Hintergrund und Zielsetzung

Lachgasemissionen landwirtschaftlich genutzter Flächen tragen wesentlich zu den Treibhausgasemissionen im Sektor Landwirtschaft bei. Mikrobielle Prozesse im Boden sind für die Bildung, aber auch für den Abbau von Lachgas (N₂O) verantwortlich. Stickstoff und organischer Kohlenstoff aus Düngung, anfallenden Ernteresten und Bodenhumus sind dabei wesentliche Faktoren für die Entstehung von Lachgas. Ein angepasstes Stickstoffmanagement landwirtschaftlicher Kulturen hilft direkt, Lachgasemissionen zu reduzieren. Diese Option ist jedoch begrenzt,  da  eine  ausreichende Stickstoffversorgung der Kulturen unerlässlich ist. Managementoptionen, die den mikrobiellen Abbau von Lachgas im Boden unterstützen, wären eine wirkungsvolle Ergänzung, um die Lachgasemissionen aus der Landwirtschaft zu mindern.

Das ERA-GAS Projekt MAGGE-pH untersucht den Einfluss des Boden-pH auf das Verhältnis von Lachgasbildung und -abbau. Laborstudien haben gezeigt, dass eine pH-Wert-Erhöhung den mikrobiell bedingten Umbau von Lachgas zu atmosphärischem Stickstoff (N₂) befördert. In der Folge ergäben sich niedrigere Lachgasemissionen. Dies soll für Böden in Nord- und Zentraleuropa sowie Neuseeland über kombinierte Laborstudien, Feldexperimente und Modellsimulationen erforscht werden. In dem Projekt werden Empfehlungen für ein optimiertes pH-Management erarbeitet, die neben pflanzenbaulichen Aspekten auch die Minderung von Lachgasemissionen berücksichtigen. Das dadurch zu realisierende Minderungspotential soll quantifiziert werden.

Vorgehensweise

Das Thünen-Institut beteiligt sich mit zwei Arbeitspaketen an MAGGE-pH. In Arbeitspaket 1  werden pH-Effekte auf Stoffumsätze im Rahmen von Labor- und Lysimeter-experimenten untersucht. Im Einzelnen geht es um pH-Effekte auf:

• Lachgasemissionen,
• die Beteiligung einzelner mikrobieller Umsetzungsprozesse an der Lachgasbildung (Nitrifikation, Denitrifikation, Nitrifier Denitrifikation, Denitrifikation durch Pilze und Bakterien, Co-Denitrifikation),  
• das Verhältnis von Lachgasproduktion und -konsumption,
• Mineralisierungsprozesse,
• Kohlendioxidemissionen durch Mineralisierung und Kalkung.  

Arbeitspaket 2 modifiziert prozessbasierte und empirische Modelle so, dass diese die pH-Effekte abbilden können, die im Labor und im Feld beobachtet wurden. Diese werden auf verschiedenen räumlichen Skalen angewandt. Dabei interessieren uns die langfristigen Effekte des Boden-pH auf die Treibhausgasemissionen, die Nitratauswaschung und die Stickstoffaufnahme durch die Pflanzen sowie die Beeinflussung dieser Effekte durch naturräumliche Gegebenheiten. Mithilfe der Modelle können wir abbilden, welche Minderungspotentiale über ein klimaoptimiertes pH-Management auf nationaler Skala erreichbar wären. Außerdem wollen wir untersuchen, wie Fördermaßnahmen oder Verordnungen ausgestaltet sein sollten, um THG-Minderungen über ein klimaoptimiertes pH-Management auf nationaler Skala zu erzielen.

Daten und Methoden

Um pH-beeinflusste Prozesse im Detail zu untersuchen, werden diverse kontrollierte Laborstudien mit und ohne Pflanzen durchgeführt. Dabei kombinieren wir Gasmessungen mit Isotopen-Tracer-Ansätzen (¹³C, ¹⁵N, ¹⁸O). Dadurch können wir die mikrobielle N₂O-Reduktion zu N₂ bestimmen, was im Feldversuch nicht möglich ist. Da unser vorrangiges Interesse den langfristigen pH-Effekten gilt, untersuchen wir Böden aus Dauerfeldversuchen.

Wir werden bestehende Modelle um den Effekt des pH-Managements erweitern und zur Berechnung regionaler und nationaler N₂O-Verteilungen für die beteiligten Länder nutzen. Szenarien unter Annahme der guten landwirtschaftlichen Praxis werden wir mit Szenarien eines optimierten Treibhausgas-Managements vergleichen und zur Berechnung des Minderungspotentials heranziehen.

