Minderung von Treibhausgasemissionen im Rapsanbau

Projekt

Blick auf den Feldversuch in Hohenschulen bei Kiel (c) Uni Kiel/Thomas Räbiger
Blick auf den Feldversuch in Hohenschulen bei Kiel (© Uni Kiel/Thomas Räbiger)

Verbundvorhaben: Minderung von Treibhausgasemissionen im Rapsanbau unter besonderer Berücksichtigung der Stickstoffdüngung; Teilvorhaben 1: Projektkoordination, Aufbau eines Netzwerkes sowie länderübergreifende Datenauswertung und -evaluierung

Aus umwelt- und wirtschaftspolitischen Gründen sollen Kraftstoffe aus Biomasse einen erheblichen Beitrag zur Deckung der Kraftstoffnachfrage in Deutschland und Europa leisten. Rapsöl ist derzeit der wichtigste Rohstoff zur Herstellung von Biodiesel.

Hintergrund und Zielsetzung

Bio-Kraftstoffe sollen seit 2011 gegenüber fossilen Kraftstoffen 35 % weniger Treibhausgasemissionen aufweisen. Das fordert die Erneuerbare-Energien-Richtlinie der EU. Ab 2017 muss sogar eine Einsparung von 50 % erreicht werden. Für die Produktion von Raps als Rohstoff für Biodiesel bedeutet das große Herausforderungen: die erreichte Klimaschutzwirkung entscheidet über die Anrechnung im Rahmen der Quotenregelung für Biokraftstoffe. Ob die Produktion von Raps-Biodiesel die geforderte Klimaschutzeffizienz erreicht, wird maßgeblich durch die Treibhausgasemissionen der landwirtschaftlichen Produktionskette bestimmt.

Daher verfolgt unser Forschungsprojekt folgende Ziele:

  1. Die regional differenzierte Quantifizierung von Treibhausgasemissionen in Rapsfruchtfolgen und die Überprüfung und Bewertung von praxisorientierten Anbaustrategien zu Verringerung ertragsbezogener Emissionen und zur regionalen Optimierung der Klimaschutzleistung von Raps-Biodiesel.
  2. Die ökonomische Bewertung von Winterraps-Anbaustrategien mit optimierter Klimaschutzleistung.
  3. Die Erarbeitung neuer wissenschaftlicher Grundlagen über die Steuerung der N2O-Emission aus Rapsfruchtfolgen, die Regionalisierung von N2O-Emissionsfaktoren sowie für die Bewertung der Humusreproduktionsleistung von Winterraps.
  4. Die Etablierung eines wissenschaftsbasierten europäischen Netzwerks zur Erfassung und Minderung der Treibhausgasemissionen im Rapsanbau.
  5. Die Erarbeitung von Handlungsempfehlungen für die landwirtschaftliche Praxis und Beratungsgrundlagen für die Landwirtschaft in den Bereichen Treibhausgasminderungsstrategien im Rapsanbau sowie die wissenschaftliche Hinterlegung der Politikberatung zur differenzierten Bewertung des Rapsanbaus im Kontext des Klimaschutzes.
Treibhausmessungen im Schnee und im blühenden Raps am Standort Berge
Treibhausmessungen im Schnee und im blühenden Raps am Standort Berge (© Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim/Teresa Suarez)

Zielgruppe

Zielgruppe des Forschungsvorhabens sind landwirtschaftliche Praxis und Beratung, Politik und die Emissionsberichterstattung für den Agrarsektor.

Vorgehensweise

Im Rahmen des Verbundprojekts wurden bundesweit 5 randomisierte Feldversuche angelegt, auf denen die gesamte Fruchtfolge (Winterraps - Winterweizen - Wintergerste) gleichzeitig in unterschiedlichen Düngevarianten vorhanden ist. Neben der Messung von Treibhausgasflüssen und Ammoniakemissionen werden Erträge und zahlreiche Begleitparameter erfasst. Die Messergebnisse liefern neben genaueren Emissionsdaten auch Informationen über Emissionsminderungspotenziale.

Im Verbundprojekt werden auch Praxisdaten und Ergebnisse früherer Feldversuch gesammelt und ausgewertet. Zusammen mit den Messdaten aus dem Projekt ermöglichen diese es, Anbaukonzepte mit optimierter Klimaschutzwirkung zu modellieren und ökologisch-ökonomisch zu bewerten.

