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Project
Network of Pilot Farms I: Climate change impacts and sustainability of farming systems
Climate change impacts and sustainability of farming systems - assessments in a network of pilot farms
Agricultural activities of farms and the activities’ contributions to climate change are highly complex. Organic and conventional farms are different in methods, input and yield level. It is unknown if and how environmental effects and sustainability of farms differ systematically with respect to farming system and region. Climate [change] impacts of agricultural production in 80 organic and conventional dairy farms and cash crop farms in Germany are analyzed and modelled.
Background and Objective
Research methods on sustainability analyses based on whole farm approaches are only rarely available, particularly with regard to real farms acting in the actual economic and legal setting. This is where the project focuses on: A network of organic and conventional so-called pilot farms is established in Germany to facilitate long-term systemic research. . Two research topics are addressed:
a) Greenhouse gas emissions of farming systems: Organic and conventional farming systems are analysed with respect to emissions of CO2, N2O and CH4 on the farm level. Greenhouse gas emissions in plant and milk production are modelled, the main drivers of emissions are identified and from this, mitigation strategies are deducted. b) Sustainability of farming systems: Indicators that describe and compare soil fertility, soil protection (soil erosion, soil compaction, humus content), water protection issues, biodiversity and landscape aspects are analysed to describe environmental sustainability of farming systems.
Approach
40 organic and 40 conventional German farms were explored with respect to dairying and cropping from 2009 to 2014. Whole-farm greenhouse gas balances were calculated on basis of farm and analytical data. All relevant pre-chain and farm processes and emissions as well as energy, nitrogen and carbon flows and land use changes were considered.
Data and Methods
To include a wide range of site and management conditions 80 organic and conventional farms were selected from four German regions in a paired approach (one organic and one conventional farm located close to each other form a pair of dairy farms or cash crop farms, respectively). Farm management data were assessed from 2009 to 2014 by interviews with the farmers and their available records. In the first years, samples of feedstuff, livestock manure, soils and plants were taken and analysed. Wheat yields and clover grass yields were determined on the farms. Greenhouse gas emissions were modelled with the software REPRO. Additionally, the effects of different modelling approaches in milk production on greenhouse gas emissions from enteric fermentation and manure were studied in detail.
Results
The results show a high variability of greenhouse gas flows depending on site conditions, farm structure, intensity and management. Critical emissions points and insecurities in modelling were identified. First steps to develop an advisory concept on climate smart agriculture were done.
In detail, we found:
In all parameters and all results the group of organic farms showed to be far more diverse than the group of conventional farms. The annual milk yield also varied widely between the organic farms which increased heterogeneity in all product related results.
On average, the organic dairy cows had lower milk yileds than the conventional dairy cows. For this reason, all average product related emissions were higher for the organic farms.
Comparing CO2 balances of the organic and conventional farms in the South and in the West as opposed to the emission only, the picture changed. The CO2 balance also takes pre-chain emissions into account (such as production of chemical-synthetic fertilizers or buying feedstuffs form abroad) and also considers CO2 storage in soils. The CO2 balance revealed that on average, organic farms work with lower energy input (predominantly because they do not use chemical-synthetic fertilizers for feedstuff production) and bind more CO2 in their soils (mainly because of a high share of clover-grass in the crop rotations). Conventional farms reached their higher milk yields by feeding maize silage and concentrates produced on farm and off farm (using large inputs of chemical nitrogen fertilizers). Using soy bean extraction feeds, which are banned from use in organic farming, leads to CO2 emissions from soils (due to land use change from rain forest to arable land). On average, the animal related CO2 balance was lower for organic than for conventional farms, while the product related CO2 balance was not different per kg of energy corrected milk.
Enteric methane emissions had the largest share on the emissions (both animal related and product related). To a large extent, enteric emissions are genetically given but can nevertheless be decreased by offering high quality roughage and a ration adequate for the cows’ milk yield. The method by which enteric emissions are determined largely effects the level of results. For that reason, one and the same method must be used if comparisons are made (e.g. comparing farms or systems).