Das agrarökonomische Modell RAUMIS wird anschließend um landwirtschaftliche Maßnahmen zur pH-Regulierung erweitert und mit den Modellen zur pH-abhängigen Treibhausgasmodellierung verknüpft. Dieses integrierte Modell werden wir verwenden, um den Einfluss nationaler und regionaler Fördermaßnahmen und Verordnungen auf Einkommen, Produktion, THG Einsparung und Landnutzung zu untersuchen.

Unsere Forschungsfragen

1. Ist eine N₂O-Minderung über pH-Regulation auf landwirtschaftlichen Versuchsflächen nachweisbar?
2. Wie wirken sich pH-Modifikationen auf einzelne Prozesse des Stickstoff und Kohlenstoffkreislaufs in Böden aus?
3. Ergibt sich aus den empirischen Ergebnissen ein N₂O-Einsparungspotential auf lokaler, regionaler und nationaler Skala?
4. Wie müssten Fördermaßnahmen oder Verordnungen angelegt sein um über pH-Regulation kosteneffizient N₂O-Minderungen landwirtschaftlicher Produktion umzusetzen und welche Effekte auf Landnutzung, Produktion und Produktivität wären zu erwarten?  

Ergebnisse

Die Ergebnisse der dynamischen Mesokosmenversuche haben gezeigt, dass sich der Boden pH-Wert auf das Produktverhältnis N₂O/N₂ und damit auch auf die durch Denitrifikation verursachte Lachgasemissionen in vorhergesehener Weise auswirkt.

Frisch gekalkte Standorte zeigen erhöhte CO₂ Emissionen, dabei ist die Beteiligung von SOC Dekomposition und Freisetzung aus dem applizierten Kalk noch unklar.

Die Analyse von publizierten Metadatensätzen macht deutlich, dass erhöhte pH-Werte zu verringerten jährlichen, düngungsinduzierten Lachgasemissionen führen. Der Effekt ist dabei abhängig von Standorteigenschaften wie dem Tongehalt des Bodens und Jahresniederschlägen. Diese Metaanalysen stützen die Ergebnisse zum pH-Effekt auf Lachgasemissionen in den Mesokosmenversuchen.

Etwa 41% der Ackerfläche und 52% der Grünlandfläche Deutschlands zeigen gemessen an den empfohlenen pH-Werten zu niedrige pH-Werte, das heißt es besteht ein Potential über die Erhöhung der pH-Werte gemäß in Deutschland gültiger Empfehlungen zur guten landwirtschaftlichen Praxis direkte N₂O Emissionen zu reduzieren.

In zwei Szenarien wurden die Effekte eines optimierten pH-Managements auf Einsparungspotentiale direkter N₂O-Emissionen und THG-Bilanzen, die N₂O Flüsse aus der Düngung und CO₂ durch die Kalkung gegenüberstellen, untersucht. Szenario 1 entspricht der pH-Wert-Anhebung bis zur Untergrenze des empfohlenen Bereichs. Szenario 2 entspricht einer Anhebung bis zur Obergrenze. Diese THG-Bilanzierungen beziehen sich auf den Datensatz der Bodenzustandserhebung Landwirtschaft.

Die Erhöhung der beobachteten pH-Werte entsprechend dieser Vorgaben, führt auf etwa 45% (Szenario 1) bzw. 77% (Szenario 2) zu einer pH-Wert-Erhöhung und damit zu einer Erniedrigung düngungsbedingter N₂O Emissionen. Mittlere N₂O-Einsparungen reichen von 6% (Szenario 1) bis 14% (Szenario 2) der düngungsbedingten Direktemissionen. Legt man die Emissionsfaktoren für Kalkung mit Karbonaten nach West and McBride bzw. IPCC zu Grunde, dann ergibt sich auf 10.7 - 12.2 % der Standorte eine THG-Reduktion.  Bei weiterer Erhöhung des pH entsprechend Szenario 2 steigt dieser Anteil auf 13 bis 17.3%.

THG Einsparungspotentiale durch pH Regulation sind auf regionaler und standortspezifischer Ebene sinnvoll, auf nationaler Ebene können N₂O-Einsparungen durch CO₂-Emissionen aus der Kalkung überkompensiert werden.

Eine ausführliche Darstellung der Ergebnisse findet sich im Abschlussbericht an die Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE)

Links und Downloads

MAGGE pH auf der ERA-GAS Homepage
MAGGE-pH auf ResearchGate