Treibhausgasmessung mit manueller Messhaube
Treibhausgasmessung mit manueller Messhaube (© Uni Hohenheim/Katharina Kesenheimer)

Vorläufige Ergebnisse

Effiziente Ansätze zur Minderung von Treibhausgasemissionen sind die Verbesserung der Stickstoffeffizienz  der Rapsölproduktion  sowie der Einsatz von synthetischen Düngern mit niedrigen Produktionsemissionen. Auch die Substitution von Mineraldünger durch organische Dünger kann einen Beitrag zur Emissionsminderung leisten, da dadurch Herstellungsemissionen vermieden werden. Der Einsatz von Gärresten führte trotz resultierender Ammoniakemissionen zu einer Verbesserung der Treibhausgasbilanz. Kritisch zu sehen sind dabei jedoch die Verschlechterung der Stickstoffeffizienz und die Gefahr höherer Stickstoffüberschüsse. Die Kombination von Gärresten  mit Nitrifikationsinhibitoren führte weder zu einer Ertragssteigerung noch zu einer Verbesserung der Stickstoffeffizienz. Die Lachgasemissionen waren geringfügig verringert. Der Einsatz eines stabilisierten Mineraldüngers wurde nur auf einem Standort getestet und zeigte dort keine Vorteile hinsichtlich der Treibhausgasbilanz.

Das Projekt zeigt auf, dass der globale IPCC Tier 1 – Emissionsfaktor die direkten Lachgasemissionen im Rapsanbau überschätzt. In Anlehnung an die Methodik von Stehfest und Bouwman (2006) wurde ein rapsspezifischer, nichtlinearer Zusammenhang zwischen Intensität der Mineraldüngung und direkten Lachgasemissionen abgeleitet. Für einen rapstypischen Düngerinput von 200 kg N a-1 ergibt sich aus dieser Beziehung ein rapsspezifischer Emissionsfaktor von 0,6 %. Die Emissionen schwanken allerdings in der für Lachgas typischen Weise stark zwischen Standorten und Anbaujahren.

Auch bei den indirekten Lachgasemissionen sollte eine Verbesserung der Methodik erfolgen. Die beiden derzeitigen Alternativen zwischen 30 % Verlust des Stickstoffinputs als Nitratauswaschung und keiner Nitratauswaschung erscheinen ungenügend. Für die Feldversuche wurden Auswaschungsverluste von 6 – 15 % modelliert. Für eine gesicherte Bewertung der Nitratauswaschung sind jedoch langfristige Fruchtfolgestudien mit begleitender N-Bilanzierung   und Erfassung der Auswaschungsverluste erforderlich. Bei der Überprüfung der derzeit benutzten Berechnungsansätze wurde deutlich, dass die von Deutschland an die EU-Kommission gemeldeten THG-Bilanzen des Rapsanbaus in den NUTS2-Gebieten eine N-Effizienz annehmen, die unzutreffend ist. Die angenommene Düngung wurde hier den Ernteentzügen gleichgesetzt, was weder den üblichen Düngeempfehlungen entspricht noch wissenschaftlich haltbar ist. Es besteht dringender Bedarf, dies zu berichtigen, da nur dann eine Verbesserung der Methodik umgesetzt werden kann. Da der THG-Emissionswert für den fossilen Referenztreibstoff inzwischen angehoben wurde, würde das Ziel der 50 % Emissionsminderung gegenüber dem Einsatz des fossilen Kraftstoffs selbst ohne Anpassung der Methodik mit realistischen Düngermengen noch erreicht. Diese Anhebung vermindert also die Anreize für die Umsetzung realer Emissionsminderungsmaßnahmen.

Der Rapsanbau ist i.d.R. in getreidedominierte Fruchtfolgeneingebunden. Es existieren mehrere Interaktionen zwischen aufeinanderfolgenden Feldfrüchten, insbesondere in den Bereichen Stickstofftransfer und Verbreitung oder Unterdrückung von fruchtartspezifischen Schädlingen. Diese Fruchtfolgeeffekte sind in der Bilanzierungsmethodik bisher nicht berücksichtigt. Es besteht weiterhin Forschungsbedarf, um einen geeigneten Ansatz hierfür zu erarbeiten. Das Projekt konnte Fruchtfolgeeffekte auf Ertrag und Stickstoffbedarf sowohl hinsichtlich ihres Potentials (in Exaktversuchen) belegen als auch nachweisen, dass sie in der Praxis teilweise genutzt werden. So werden in der landwirtschaftlichen Praxis im Vergleich zum Stoppelweizen im Rapsweizen etwa 5 kg Stickstoff eingespart und 5,6 dt Mehrertrag erzielt. Raps in Selbstfolge führt zu erheblichen Ertragseinbußen und sollte vermieden werden. Neben Getreide als typische Rapsvorfrucht stellen Leguminosen eine gute Alternative dar und können einen Teil des Stickstoffbedarfs decken und so Herstellungsemissionen von Mineraldüngern einsparen.