Emissions from dairy cow excreta also had a high share on the overall emissions. No differences were found between straw based and slurry based systems. While some of these emissions from excreta are inevitable, the largest share can be reduced considerably by applying well-established methods during storage and application of manures.
Links and Downloads
www.pilotbetriebe.de
Involved external Thünen-Partners
-
Technische Universität München
(München, Freising-Weihenstephan, Deutschland) -
Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
(Bonn, Deutschland) -
Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
(Halle (Saale), Deutschland) -
Bioland Beratung GmbH
(Mainz, Deutschland)
Funding Body
-
Federal Ministry of Food und Agriculture (BMEL)
(national, öffentlich) -
Bundesprogramm Ökologischer Landbau (BÖLN)
(national, öffentlich)
Duration
12.2008 - 7.2014
More Information
Project funding number: 06OE353 (Thünen-Institut), 06OE353 (TUM)
Funding program: Bundesprogramm Ökologischer Landbau und andere Formen nachhaltiger Landwirtschaft (BÖLN)
Project status:
finished
Publications
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Hülsbergen KJ, Schmid H, Chmelikova L, Rahmann G, Paulsen HM, Köpke U (2023) Umwelt- und Klimawirkungen des ökologischen Landbaus. 1. Auflage. Berlin: Verlag Dr Köster, 102 p, Weihenstephaner Schriften 16
- 1
Wagner K, Brinkmann J, March S, Hinterstoißer P, Schulz F, Schüler M, Warnecke S, Paulsen HM (2022) Einfluss der Wirtschaftsweisen auf die Tierwohlsituation in den Milchviehbetrieben auf Basis des Welfare Quality® Protokolls. Thünen Rep 92:227-247, DOI:10.3220/REP1646034190000
- 2
Wagner K, Schulz F, Brinkmann J, March S, Hinterstoißer P, Schüler M, Warnecke S, Paulsen HM (2022) Problembereiche der Tierwohlsituation und mögliche Maßnahmen zu deren Verbesserung in den Milchviehbetrieben des Pilotbetriebenetzwerks. Thünen Rep 92:205-225, DOI:10.3220/REP1646034190000
- 3
Wagner K, Brinkmann J, March S, Hinterstoißer P, Warnecke S, Schüler M, Paulsen HM (2018) Impact of daily grazing time on dairy cow welfare-results of the Welfare Quality® Protocol. Animals MDPI 8(1):1, DOI:10.3390/ani8010001
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Warnecke S, Paulsen HM (2015) Berechnung des Klimawirkungspotentials der Milchkuhexkremente ökologisch und koventionell wirtschaftender Betriebe in Deutschland aus Stall, Melkstand, Lager und Weidegang. Thünen Rep 29:49-62
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Paulsen HM, Warnecke S, Schmid H, Frank H, Brinkmann J, March S, Koopmann R (2015) Haltungsbedingungen, Tiergesundheits- und Tierwohlparameter und Medikamenteneinsatz in der Milchviehhaltung auf je zwei ökologischen und konventionellen Betrieben sowie Auswirkungen von Optimierungsansätzen zur Verbesserung der Situation der Tiere auf die Klimabilanz der Milcherzeugung. Thünen Rep 29:119-148
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Paulsen HM, Frank H, Hülsbergen KJ, Rahmann G, Schmid H, Warnecke S (2015) Klimagase und deren Minderung bei der Milchproduktion. In: Häring AM, Hörning B, Hoffmann-Bahnsen R, Luley H (eds) Beiträge zur 13. Wissenschaftstagung Ökologischer Landbau "Am Mut hängt der Erfolg: Rückblicke und Ausblicke auf die ökologische Landbewirtschaftung". pp 102-105
- 7
Hülsbergen KJ, Schmid H, Paulsen HM, Rahmann G (2015) Klimawirkungen und Nachhaltigkeit der Landwirtschaft : Untersuchungen in einem Netzwerk der Pilotbetriebe. Lebendige Erde 16(1):33
