken) sind in rot gegeben. Gruppen, die in einem Jahr keinen Buchstaben teilen sind in diesem Jahr signifikant voneinander verschieden.

In fünf von zwölf Jahren ergeben sich keinerlei signifi­kante Ertragsunterschiede zwischen den acht Varianten. Dies beinhaltet mit 2011, 2013, 2018 und 2019 die trockensten Jahre, in denen die Ertragswirkung des abiotischen Stresses die Wirkung der eigentlichen Versuchsfaktoren offensichtlich nicht zur Geltung kommen lässt. In 2008 lag das Ertragsniveau sehr hoch, jedoch weisen die Erträge der zehn Wiederholungen je Variante eine große Streuung auf, weshalb keine Effekte nachzuweisen sind. Ein ähnliches Bild zeigt sich in 2009, wo lediglich „GfP, mit Fungizid, wendend“ einen signifikant höheren Ertrag im Vergleich zu „IPS, ohne Fungizid, nicht-wendend“ aufweist. Der Faktor Bodenbearbeitung wirkt sich nur in vier von zwölf Jahren auf die Erträge aus. In 2012 und 2015 weisen die gepflügten Varianten jeweils höhere Erträge auf im Vergleich zur entsprechenden Vergleichsvariante aus Pflanzenschutzstrategie und Fungizidvariante. In 2009 und 2016 weisen die gepflügten Varianten nur mit Fungizideinsatz höhere Erträge auf als die nicht-wendenden Vergleichsvarianten. In fünf von zwölf Jahren zeigt sich eine signifikante Ertragswirkung des Fungizideinsatzes. In 2017 zeigen sämtliche Vergleichsvarianten aus Pflanzenschutzstrategie und Bodenbearbeitung „mit Fungizid“ höhere Erträge als „ohne Fungizid“. In 2016 ist es ähnlich, nur, dass sich die beiden „IPS, nicht-wendend“ Varianten ertraglich nicht hinsichtlich Fungizidvariante unterscheiden. In 2014 und 2015 ist unterscheiden sich lediglich die Vergleichsvarianten in GfP.

Während die CO₂-Fußabdrücke in den besten Jahren knapp über 0,3 kg CO₂eq kg^–1 liegen, steigen Sie in den Jahren mit niedrigem Ertragsniveau, d.h., 2011, 2013, 2018 und 2019 im Mittel auf über 0,5 kg CO₂eq kg^–1. In 2013 führten zudem die durch die Kalkung der Flächen erhöhten THG-Emissionen zu den höchsten CO₂-Fußabdrücken aller Jahre. In den Jahren 2008–2010 sowie 2018 zeigen sich keinerlei Unterschiede zwischen den acht Versuchsvarianten.

Hinsichtlich des Effekts des Fungizideinsatzes zeigen sich in sieben von zwölf Jahren signifikant geringere, d.h., bessere CO₂-Fußabdrücke „mit Fungizid“ im Vergleich zu „ohne Fungizid“. In 2012, 2013 und 2015 zeigen sich die Vorteile nur in den Varianten „GfP, wendend“. In 2011, 2014, 2016 und 2017 zeigen sich die Vorteile von „mit Fungizid“ in allen Vergleichsvarianten bis auf in „IPS, nicht-wendend“.

Die Pflanzenschutzstrategien zeigen nur in drei von zwölf Jahren signifikante Effekte auf den CO₂-Fußabdruck. So schneidet in 2014 und 2016 GfP in der Variante „ohne Fungizid, wendend“ schlechter ab, als die Vergleichsvariante in IPS. In 2019 hingegen weist GfP in der Variante „mit Fungizid, nicht-wendend“ einen geringeren CO₂-Fußabdruck auf als die entsprechende Vergleichsvariante in IPS.

Der Faktor Bodenbearbeitung zeigt in vier von zwölf Jahren signifikante Effekte auf den CO₂-Fußabdruck. In 2011, 2013 und 2019 zeigt die wendende Variante in den Varianten „GfP, ohne Fungizid“ einen höheren CO₂-Fußabdruck als die nicht-wendende Variante. Hingegen zeigt die gepflügte Variante in 2015 in „IPS, mit Fungizid“ einen geringeren CO₂-Fußabdruck als die nicht-wendende Variante.

Im Vergleich der beiden Pflanzenschutzstrategien GfP und IPS zeigen sich nur geringe Effekte hinsichtlich CO₂-Fußabdruck. In der umfänglichen Bewertung über den gesamten Versuchszeitraum (Abb. 4), unter Berücksichtigung von „Jahr“ als zufälligem Effekt im gemischten Model, zeigten sich keine signifikanten Effekte der Pflanzenschutzstrategie. Bei der jahresspezifischen Bewertung, unter Berücksichtigung von „Jahr“ als fixem Effekt im gemischten Modell (Abb. 8), schnitt GfP im Vergleich zu IPS in der Variante „ohne Fungizid, wendend“ in zwei von zwölf Jahren schlechter ab. In einem Jahr schnitt GfP im Vergleich zu IPS in der Variante „mit Fungizid, nicht-wendend“ besser ab.