Der Anbau von Raps ist durch den Anfall einer großen Menge stickstoffreicher Ernteresiduen gekennzeichnet, die auf dem Feld verbleiben und eingearbeitet werden. Dies trägt zu dem guten Vorfruchtwert von Raps bei,  geht aber mit erhöhten  Risiken der Nitratauswaschung und Lachgasemission einher. Auch in den Feldversuchen des Projekts wurden teilweise erhöhe Nitratgehalte und Lachgasemissionen in der Nachernteperiode beobachtet. In Zusatzversuchen mit 15N-markierter Rapsstreu konnten allerdings nur geringe Lachgasemissionen aus dem  Stickstoffpool der Rapserntereste  nachgewiesen werden. Auch die Abfuhr der Rapsstreu konnte nicht als wirkungsvolle Maßnahme zur Reduzierung der Emissionen bestätigt werden.

Es konnte kein fruchtartspezifischer Einfluss des Rapsanbaus auf die Humusbilanz nachgewiesen werden. Vielmehr wurde diese deutlich durch die Historie und aktuelle Praxis der organischen Düngung bestimmt. Die Kombination zweier Techniken führte allerdings im Verlauf des Projekts zu erheblichen messtechnischen Fortschritten bei der Erfassung von CO2-Austauschraten.

Thünen-Ansprechpartner


Beteiligte Thünen-Partner


Messung der Ammoniakemissionen nach Ausbringung von Gärresten
Messung der Ammoniakemissionen nach Ausbringung von Gärresten (© ZALF/Monique Andres)

Beteiligte externe Thünen-Partner


Geldgeber

  • Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR)
    (national, öffentlich)

Zeitraum

8.2012 - 8.2017

Weitere Projektdaten

Projekttyp:
Projektfördernummer: 22403212
Projektstatus: läuft

Eddy-Kovarianz-Anlagen zur Messungen von CO2- und Lachgasflüssen aus einem Rapsschlag in Dedelow
Eddy-Kovarianz-Anlagen zur Messungen von CO2- und Lachgasflüssen aus einem Rapsschlag in Dedelow (© Thünen-Institut/AK)

Publikationen

Anzahl der Datensätze: 6

  1. Weiser C, Fuß R, Kage H, Flessa H (2018) Do farmers in Germany exploit the potential yield and nitrogen benefits from preceding oilseed rape in winter wheat cultivation? Arch Agron Soil Sci 64(1):25-37, DOI:10.1080/03650340.2017.1326031
  2. Lucas-Moffat AM, Huth V, Augustin J, Brümmer C, Herbst M, Kutsch W (2018) Towards pairing plot and field scale measurements in managed ecosystems: Using eddy covariance to cross-validate CO2 fluxes modeled from manual chamber campaigns. Agric Forest Meteorol 256-257:362-378, DOI:10.1016/j.agrformet.2018.01.023
  3. Moffat AM, Brümmer C (2017) Improved parameterization of the commonly used exponential equation for calculating soil-atmosphere exchange fluxes from closed-chamber measurements. Agric Forest Meteorol 240:18-25, DOI:10.1016/j.agrformet.2017.03.005
  4. Ruser R, Fuß R, Andres M, Hegewald H, Kesenheimer K, Köbke S, Räbiger T, Suarez Quinones T, Augustin J, Christen O, Dittert K, Kage H, Lewandowski I, Prochnow A, Stichnothe H (2017) Nitrous oxide emissions from winter oilseed rape cultivation. Agric Ecosyst Environ 249:57-69
  5. Walter K, Don A, Fuß R, Kern J, Drewer J, Flessa H (2015) Direct nitrous oxide emissions from oilseed rape cropping - a meta-analysis. Global Change Biol Bioenergy 7(6):1260-1271, DOI:10.1111/gcbb.12223
  6. Fuß R, Augustin J, Christen O, Dittert K, Flessa H, Heilmann H, Kage H, Kern J, Kutsch W, Mühling KH, Lewandowski I, Prochnow A, Ruser R, Senbayram M (2013) Minderung von Treibhausgasemissionen im Rapsanbau – ein Verbundprojekt : [Poster für]: Jahrestagung der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft (07.-12.09.2013 in Rostock). DBG2013-161 p
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Das Projekt in den Medien

In der Bayern-2-Radio-Sendung 'IQ - Wissenschaft und Forschung' vom 3.6.2015 sprechen Franz Xaver Maidl (TU München-Weihenstephan) und Roland Fuß über Lachgasemissionen aus dem Rapsanbau.

Link zum Interview:

http://www.br.de/radio/bayern2/wissen/iq-wissenschaft-und-forschung/lachgas-wie-kann-rapsanbau-nachhaltiger-werden-100.html