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Hülsbergen KJ, Rahmann G (eds) (2015) Klimawirkungen und Nachhaltigkeit ökologischer und konventioneller Betriebssysteme – Untersuchungen in einem Netzwerk von Pilotbetrieben : Forschungsergebnisse 2013-2014. Braunschweig: Johann Heinrich von Thünen-Institut, 175 p, Thünen Rep 29, DOI:10.3220/REP_29_2015
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Warnecke S, Paulsen HM (2015) Unterschiedliche Fütterung: Treibhausgaslast der Milch von vier Milchviehbetrieben. In: Häring AM, Hörning B, Hoffmann-Bahnsen R, Luley H (eds) Beiträge zur 13. Wissenschaftstagung Ökologischer Landbau "Am Mut hängt der Erfolg: Rückblicke und Ausblicke auf die ökologische Landbewirtschaftung". pp 106-109
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Warnecke S, Schulz F, Paulsen HM, Rahmann G (2014) Differences in feeding practices on organic and conventional dairy farms - data from a farm network. Thünen Rep 20, Vol. 2:343-346
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Warnecke S, Paulsen HM, Schulz F, Rahmann G (2014) Greenhouse gas emissions from enteric fermentation and manure on organic and conventional dairy farms - an analysis based on farm network data. Organic Agric 4(4):285-293, DOI:10.1007/s13165-014-0080-4
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Paulsen HM, Warnecke S, Schüler M (2014) Modell und Realität : Erfahrungen zur Berechnung von Treibhausgasemissionen aus der Milchviehhaltung auf Basis von Daten ökologischer und konventioneller Betriebe. Forschung Themenheft 2/2014:44-49
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Paulsen HM, Warnecke S, Rahmann G (2014) Options to reduce greenhouse gas emissions from enteric fermentation and manure handling in dairy farming – An analysis based on farm network data. Thünen Rep 20, Vol. 2:441-444
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Warnecke S, Schulz F, Paulsen HM, Rahmann G (2013) Berechnung emissionswirksamer Substanzen in Exkrementen der Milchkühe ökologischer und konventioneller Betriebe in Deutschland basierend auf den Futterrationen und den Futterinhaltsstoffen. Thünen Rep 8:207-227
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Hülsbergen KJ, Rahmann G (eds) (2013) Klimawirkungen und Nachhaltigkeit ökologischer und konventioneller Betriebssysteme - Untersuchungen in einem Netzwerk von Pilotbetrieben. Braunschweig: Johann Heinrich von Thünen-Institut, 412 p, Thünen Rep 8, DOI:10.3220/REP_8_2013
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Schmid H, Blank B, Bokemeyer J, Braun M, Buchwald K-D, Christen O, Frank H, Höhne E, Hülsbergen KJ, Kassow A, Köpke U, Lind P, Maier H, Neuhoff D, Peter J, Plagge J, Paulsen HM, Rahmann G, Reents HJ, Rudolf H, et al (2013) Methodischer Ansatz. Thünen Rep 8:11-31
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Paulsen HM, Schulz F, Warnecke S, Blank B, Schaub D, Rahmann G (2013) Treibhausgasemissionen aus Verdauung und Wirtschaftsdüngern - gibt es eindeutige Aussagen? In: Institut für Ökologischen Landbau (ed) Klimawirkungen und Nachhaltigkeit ökologischer und konventioneller Pilotbetriebe in Deutschland : wissenschaftliche Tagung ; Thünen-Institut Braunschweig im Forum am Mittwoch, 27. Februar 2013. Braunschweig: Johann Heinrich von Thünen-Institut, pp 23-27
