Zeitliche Entwicklung der Zink-, Kupfer- und Phosphorbilanzen auf sechs Wiesenparzellen der
Nationalen Bodenbeobachtung von 1986-2003
Naturwissenschaftliche Semesterarbeit an der ETH Zürich
Eingereicht bei:
Dr. Armin Keller Dr. Christian Pohl
Vorgelegt von:
Isabel O’Connor
Zürich, 19. März 2008
Zusammenfassung
Um die Leistungen von Schweine und Rinder zu fördern, wird dem Futter oft Zink(Zn) und Kupfer (Cu) beigegeben. Dadurch werden aber auch Konzentrationen in deren
Ausscheidungen erhöht und mit dem Hofdünger auf die Wiesen gebracht. Im Boden haben die Schwermetalle das Potential zur Anreicherung und können unter Umständen die Bodenfruchtbarkeit langfristig vermindern. Um die Einträge zu reduzieren, wurden Fütterungsempfehlungen und Massnahmen auf freiwilliger Basis erarbeitet. Ob diese den gewünschten Nutzen bewirkt haben, wurde in dieser Semesterarbeit geprüft. Zu diesem Zwecke verglich man die Zn-, Cu- und P2O5- Bilanzen zwischen den Zeitphasen 1986-91, 1996-99 und 2000-03 auf sechs Graslandparzellen im Messnetz der Nationalen
Bodenbeobachtung. Für die untersuchten Parzellen wurden in der Regel jährlich die Bewirtschaftungsangaben direkt von den Landwirten erhoben und in einer Datenbank verwaltet. Für die parzellenscharfen Bilanzen wurden Einträge aus Hofdünger,
Mineraldünger, Deposition und Austräge durch die Ernte berücksichtigt.
Die Nettobilanzen der sechs Parzellen zeigten grosse Unterschiede zwischen intensiv und weniger intensiv bewirtschafteten Böden. Bei den drei intensiv bewirtschafteten Böden lagen die Cu- Nettofluxe im Bereich von 134-437 g/(ha*a), für Zn zwischen 753 und 4871g/(ha*a), und für P2O5 zwischen -7.1 und 73 kg/(ha*a). Es zeigte sich bei einer Parzelle eine Abnahme der Cu- und P-Einträge, bei der zweiten eine leichte Abnahme für Cu, während auf der dritten Parzelle generell das hohe Niveau beibehalten wurde. Die drei weniger intensiv
bewirtschafteten Parzellen zeigten zeitlich relativ ausgeglichene Bilanzen, die insgesamt auf einem wesentlich niedrigeren Niveau lagen (Cu: 1-170g/(ha*a); Zn: 159-776g/(ha*a); P2O5:
-42-26kg/(ha*a)). Generell sind die Streuungen der einzelnen Bilanzen sehr gross, was auf die Unsicherheiten der Bilanzdaten zurückzuführen ist. Auch die abnehmenden Trends der
Nettofluxe für die intensiv bewirtschafteten Daten liegen jeweils innerhalb des Fehlerbereichs. Des Weiteren zeigte sich der klare Einfluss des Hofdüngers auf die Gesamtbilanz.
