Technische Universität München

Minderung von Nitratausträgen

in Trinkwassereinzugsgebieten

durch optimiertes Stickstoffmanagement

Hans Eisenmann-Akademie, 11.11.2015, Weihenstephan

Prof. Dr. habil. Kurt-Jürgen Hülsbergen, Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme

Minderung von Nitratausträgen in Trinkwasserschutzgebieten

� Problemstellung Intensive Landwirtschaft und Trinkwasserschutz

Nutzungskonflikte in der Modellregion Hohenthann

� Wissenschaftliche Grundlagen Zusammenhang Tierbesatz – Gülleanfall – N-Verlustgefährdung

Modellierung von Nährstoffkreisläufen

� Projektergebnisse Betriebsstruktur – Stickstoffflüsse – Nitratverluste

Ableitung von Nitratminderungsstrategien

� Schlussfolgerungen

N-Anfall aus der Tierhaltung und N-Salden

(BMELV 2013, Frede 2014)

Eigenschaften und Wirkungen von Schweinegülle

Inhaltsstoffe Mittlere Gehalte

Eigenschaften und Wirkungen

TS-Gehalt (%) 5 – 8 geringer TS-Gehalt, gute Fließfähigkeit + Infiltration relativ geringe Transportwürdigkeit

P2O5 (kg/m3) 2 – 4 Gehalt an Makro- und Mikronährstoffen, harmonische Düngung

N (kg/m3) 3 – 6

NH4-N (kg/m3)NH4-N (% des N)

2 – 4 40 – 70

pflanzenverfügbarer N, schnelle und direkte Wirkungverlustgefährdet (NH3), schnelle Umwandlung in NO3

-

Norg (kg/m3) 2 – 3 Norg-Akkumulation in der organ. Bodensubstanz Erhöhung des N-Mineralisationspotenzials nach Mineralisation pflanzenverfügbar + verlustgefährdet

Corg (kg/m3) 30 – 60 Humusreproduktion, C-Humifizierungsrate: 0,20

C:N 6…8 : 1 enges C:N-Verhältnis, relativ schnelle N-Nachlieferung

Sutton et al. (2011): Nature 472, 159-161.

Ertragswirkung organisch-mineralischer Düngung

TM-Ertrag, Haupt- und Nebenprodukte (nach 30 Jahren Versuchsdauer)

y = 73,6 + 0,36 x1 + 0,61 x2 – 0,00076 x12 – 0,00208 x2

2 – 0,00138 x1x2 B = 0,98+ sR = 3,6

Mineral-N (kg ha-1)0 30 60 90 120 150

70

80

90

100

110

120

130

147

OD0OD1OD2OD3

TM

-Ert

rag

(dt

ha-

1 )

Ertragswirkung organisch-mineralischer Düngung

TM-Ertrag, Haupt- und Nebenprodukte (nach 30 Jahren Versuchsdauer)

y = 73,6 + 0,36 x1 + 0,61 x2 – 0,00076 x12 – 0,00208 x2

2 – 0,00138 x1x2 B = 0,98+ sR = 3,6

Mineral-N (kg ha-1)0 30 60 90 120 150

70

80

90

100

110

120

130

130

147

OD0OD1OD2OD3

TM

-Ert

rag

(dt

ha-

1 )

Ertragswirkung organisch-mineralischer Düngung

TM-Ertrag, Haupt- und Nebenprodukte (nach 30 Jahren Versuchsdauer)

y = 73,6 + 0,36 x1 + 0,61 x2 – 0,00076 x12 – 0,00208 x2

2 – 0,00138 x1x2 B = 0,98+ sR = 3,6

Mineral-N (kg ha-1)0 30 60 90 120 150

70

80

90

100

110

120

130

130113

147

OD0OD1OD2OD3

TM

-Ert

rag

(dt

ha-

1 )