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Schaub D, Rösemann C, Frank H, Paulsen HM, Blank B, Hülsbergen KJ, Rahmann G (2013) Treibhausgasemissionen ökologischer und konventioneller Milchviehbetriebe - Berechnung ausgewählter Teilbereiche mit den Modellen REPRO und GAS-EM unter besonderer Berücksichtigung der Fütterungsmodellierung. Thünen Rep 8:229-258
- 19
Schulz F, Warnecke S, Paulsen HM, Rahmann G (2013) Unterschiede der Fütterung ökologischer und konventioneller Betriebe und deren Einfluss auf die Methan-Emission aus der Verdauung von Milchkühen. Thünen Rep 8:189-205
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Blank B, Schaub D, Paulsen HM, Rahmann G (2013) Vergleich von Leistungs- und Fütterungsparametern in ökologischen und konventionellen Milchviehbetrieben in Deutschland. Landbauforsch Appl Agric Forestry Res 63(1):21-28, DOI:10.3220/LBF_2013_21-28
https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/bitv/dn051732.pdf
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Paulsen HM, Blank B, Schaub D, Aulrich K, Rahmann G (2013) Zusammensetzung, Lagerung und Ausbringung von Wirtschaftsdüngern ökologischer und konventioneller Milchviehbetriebe in Deutschland und die Bedeutung für die Treibhausgasemissionen. Landbauforsch Appl Agric Forestry Res 63(1):29-36, DOI:10.3220/LBF_2013_29-36
https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/bitv/dn051733.pdf
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Schaub D, Paulsen HM, Rösemann C, Blank B, Rahmann G (2012) Emissions of greenhouse gases from dairy farms - a case study using the German agricultural emission model GAS-EM. Landbauforsch SH 362:22-25
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Blank B, Schaub D, Paulsen HM, Rahmann G (2012) Herd parameters in organic and conventional dairy farms and their role in greenhouse gas emissions from milk production. Landbauforsch SH 362:270-273
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Paulsen HM, Blank B, Schaub D, Rahmann G (2012) Klimawirkungen und Nachhaltigkeitsparameter in der Milchviehhaltung - Ergebnisse aus Herdenvergleichen ökologischer und konventioneller Betriebe. VDLUFA SchrR 68:737-744
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Kassow A, Blank B, Paulsen HM, Rahmann G, Aulrich K (2011) Analyse von Grundfutterqualitäten ökologischer und konventioneller Milchviehbetriebe im Rahmen des Projektes "Klimawirkungen und Nachhaltigkeit von Landbausystemen". In: Leithold G, Becker K, Brock C, Fischinger S, Spiegel A-K, Spory K, Wilbois KP, Williges U (eds) Beiträge zur 11. Wissenschaftstagung Ökologischer Landbau : Es geht ums Ganze: Forschen im Dialog von Wissenschaft und Praxis : Bd. 1, Boden - Pflanze - Umwelt, Lebensmittel und Produktqualität. Berlin: Köster, pp 109-110
- 26
Blank B, Paulsen HM, Kassow A, Rahmann G, Aulrich K (2011) Zusammensetzung von Wirtschaftsdüngern ökologischer und konventioneller Milchviehbetriebe im Rahmen des Projekts Klimawirkungen und Nachhaltigkeit von Landbausystemen. In: Leithold G, Becker K, Brock C, Fischinger S, Spiegel A-K, Spory K, Wilbois KP, Williges U (eds) Beiträge zur 11. Wissenschaftstagung Ökologischer Landbau : Es geht ums Ganze: Forschen im Dialog von Wissenschaft und Praxis : Bd. 1, Boden - Pflanze - Umwelt, Lebensmittel und Produktqualität. Berlin: Köster, pp 199-202
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Kassow A, Blank B, Paulsen HM, Aulrich K, Rahmann G (2010) Studies on greenhouse gas emissions in organic and conventional dairy farms. Landbauforsch SH 335:65-76
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