Dass keine deutlichen Abnahmen der Zn-, Cu- und P2O5-Einträge auf den untersuchten Parzellen gezeigt werden konnte, liegt an der kleinen Stichprobe, aber auch an den vielen Lücken in den Bilanzdaten. Dafür wurde ersichtlich, welches grosse Potential in einer angepassten Bewirtschaftung liegt (angepassten Tierernährung gemäss den Empfehlungen, auf den Boden und Pflanzenbedarf abgestimmtes Düngen). Die Anreicherungen von
Schwermetallen und die Phosphorüberschüsse auf den Graslandparzellen können so deutlich reduziert werden.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung ... 4
2. Grundlagen ... 6
2.1 Zink, Kupfer und Phosphat im Boden... 6
2.1.1 Zink und Kupfer ... 6
2.1.2 Phosphat ... 6
2.2 Zink, Kupfer und Phosphor in der Tierernährung... 7
2.2.1 Allgemeine Wirkung ... 7
2.2.2 Bioverfügbarkeit von Kupfer und Zink... 8
2.2.2. Zink- und Kupfergehalte in den Ausscheidungen von Rindvieh ... 8
2.3 Sonstige Quellen für den Eintrag von Kupfer und Zink in den Hofdünger ... 9
2.4 Atmosphärische Deposition ... 9
3. Methoden... 11
3.1 Bilanzierungsraum ... 11
3.1.1 Wahl der Parzellen ... 11
3.1.2. Betrachteter Zeitraum... 12
3.1.3 Wahl der Elemente ... 13
3.2 Bilanzierungsmethode ... 13
3.2.1 Methode der Datenerhebung ... 13
3.2.3 Unsicherheitsanalyse ... 17
4. Resultate und Diskussion ... 18
4.1 Elementeintrag durch das Ausbringen von Hofdünger ... 18
4.2 Elementeintrag: Konzentrationen im Hofdünger ... 19
4.3 Elementeintrag durch Deposition... 22
4.4 Elementaustrag durch die Ernte ... 23
4.5 Nettofluxe... 25
4.6 Relevanz der Eintragswege ... 27
4.7 Vergleich der Parzellen mit anderen Graslandparzellen in der Schweiz ... 30
5. Interpretation und Ausblick... 32
6. Literaturverzeichnis... 35
Danksagung ... 36
Anhang ... 37
A-1 Ausgebrachte Mengen an Hofdünger (Frischsubstanz) ... 37
A-2 Schweizweit gemittelte Konzentrationswerte ... 37
A-3 Für die Bilanzierung verwendete Konzentrationen... 39
A-4 Fluxe... 48
1. Einleitung
Der Boden bildet eine wichtige Grundlage für unsere Nahrung. Eine ausgeglichene Stoffbilanz im Boden ist wichtig, denn für Pflanzen und Tiere können essentielle Elemente wie beispielsweise Zink (Zn) und Kupfer (Cu) im Boden, wenn sie in zu hohen Konzentrationen vorkommen, zu Schadstoffen werden.
In den mittleren bis späten achtziger Jahren wurde man sich der Bedeutung des Bodens immer mehr bewusst. Man begann den Boden zu analysieren und Stoffbilanzierungen durchzuführen. Besonders die Problematik der Schwermetallanreicherung in Böden rückte Mitte der 80iger Jahre ins Zentrum, da sie die Bodenfruchtbarkeit langfristig gefährden kann.
So wurden die Einträge durch Klärschlamm und Pflanzenschutzmittel (Candinas et al. 1991) sowie durch Mineraldünger (BUWAL 1991) untersucht, und die Einträge konnten bedeutend reduziert werden. Dies lag unter anderem auch an der Einführung der Grenzwerte für Klärschlamm (Stoffverordnung von 1992).
Auch Schwermetalleinträge durch Hofdünger und atmosphärische Deposition wurden untersucht, doch vor allem die Berechnung der Einträge durch Hofdünger erwies sich als aufwendig. Das lag zum einen daran, dass die Zusammensetzung des Hofdüngers je nach Tierart und Betrieb stark variierte. Dabei wies die Schweinegülle meistens mit Abstand die höchsten Cu- und Zn-Konzentrationen (bezüglich Trockensubstanz) auf. Generell waren aber die Eintragsfrachten kleiner als die durch Klärschlamm eingebrachten Schwermetallfrachten (Menzi et al., 1993). Zum anderen wurde schnell erkannt, dass die Schwermetallgehalte im Hofdünger sehr stark von den Schwermetallgehalten in der Tierernährung abhing, denn Spurenelemente wie Zn, Cu und auch Phosphor werden in der Tiernahrung beigemischt (Zusätze für Futtermittel), um bessere Ertragsleistungen zu erhalten. Somit war für eine Reduktion der Stoffeinträge in den Boden die Tierernährung ein wichtiger Ansatzpunkt.