Ertragswirkung organisch-mineralischer Düngung

TM-Ertrag, Haupt- und Nebenprodukte (nach 30 Jahren Versuchsdauer)

y = 73,6 + 0,36 x1 + 0,61 x2 – 0,00076 x12 – 0,00208 x2

2 – 0,00138 x1x2 B = 0,98+ sR = 3,6

Mineral-N (kg ha-1)0 30 60 90 120 150

70

80

90

100

110

120

130

130113

147

97

OD0OD1OD2OD3

TM

-Ert

rag

(dt

ha-

1 )

N-Salden (potenzielle N-Verluste)

Dauerdüngungsversuch Seehausen (nach 30 Jahren Versuchsdauer)

y = 9,3 + 0,251 x1 + 0,00189 x22 + 0,001028 x12 B = 0,91+ sR= 9,6

0 30 60 90 120 1500

20

40

60

80

100

120

OD3OD2OD1OD0

N-S

ald

o(k

g ha

-1)

Mineral-N (kg ha-1)

Entwicklung der Nt-Gehalte, SimulationswerteDüngungsversuch Seehausen: 40 % Hackfrucht, 60 % Getreide

70

80

90

100

110

120

130

140

150

ungedüngt Mineral-N Organ-N Organ-N + Mineral-N

No

rg-G

eh

alt

(m

g 10

0g-1

)

0 35 Jahre

Beziehung zwischen N-Saldo und Nitratvorrat (1 - 7,5 m Tiefe)

Dauerdüngungsversuch Seehausen

y = 75,7 e0,012 x B = 0,91+ sR= 37,1

N-Saldo (kg/ha)

NO

3-N

(kg

/ha)

0 20 40 60 80 100 12050

100

150

200

250

300

350

Tiefenbohrung auf einer Versuchsfläche

N-Saldo (kg ha-1)

NO

3- -N

(kg

ha-1

)

Verbundprojekt

Landwirtschaft und Trinkwasserschutz

Hohenthann

FE-Projekt

Minderung von Nitratausträgen in

Trinkwassereinzugsgebieten durch

optimiertes Stickstoffmanagement

Bearbeiter

Technische Universität München

FE-Projekt

Landwirtschaft und

Grundwasserschutz in der

Gemeinde Hohenthann

Bearbeiter

Bayerisches Landesamt für Umwelt

FE-Projekt

Grundwasserschonende

Landbewirtschaftung am Beispiel der

Gemeinde Hohenthann

Bearbeiter

Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft

Struktur Forschungsprojekt Hohenthann

Teilprojekt 1

Modellierung Stickstoffkreisläufe

Nitratminderungsstrategien

Teilprojekt 2

Feldversuche auf Praxisschlägen

Teilflächenspezifische N-Düngung

Projektmitarbeiter, TU München

Projektleitung

� Prof. Dr. Kurt-Jürgen Hülsbergen

� Dr. Franz Xaver Maidl

Doktoranden

� Felix Forster, M.Sc.

� Josef Prücklmaier, M.Sc.

Wissenschaftlich-technische Mitarbeiter

� Dipl. Chem. Bernd Lemnitzer (Labor)

� Dipl. Ing.(FH) Andreas Kern (Feldversuche)

� Iris Leineweber (Feldversuche, Probenahme)

Bachelor- und Masterarbeiten, Studentische Hilfskäfte

Zusammenarbeit mit Landwirten

• Bereitstellung von Flächen für Versuche

• Bereitstellung von Betriebsdaten für Stickstoffbilanzen

• Sensorgestützte Analyse der Erträge und N-Entzüge

• Übergabe der Untersuchungsergebnisse

• Auswertung und Diskussion der Ergebnisse

Nitratkonzentration im Grundwasser Bayerns

Untersuchungszeitraum 2007 bis 2012 (Simon-O'Malley 2014)

9.850 MessstellenÖffentliche Wasserversorgung

Staatliche Überwachungsprogramme

� Intensive Nutzung landwirtschaftlicher Flächen aufgrund günstiger

Standortbedingungen (75 % Ackerfläche)

Problemstellung in der Modellregion Hohenthann

� Erhöhung der Nutzungsintensität durch Ausbau der

Schweinehaltung und Bau von Biogasanlagen

� Tierbesatz bis > 2,0 GV ha-1, hohes Gülleaufkommen

� Können die anfallenden Nährstoffmengen pflanzenbedarfsgerecht

genutzt werden? Treten umweltgefährdende Nitratverluste auf?