Abb. 8. Jahresspezifischer Einfluss der drei Versuchsfaktoren Pflanzenschutzstrategie (GfP vs. IPS), Fungizid­variante (mit vs. ohne Fungizid) und Bodenbearbeitungsvariante (nicht-wendend vs. wendend) auf den CO₂-Fußabdruck der Weizenproduktion in Dahnsdorf in 2008–2019. Durch das Modell (s. Tab. S2) ge­schätzte Mittelwerte (Punkte) und das 95% Konfidenzinterval (Fehlerbalken) sind in rot gegeben. Die Daten wurden für die Analyse aufgrund Varianzheterogenität log-transformiert; entsprechend ist die Y-Achse log-skaliert. Gruppen, die in einem Jahr keinen Buchstaben teilen sind in diesem Jahr signifikant voneinander verschieden.

Der Verzicht auf Fungizide führte über den gesamten Versuchszeitraum betrachtet (Abb. 4) in allen Varianten außer in „IPS, nicht-wendend“ zu einem signifikant erhöh­ten CO₂-Fußabdruck. In sieben von zwölf Jahren zeigten sich zudem Vorteile des Fungizideinsatzes hinsichtlich Klimaschutz (Abb. 8). Es zeigt sich zudem, dass die Nachteile des Verzichts auf Fungizide der Strategie IPS schwächer ausfallen als in GfP. Dies kann vorrangig durch die erhöhte Sortenresistenz in IPS gegenüber GfP erklärt werden. Eine tiefergehende Analyse zum Pathogenauftreten und ertragssichernden Effekt des Fungizideinsatzes in dem für die vorliegende Studie genutzten Feldversuch, findet sich in Klocke et al. (2020). Auch in der Studie von Wójcik-Gront (2018), die auf polnischen Sortenversuchsdaten aufbaut, zeigte sich der positive Beitrag des Fungizideinsatzes zum Klimaschutz, der vor allem über die Reduzierung der Ertragsvariabilität wirkte.

Die gepflügten Varianten zeigten trotz der in allen Vari­anten über den Gesamtzeitraum betrachtet signifikant erhöhten THG-Emissionen je Hektar (Abb. 2), keine signifikant höheren CO₂-Fußabdruck auf (Abb. 4). In der jahresspezifischen Betrachtung zeigte die gepflügte Variante in „GfP, ohne Fungizid“ in drei Jahren einen höheren CO₂-Fußabdruck als die nicht-wendende Variante. In einem Jahr wies die gepflügte Variante „IPS, mit Fungizid“ hingegen einen geringeren CO₂-Fußabdruck als die nicht-wendende Variante auf. Im Gegensatz hierzu stellte der Pflug in der Studie von He et al. (2019) beim Weizen­anbau auf dem chinesischen Löss-Plateau im Vergleich zu verschiedenen reduzierten Bodenbearbeitungsvarianten sowohl bei den THG-Emissionen pro Fläche als auch beim CO₂-Fußabdruck die schlechteste Variante mit den höchsten Emissionen da. Auch bei Zhang et al. (2016), die verschiedene Bodenbearbeitungsvarianten im dominanten Winterweizen-Mais-Doppelanbausystem in der Nord­chinesischen Tiefebene untersuchten, wies die gepflügte Variante die höchsten Emissionen mit durchschnittlich 4613 kg CO₂eq ha^‑1 für den Weizen auf. Beim CO₂-Fußabdruck lagen die Werte der reduzierten und gepflügten Variante bei Zhang et al. (2016) bei je ca. 0,65 kg CO₂eq kg^‑1, ohne signifikante Unterschiede zwischen den Varianten. Die höheren Werte gegenüber der vorliegenden Studie, die im Mittel über alle Varianten und Jahre in Dahnsdorf bei 3002 kg CO₂eq ha^‑1 bzw. 0,53 kg CO₂eq kg^‑1 liegen, sind vorrangig durch den Energieeinsatz für die notwendige Bewässerung in China begründet.