Es wurden Fütterungsempfehlungen für Spurenelementgehalte (Cu, Zn, etc) ausgearbeitet (Kessler 1993), welche von den Betrieben meistens bei weitem überschritten wurden. Mit Hilfe von freiwilligen Massnahmen konnte wenigsten eine Angleichung der Schwermetalle und Nährgehalte an die Fütterungsempfehlungen erreicht werden. Der Rückgang konnte von verschiedenen Studien gemessen werden, insbesondere für die Zeit vor 1995 (Guidon et al.
1991; Menzi et al. 1998; Kessler et al. 1994). 1995 wurden verbindliche Höchstwerte eingeführt, heute gilt in der Schweiz die im 1999 erlassene Futtermittelverordnung. Nach wie
vor sind die erlaubten Höchstgehalte einiges grösser als die Empfehlungen, wobei die Empfehlungen je nach Standpunkt (ökologisch, ertragsorientiert, etc) und Ziele der Autoren variieren. Die tatsächlich gemessenen Gehalte in den Futtermitteln liegen oft im Bereich zwischen den Empfehlungen und den Höchstwerten.
In dieser Semesterarbeit werden die Stoffbilanzen von Cu, Zn und P2O5 auf sechs NABO- Wiesenparzellen während den letzen 20 Jahre verglichen. Für die Wiesenparzellen wurde mit Ausnahme zwischen 1991 und 1996 jährlich die Bewirtschaftung direkt von den Landwirten erhoben. Insbesondere wird die zeitliche Änderung der Stoffbilanzen unter Berücksichtigung der vorhandenen Stoffdaten und deren Datenqualität betrachtet. Haben die Erkenntnisse aus der Forschung und entsprechende Verordnungen in den zwei Jahrzehnten Auswirkungen auf die Stoffbilanzen gezeigt? Dabei wird auch ein Fokus auf den verwendeten Hofdünger gerichtet.
2. Grundlagen
In diesem Kapitel werden kurz die allgemeinen Eigenschaften von Zn, Cu und Phosphor im Boden, die wichtigsten Eintragswege, sowie die Bedeutung in der Tierernährung erläutert.
2.1 Zink, Kupfer und Phosphat im Boden
2.1.1 Zink und Kupfer
Zn und Cu sind positiv geladene Schwermetalle. Im Boden können sie verschiedene Bindungen eingehen:
• Bildung von Oberflächenkomplexen an Oxiden und Kanten von Tonmineralien
• An den permanent negativ geladenen Oberflächen der Tonmineralien können die Metalle auch durch Kationenaustausch gebunden werden.
• An organischen Substanzen (z.B. Huminstoffe) können sie durch Kationenaustausch, oder durch Bildung von organischen Komplexen gebunden werden
• Ausfällung an Oberflächen von Mineralien
Bei steigendem Boden pH werden beide Metalle besser adsorbiert (da mehr negative Ladungen vorhanden sind), wodurch deren Mobilität und Bioverfügbarkeit abnimmt. Die Art der Bindung ist pH-abhängig. In schwach sauren bis neutralen Böden ist die spezifische Adsorption an Huminstoffen und Oxiden relevant. Es kann davon ausgegangen werden, dass die betrachteten NABO-Parzellen dieser Kategorie angehören.
Schwermetalle wie Cu (und auch Zn) werden im Boden verhältnismässig stark gebunden, so dass ihre Mobilität eher gering ist. Der Transport im Boden erfolgt daher nur durch gelöste organische Komplexe oder durch mobile Kolloide, entlang von präferentiellen Fliesswegen (Kretschmar, 2006).
2.1.2 Phosphat
Phosphat ist wichtig für das Wachstum der Pflanzen, da es ein zentraler Bestandteil vom ADP/ATP-Energiestoffwechsel ist. Zudem bilden Phosphate wichtige Bausteine für die DNA als auch für Phospholipid-Zellmembranen.
Im Boden kommt Phosphor in der Regel in der Oxidationsstufe +V vor, als Phosphat (PO43-) und seinen Verbindungen. Die Phosphat-Konzentration in der Bodenlösung variiert zwischen 0.001 bis 5mg/L, in ungedüngten Böden beträgt sie weniger als 0.1 mg/L. Die Phosphat- Verfügbarkeit hängt stark vom pH, der Mineralogie, der organischen Substanz, der Bodentemperatur und weiteren Faktoren ab. Der ideale pH für die Phosphat- Bioverfügbarkeit ist ca. pH=6.