Untersuchungsgebiet und UntersuchungsflächenProjekt Hohenthann

Betriebstypen

Marktfruchtbau

Marktfruchtbau + Gülle

Milchviehhaltung

Mastschweine

Mastschweine + Biogas

Mastschweine (KG)

Grundwasserfließrichtungen und -einzugsgebiete

(Fritsch & Weidner 2014)

� Anstieg der Nitratkonzentration im Rohwasser,

z.B. in Hohenthann von 25 mg l-1 (2002) auf 38 mg l-1 (2011).

� Als wichtigste Ursache sehen die Wasserversorger

die Intensivtierhaltung und die Gülleausbringung an.

� Bisher lagen keine wissenschaftlich fundierten Untersuchungen

zu den Ursachen des Nitratanstiegs vor.

� Der Zusammenhang zwischen landwirtschaftlicher Flächennutzung

und Nitrat im Grundwasser ist außerordentlich komplex.

Problemstellung in der Modellregion Hohenthann

Entwicklung der Nitratgehalte (Fritsch & Weidner 2014)

Hierarchy of indicators for the assessment of N-loss

to groundwater, SCHRÖDER et al. (2003): European J. of Agronomy, 20, 33-44.

Orientation Spatial scale

Region Farm Field

Goal-orientedNO3 in

groundwaterNO3 in

groundwaterNO3 in

groundwater(mg l-1)

NO3 in shallow groundwater

NO3 in shallow groundwater

NO3 in shallow groundwater

(mg l-1)

NO3 in uppersoil layers

NO3 in uppersoil layers

kg N ha-1

N surplus N surplus kg N ha-1

N input N input kg N ha-1

N input via manure

kg N ha-1

Means-orientedLivestock density

(No. ha-1)

Methoden der Stickstoffbilanzierung

(nach OENEMA et al. (2003): Europ. J. Agronomy 20, 3-16)

Hoftorbilanz Flächenbilanz Stickstoffumsatz

Nitrat

Beschreibung des N-Umsatzes (kg N ha-1 a-1) im Modell REPRO, Beispiel Gülle

Gülle

150

Min. N

75

Org. N

75

NH3-Verlust

15

Humus-Pool

25

Mineralisierung

15

N-Entzug

Denitrifikation (N2, N2O)

Auswaschung (NO3-)

N-Umsatz Boden N-VerlusteDüngerapplikation

Einfluss-faktoren

Düngerart, Düngermenge

N-Gehalt, N-Bindungsform

Ausbringungsbedingungen

Wirksame Mineralisierungszeit

Bodenart, Temperatur, Niederschlag

Humusreproduktion

Org-N-Pool

50

Min-N-Pool

60

Ertrag

Profilaufbau

Sickerwasser

Min-N-Pool

75

Org-N-Pool

35

Organische Dünger

136

Stroh-/Gründüngung

46

Entzug

243

16

Boden

105

Δ Norg

N-Saldo

Futterzukauf

93

Tierzukauf

0

Futter, Stroh

246

Pflanze Tier

N2-Fixierung

Mineraldünger

Immissionen

150

11

20

1

Saatgut

Gülle

5

Lagerverluste

24

NH3-Verluste Stall

25

56

Marktprodukte

Inputs OutputsInnerbetrieblicher Kreislauf

41

Marktprodukte

194

Stickstoffkreislauf, Milchviehhaltung

(kg N ha-1 a-1), Forster & Hülsbergen (2015)

Konservierungsverluste

8

152

Marktprodukte

Immissionen

Saatgut

Mineral-N

191

20

Stroh-/Gründüngung

55

2

-1

Boden

71

Δ Norg

N-Saldo

Gülle, Stallmist

7

2

N-Fixierung

Pflanze

N-Entzug

207

Inputs OutputsInnerbetrieblicher Kreislauf

Stickstoffkreislauf, Marktfruchtbetrieb

(kg N ha-1 a-1), Forster & Hülsbergen (2015)