Auch bei Ha et al. (2015b) zeigten sich wesentlich höhere CO₂-Fußabdrücke der Weizenproduktion von durchschnittlich sogar 0,9 kg CO₂eq kg^‑1. Da diese Studie auf Praxisdaten chinesischer Weizenbauern basiert, spielt hier neben der Bewässerung auch suboptimales Input­management eine Rolle. Es zeigte sich in dieser Region jedoch auch, dass erhöhte Inputintensität nicht zu höheren CO₂-Fußabdrücken führt (Ha et al., 2015a). Bei der Analyse von Produktionsdaten von 281 iranischen Weizenbauern lagen die Emissionen im nicht-bewässerten Weizenanbau bei vergleichsweise geringer Inputintensität bei 1600 kg CO₂eq ha^‑1 und 0,55 kg CO₂eq kg^‑1 (Tahmasebi et al., 2018). Bei Wójcik-Gront (2018) lagen die CO₂-Fußabdrücke in den polnischen Sortenversuchen im Durchschnitt zwischen 0,33 kg CO₂eq kg^‑1 bei niedrigem Ertragsniveau und nur 0,2 kg CO₂eq kg^‑1 bei hohem Ertrags­niveau. Für das Vereinigte Königreich errechneten Tuomisto et al. (2012) einen CO₂-Fußabdruck für die konventionelle und ökologische Weizenproduktion von rund 0,36 kg CO₂eq kg^‑1. Trost (2015) bewertete den konventionellen Weizenanbau basierend auf einem Feldversuch in Nordost-Deutschland mit rund 1200–1600 kg CO₂eq ha^‑1 und einem CO₂-Fußabdruck von 0,35–0,4 kg CO₂eq kg^‑1. In einer globalen Betrachtung kommen Nemecek et al. (2012) auf mittlere THG-Emissionen von 2165 kg CO₂eq ha^‑1 bei einer Standardabweichung von 1439 kg CO₂eq ha^‑1 sowie einem CO₂-Fußabdruck von 0,2 bis 0,70 kg CO₂eq kg^‑1.

Die Gründe für die Unterschiede in den Bewertungsergebnissen sind divers. Neben den Unterschieden in der Inputintensität spielen besonders bodenklimatische Unter­schiede und entsprechende Unterschiede im Ertrags­potential eine wichtige Rolle. Des Weiteren beeinflussen Unterschiede in den gewählten Emissionsfaktoren, d.h., die angenommenen CO₂eq je Einheit der jeweiligen Inputs, die Ergebnisse. Durch die Nutzung anerkannter Datenbanken (IPCC, 2006; Wernet et al., 2016; KTBL, 2019) und allgemein akzeptierter Berechnungsverfahren (IPCC, 2006; Myhre et al., 2013) versucht die vorliegende Studie Transparenz und Reproduzierbarkeit sicherzustellen.

Die Umfänglichkeit der vorliegenden Studie ist durch die Nicht-berücksichtigung möglicher Veränderungen des Bodenkohlenstoffgehalts (C_org-gehalt) limitiert. Mögliche unterschiedliche Veränderungen des C_org-gehalts in verschiedenen Versuchsvarianten konnten so nicht berücksichtigt werden. Obwohl Erhebungsdaten hierzu vorliegen wurde von einer Berücksichtigung abgesehen, da der bewertete Weizen nur eines von sechs Fruchtfolgegliedern darstellt. Den Beitrag des Fruchtfolgeglieds Weizen auf mögliche Veränderungen im C_org-Gehalt über den Versuchszeitraum zu bewerten ist nicht zielführend möglich. Da ein substantieller Teil des Boden­kohlenstoffpools dem labilen Pool zuzuordnen ist, der innerhalb von Monaten bis wenigen Jahren umgesetzt wird (FAO, 2017), sind Veränderungen über einen Winterweizenzyklus vorrangig als Vorfruchteffekte anzusehen. Nichtsdestotrotz könnte eine Berücksichtigung der Veränderung im C_org-Gehalt die Bewertung, besonders im Hinblick auf wendende vs. nicht-wendende Boden­bearbeitung beeinflussen. Bei Zhang et al. (2016) zeigte sich bei Berücksichtigung der Veränderungen im C_org-Gehalt eine deutliche stärkere Reduzierung des CO₂-Fußabdrucks unter reduzierter Bodenbearbeitung im Vergleich zum Pflug.

Letztlich muss auch darauf hingewiesen werden, dass der Klimaschutz nur eines von mehreren ökologischen Nachhaltigkeitszielen darstellt. Im Hinblick auf die vorliegende Studie gilt dies vor allem für den Bodenschutz bzw. Erosionsschutz, der nicht betrachtet werden konnte, jedoch bzgl. Bodenbearbeitung durchaus von Bedeutung ist. Zudem könnte eine Bewertung des Risikos des Pflanzenschutzmitteleinsatzes, wie dies von Krengel-Horney et al. (2020) für das Versuchsfeld Dahnsdorf durchgeführt wurde, ein umfassenderes Bild liefern, und helfen Zielkonflikte zu erkennen und aufzulösen.

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