Während in den stark verwitterten Böden der Tropen und Subtropen P-Mangel ein weit verbreitetes Problem ist, weisen die Böden in den Industrieländern eher einen Phosphat- Überschuss auf. Dies, da in der Regel mehr gedüngt als entzogen wird, was zu einer Anreicherung führt (Kretschmar, 2006).
2.2 Zink, Kupfer und Phosphor in der Tierernährung
2.2.1 Allgemeine WirkungCu und Zn sind für Tiere und deren Wachstum essentiell. Diese Spurenelemente werden insbesondere dann zur Nahrung dazugemischt, wenn die Futtermittel zu geringe Konzentrationen aufweisen. Extremer Mangel an Cu führt zu Blutmangel, gestörtem Knochen- und Gesamtwachstum, Schädigungen der Blutgefässe und Fruchtbarkeitsstörungen.
Zn-Mangel äussert sich in Wachstumsstörungen, verminderter Proteinsynthese, Hautläsionen, Fruchtbarkeitsstörungen, etc (Kessler 1993).
Da jedoch grössere Mengen der Spurenelemente die Erträge steigern (ergotrope Effekte), werden die Spurenelemente oft in Mengen verabreicht, welche die empfohlenen Bedarfsmengen übersteigen.
Bei den Schweinen weisen die Zusatzfutterstoffe für Ferkel die höchsten Cu- und Zn-Gehalte auf, da sie wachstumsfördernde und antimikrobielle Wirkungen haben. Während jedoch beim Ferkel für Cu bereits bei Dosierungen nahe den Höchstmengen erste leistungsfördernde Wirkungen zeigen, sind diese bei Zn erst weit über den zulässigen Höchstwerten sichtbar (KTBL 2005).
In der Rinderhaltung weist von den zugekauften Einzel- und Mischfuttermitteln das Milchleistungsfutter die höchsten Zn- und Cu-Konzentrationen auf (KTBL 2005).
Kessler et al. (2004) untersuchte die Wirkungen von zusätzlichem Cu im Futtermittel auf das Wachstum von Schweinen abhängig von den verfütterten Cu-Konzentrationen. Dabei wurde festgestellt, dass 10 mg Cu/kg Futter (88% Trockensubstanz TS) bereits den Bedarf der Schweine deckt. Mit geringeren Cu-Gehalten wurde kein optimales Wachstum mehr erreicht.
Die Steigerung des Cu-Gehaltes von 25-90 mg Cu/kg im Futter (88% TS) führten zu keiner Leistungsverbesserung, erhöhten aber die Cu-Ausscheidungen über den Kot. Bei Cu-Gehalten über 90 mg Cu/kg Futter (88% TS) wurden verstärkte Cu- Einlagerungen in der Leber festgestellt.
2.2.2 Bioverfügbarkeit von Kupfer und Zink
Je nach Form, wie Cu und Zn dem Futter beigegeben werden, sind die Elemente unterschiedlich gut bioverfügbar. Während Oxide und Carbonate schlecht verfügbar sind, können Sulfate und Chloride einiges besser aufgenommen werden. In der Forschung arbeitet man daran, dass in Zukunft Cu und Zn in organischer Form beigegeben werden können.
Dabei handelt es sich um Komplexe und Chelate mit Aminosäuren und Proteinen. Man erhofft sich davon, dass diese noch besser verfügbar sind (v. a. in Gegenwart von Antagonisten) und so kleinere Applikationsraten nötig sind, was sich dann auch auf den Hofdünger und den Boden positiv auswirken könnte. Im ökologischen Landbau ist der Einsatz von anorganischen Verbindungen und Enzymen (sofern nicht gentechnisch hergestellt) erlaubt (KTBL 2005).