Immissionen

Saatgut

Mineral-N

143

20

Stroh-/Gründüngung

77

2

9

Boden

109

Δ Norg

N-Saldo

Gülle

111

Pflanze

N-Entzug

239

Inputs OutputsInnerbetrieblicher Kreislauf

162

Marktprodukte

Stickstoffkreislauf, Marktfruchtbetrieb mit Gülleabnahme

(kg N ha-1 a-1), Forster & Hülsbergen (2015)

4

N-Fixierung

Stroh-/Gründüngung

67

Entzug

210

Immissionen

Mineraldünger

96

20

2

179

Tierische Marktprodukte

Substratzukauf

109

Futterzukauf

262

Pflanze

Lagerverluste

52

Gärrest

39

NH3-Verluste Stall

140

32

18

75

Nitrat

Denitrifikation

Ammoniak

195

Gülle

102

153

Gärrest

Biogasanlage

Saatgut

TierzukaufBiomasse

41

Futter

Boden

125N-Saldo

3Δ Norg

49

Tier

Stickstoffkreislauf, Schweinemast + Biogasanlage

(kg N ha-1 a-1), Forster & Hülsbergen (2015)

Inputs OutputsInnerbetrieblicher Kreislauf

Bewertung der N-Salden

N-Saldo beinhaltet:

Ausbringungsverluste (NH3)

Denitrifikationsverluste (N2, N2O)

Auswaschungsverluste (NO3-)

Grenzwert:50 mg/l Nitrat

11,3 mg/l N

Sickerwasser: 200 – 300 mm

Maximale Auswaschung:23 – 34 kg N/ha

Beziehung zwischen Stickstoffinput und Stickstoffsaldo

Flächenbezogene N-Bilanz (Engelmann et al. 2012, Lin et al. 2015)

-25

0

25

50

75

100

125

150

175

50 100 150 200 250 300 350 400 450

N-S

ald

o (

kg

N h

a-1

)

N-Input (kg N ha-1)

Ökologisch, Marktfruchtbau

Ökologisch, Gemischtbetrieb

Konventionell

Konventionell, Hohenthann

y = -35,5 + 0,21 x + 0,0006 x2

r2 = 0,87

Nmin-Probenahme auf Praxisschlägen

� 3 Schläge pro Betrieb

� 2 Ertragszonen

� 10 Parzellen pro SchlagGröße: 20 x 10 m

� 12 Einstiche pro Parzelle

� 3 TermineFrühjahr, Vegetationbeginn

Sommer, nach der GetreideernteHerbst

Nmin-Vorrat, Herbstbeprobung (2014)

n = 5 n = 1 n = 7 n = 8

Nm

in-V

orr

at

[kg

N/h

a]

Nmin-Vorrat, Winterweizen, Herbstbeprobung (2014)

Nm

in-V

orr

at

[kg

N/h

a]

Nmin-Vorrat, Winterweizen nach Mais, Herbst (2014)

Nm

in-V

orr

at

[kg

N/h

a]

Ableitung und Bewertung von Nitrat-Minderungsstrategien

im Dialog mit den Akteuren (Landwirtschaft, Trinkwasserschutz):

Nitrat-Minderungsstrategien

� Begrenzung des Tierbesatzes, Optimierung der Fütterung

� Optimierung der Fruchtfolge (Bodenbedeckung, Zwischenfrüchte)

� Ausbau der Güllelagerkapazität, Gülletransfer in Ackerbauregionen

� Einsatz moderner Gülleapplikationstechnik, Nitrifikationsinhibitoren

� Sensorgestützte teilflächenspezifische N-Düngung

���� Modellierung und Abschätzung der Effekte (Nitrat-Minderung, Kosten)

���� Empehlungen, Beratung und Umsetzung der Maßnahmen

Schema teilflächenspezifischer N-Bilanzierung