2.2.2. Zink- und Kupfergehalte in den Ausscheidungen von Rindvieh Menzi et al. (1999) fanden bei Messungen von Cu und Zn in den Ausscheidungen und Gehalten von Gülle und Mist von landwirtschaftlichen Betrieben in der Schweiz grosse Konzentrationsschwankungen, welche aber alle mit der Zugabe dieser Elemente im Futter korrelierten (Cu: r2=0.37; Zn: r2=0.83). Abgesehen von wenigen Ausnahmen stammten über 50% des Cu und Zn-Gehaltes des Futters aus dem Kraftfutter (Max. 89-90%).
Da Zn, Cu, und auch P2O5 im Hofdünger stabil sind, kann davon ausgegangen werden, dass die Gehalte, welche ausgeschieden werden, auch auf den Boden ausgebracht werden.
2.3 Sonstige Quellen für den Eintrag von Kupfer und Zink in den Hofdünger
Folgende Quellen können auch zu einem erhöhten Zn- und Cu-Eintrag führen (KTBL2005):
• Sägemehl hat höhere Zn-Konzentrationen als Stroh.
• Kupfervitriol, welches als Mittel gegen Klauenseuche verwendet wird, enthält neben den hohen Cu-Gehalten auch grössere Zn-Konzentrationen.
• Abrieb und Erosion von Stalleinrichtungsmaterialien können zu zusätzlichen Zn- Einträgen führen (UBA 2004: 2-6% des gesamten Eintrages).
• Die mineralischen Einstreumittel in Schweinehaltungen von konventionellen Betrieben führen zum Teil zu gleich hohen Cu-Einträgen, wie über die Futtermittel.
• In einigen Arzneimitteln wird Zn als Trägermaterial verwendet. Diese sind vor allem in der Ferkelaufzucht bedeutend. Zn-haltige Salben sind dagegen von geringer Bedeutung.
• In Holzschutzmittel können auch Cu- und Zn-Verbindungen enthalten sein. Aber aufgrund der geringen Masse ist auch mit geringen Frachten zu rechnen.
Zn und Cu haben auch geogene Quellen, aber diese sind auf bewirtschafteten Böden kaum relevant.
2.4 Atmosphärische Deposition
Der atmosphärische Eintrag setzt sich aus Interzeption (Auskämmeffekt) und Gravitationsdeposition zusammen. Unter Gravitationsdeposition werden die nasse und trockene Deposition zusammengefasst. Die nasse Deposition umfasst Niederschläge, die in Form von Regen, Schnee und Hagel auftreten. Die trockene Deposition wird von Partikeln gebildet, die in niederschlagsfreien Zeiten durch Sedimentation abgelagert werden. Durch Interzeption können sowohl Tröpfchen (Nebel) als auch Partikel (Schwebestaub) an Oberflächen abgelagert werden. Der durch die Interzeption bedingte Massenfluss ist abhängig von der Konzentration der schwebenden Teilchen in der Atmosphäre, der Windgeschwindigkeit sowie der Oberflächenstruktur der Vegetation (BUWAL 1993).
In der Schweiz wurden meist eher tiefe Depositionswerte gemessen, nur die Südschweiz wies immer wieder hohe Werte auf. Das liegt einerseits an den hausgemachten Emissionen, aber auch an den hohen Niederschlägen, der Topographie und den Ferntransporten aus dem
Ballungsraum Mailand. Die Messwerte der restlichen Schweiz unterscheiden sich kaum.
Allgemein konnte eine klare Abnahme der Belastung gemessen werden, insbesondere zwischen 1990 und 1995 (BUWAL 2004).
3. Methoden
3.1 Bilanzierungsraum
3.1.1 Wahl der ParzellenKriterien für die Auswahl
Es wurden sechs einzelne NABO-Parzellen von sechs verschiedenen Betrieben untersucht.
Kriterium für die Auswahl war erstens, dass es sich um Graslandparzellen handelt, damit Unterschiede zwischen verschiedenen Kulturen vermieden werden können. Zweitens war es, um den Einfluss des Hofdüngers zu berechnen, natürlich wichtig, dass bei den Betrieben der ausgewählten Parzellen Hofdüngeranalysen vorhanden waren. Da Menzi et al. (1993) in einer landesweiten Untersuchung auch einige landwirtschaftliche Betriebe im NABO-Messnetz untersucht hatte, und der Hofdünger von einigen dieser Betriebe erneut im Jahre 2006 durch das NABO untersucht wurde, fiel die Auswahl der Graslandparzellen vor allem auf jene Betriebe, die in beiden Messkampagnen untersucht wurden.
Für den Hofdünger eines Betriebes (Parzelle 10) standen zwar keine Messwerte zur Verfügung, die Parzelle wurde dennoch ausgewählt da sie extensiv bewirtschaftet wird und somit gegenüber den intensiv bewirtschafteten Graslandparzellen interessante Vergleiche ermöglicht.
Die Betriebe der betrachteten Parzellen
Bei den landwirtschaftlichen Betrieben, welche die Parzellen 1, 30, 33 und 60 bewirtschaften, handelt es sich um kombinierte Veredelungsbetriebe, welche vor allem auf Rinder- und Schweinehaltung spezialisiert sind (Mastbetriebe) (Tab. 3.1). Ein typischer Tierbesatz für diesen Betriebstyp im NABO-Messnetz ist 2.2 Grossvieheinheiten pro Hektar (GVE/ha), wobei die Werte von <0.1-2.7 GVE/ha schwanken. (Keller et al., 2005).
Die Parzellen 10 und 69 gehören zu Verkehrsmilchbetrieben, welche vom Tiertyp meistens reine Milchviehbetriebe darstellen mit einem Anteil von weniger als 25% offener Ackerfläche. Der typische Tierbesatz für diesen Betriebstyp im NABO-Messnetz ist 1.4 GVE/ha (Keller et al., 2005).
Während die Betriebe der Parzelle 30, aber auch 33 und 60, an der oberen Grenze der Tierdichte liegen, haben die anderen Betriebe einen eher unterdurchschnittlichen Tierbesatz.
NABO- Parzellen- Nr Wo Höhe Kühe+ Rinder (2003) Schweine (2003) Grossviehein heitenproha (GVEHA) (2001) IP- Umstellung Durchgehen- de Bewirtschaf- tung?
1 Ettenhausen (TG) 537 172 226 1.5 1997 Nein (neuer
Betriebsleiter seit 1990)
10 Gais (AR) 935 - - 0.9
30 Eschenbach (LU) 635 54 118 2.8 1998 Ja (seit 1960)
33 Oberurnen (GL) 431 46 110 2.3 1997 Nein (1998
Betriebsübergabe an Sohn)
60 Werthenstein (LU) 955 31 32 2.2 1994 Ja (seit 1985)
69 Attalens (FR) 818 109 200 0.8 1993 Nein (1995
Betriebsübergabe an Sohn)
Tab.3.1: Charakterisierung der NABO-Betriebe der betrachteten Parzellen.
3.1.2. Betrachteter Zeitraum
Im betrachteten Zeitraum von 1986-2003 stehen während fünf Jahren (1991-1996) komplett keine Daten zur Verfügung, und auch vor 1991 teilweise nur vereinzelt (Tab. 3.2). Die Konzentrationsmessungen des Hofdüngers wurden 1991 und 2006 gemacht. Damit diese Messungen der ersten und letzten Phase zugeordnet werden können, wurde der Zeitraum von 1981-2003 in folgende drei Phasen eingeteilt:
Phase I: 1986- 1991 Phase II: 1996-1999 Phase III: 2000-2003
Betrieb 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991
1992 bis 1995
1996 bis 2003
1 X X X X X X X
keine
Erhebung X
10 X X X
keine
Erhebung X
30 X X X X X
keine
Erhebung X
33 X X X X X
keine
Erhebung X
60 X X X X
keine
Erhebung X
69 X X
keine
Erhebung X
Tab.3.2: In welchen Jahren auf den einzelnen Parzellen von der NABO Daten erhoben wurden..
3.1.3 Wahl der Elemente
In dieser Arbeit werden die Elemente Zn, Cu und Phosphor betrachtet. Zn und Cu wurden ausgewählt, da sie anthropogen eingetragen werden und auch aufgrund der Kraftfuttermittelzusätze in der Tierernährung hohe Konzentrationen im Hofdünger aufweisen können. Im Boden haben sie dann das Potential zur Anreicherung (siehe Einleitung und Grundlagen).
Phosphor (als P2O5) ist einer der wichtigsten Nährstoffe in der landwirtschaftlichen Produktion. Gegenüber den Makronährstoffen Cu und Zn dient Phosphor für die Stoffbilanzen der Wiesenparzellen als Indikatorelement. Anhand der P-Bilanzen kann nachvollzogen werden, wie intensiv die Parzellen bewirtschaftet wurden.
3.2 Bilanzierungsmethode
Für die Berechnung des Nettofluxes eines Elementes wurden die Einträge (Input) der Elemente durch Hofdünger, Mineraldünger und Deposition betrachtet. Beim Hofdünger wurde die Menge des ausgebrachten Hofdüngers und dessen Konzentration des betrachteten Elementes berücksichtigt. Der Austrag der Elemente geschah durch die Outputgrösse Ernte (also das Mähen und den Wegtransport des Grases). Auswaschung der Elemente und Abbau durch chemische (oder biologische) Reaktionen wurden nicht berücksichtigt. Die Verlagerung von Cu und Zn in tiefere Bodenschichten wird als gering eingeschätzt, da die pH Werte der Böden für die ausgewählten Graslandparzellen durch regelmässige Kalkdüngung in der Regel im neutralen bis schwach sauren Bereich liegen.
3.2.1 Methode der Datenerhebung
Alle in dieser Arbeit verwendeten Daten wurden durch die NBO erhoben bzw. gemessen. Die Daten werden in verschiedenen Datenbanken verwaltet. Die NABO verwendet dabei folgende Methoden, um die Daten zu erheben:
Bewirtschaftung der Parzellen
Die Bauern der von der NABO untersuchten Betriebe und Parzellen werden jährlich aufgefordert, ihre vorhandenen Feldkalender, Wiesenjournale und Suisse-Bilanzen zu schicken. Diese Unterlagen werden von den Landwirten im Zusammenhang mit den Direktzahlungen und den ökologischen Ausgleichszahlungen geführt. Die Unterlagen werden
anschliessend kontrolliert und in dem Datenbanksystem Agrotech durch die AGRIDEA- Lindau erfasst. Scheinen die Angaben des Landwirtes nicht plausibel zu sein, wird er erneut kontaktiert, um so Unklarheiten zu beseitigen und die Daten korrigieren zu können (Keller et al., 2005).
Für diese Semesterarbeit wurden Wiesenjournale verwendet.
Ernte
Es wird davon ausgegangen, dass die Elemente hauptsächlich durch die Ernte ausgetragen werden. Deshalb wurde als Outputgrösse der Ernteertrag gewählt, welcher aus den jeweiligen Wiesenjournalen entnommen werden kann. Diese wurden in früheren Studien der NABO bereits überprüft und mit den Referenzerträgen aus GRUDAF (2001) verglichen oder ergänzt.
Die auf den Parzellen verbleibenden Ernterückstände wurden ebenfalls in der Datenbank erfasst.
Für die Berechnung des Outputs ist neben dem Ernteertrag, also Menge des entfernten Grases, auch der Elementgehalt der Gräser relevant. Der Gehalt der Elemente in den Gräsern hängt neben den element- und pflanzenspezifischen Eigenschaften auch vom pH des Bodens, vom Ton- sowie Humusgehalt ab, da diese die Pflanzenverfügbarkeit der Elemente in der Bodenmatrix bestimmen. Leider wurden bisher die Kulturen auf NABO-Parzellen nicht auf ihre Nährstoff- und Schwermetallgehalte analysiert. Deshalb hat die NABO für die Berechnung der Konzentrationen auf andere zuverlässige Studien aus der Schweiz zurückgegriffen, denn die Problematik von Schwermetallen in Pflanzen wurde bereits in den 1980er erkannt und ist somit ein gut untersuchtes Gebiet. Zudem handelt es sich bei all den betrachteten Parzellen um unbelastete bis gering belastete Böden (Keller et al., 2005).
Menge des ausgebrachten Hofdüngers
Die ausgebrachten Mengen wurden aus den Bewirtschaftungsprotokollen entnommen. Ein grosser Unsicherheitsfaktor ist hierbei die Angabe der Verdünnung der ausgebrachten Hofdünger.
Konzentrationen des Hofdüngers
Für die Konzentrationen der Hofdünger in der Phase I wurden die Messungen von Menzi et al. (1993) aus den Jahren 1991 und 1993 übernommen. Er hatte im Rahmen früherer Arbeiten an der NABO diese Messungen gemacht. Die für die Phase III verwendeten Werte wurden
2006 von Mitarbeitern der NABO gemessen. Jedoch wurden nicht bei allen Betrieben der betrachteten Parzellen in jeder Periode Proben genommen, manchmal wurden auch nicht alle Elemente gemessen. In Tab.3.3 wird aufgelistet, wann wo für welche Elemente Proben genommen wurden. Die Datenlücken wurden für diese Arbeit wie folgt geschlossen:
Von den ausgewählten Parzellen wurde 1993 nur bei den Betrieben der Parzellen 1, 33 und 69 der Hofdünger untersucht. 2006 wurde bei allen Betrieben der betrachteten Parzellen Proben genommen, ausser beim Betrieb mit der Parzelle Nr. 10. Aus diesem Grund wurden die fehlenden Daten durch schweizerische Mittelwerte ersetzt, welche aus der landesweiten Untersuchung von Menzi (1993) abgeleitet wurden. (siehe Anhang A-2)
Für die Phase II fehlten überall spezifische Werte, da in jener Zeitspanne keine Hofdüngeruntersuchungen gemacht wurden. Für die Stoffbilanzen wurden diese Lücken mit den Daten aus der Phase III gefüllt. Erstens wird so eine höhere Betriebsspezifität erreicht als wenn man die schweizweit gemittelten Werte übernommen hätte. Und zweitens wird angenommen, dass die Schwermetallgehalte in den Futtermittel Mitte der 90er Jahre abnahmen, da für die Schweiz entsprechende Empfehlungen erarbeitet wurden. (siehe Einleitung). Zwischen der zweiten und dritten Phase war die Abnahme kleiner, weshalb die Werte aus der dritten Phase wahrscheinlich besser den Werten der zweiten Phase entsprechen als die Werte der ersten Phase.
Messwerte für den Rindermist wurden in den Berechnungen der Fluxe auch berücksichtigt.
Da jedoch nur für den Betrieb mit der Parzelle 30 für 1993 ein spezifischer Messwert zur Verfügung stand, wurden für die Fluxe die schweizweit gemittelten Werte eingesetzt.
Für die Daten, bei welchen die gemittelten Werte eingesetzt wurden, wurde allgemein eine Standardabweichungen von 50% angenommen.
Cu [mg/kg TS] Zn [mg/kg TS] P [mg/kg TS]
R-Gülle S-Gülle R-Mist R-Gülle S-Gülle R-Mist R-Gülle S-Gülle R-Mist
1993 X X X
1
2006 X X X X X X
1993 10 2006
1993 X
30
2006 X X X X X X
1993 X X X
33
2006 X X X
1993 X
60
2006 X X X
1993 X X X
69
2006 X X X X X X
Tab. 3.3: Übersicht zu den vorhandenen Messdaten für Hofdüngerpoben auf den NABO- Betrieben (R = Rind, S = Schwein).
Deposition: Moosmonitoring
Die Deposition von den betrachteten Elementen wurde mit Hilfe des Moosmonitorings gemessen. Da Moose keine Kutikala (Wachsschicht, die vor Verdunstung schützt) und keine Wurzeln haben, nehmen sie die Nährstoffe und das Wasser, aber auch Schadstoffe aus der Luft über die Oberfläche ihrer Blätter auf. Befindet sich das Moos entfernt vom Boden (z.B.
auf einem Baumstrumpf), ist es praktisch nur von atmosphärischen Einträgen beeinflusst.
Deshalb widerspiegeln die Schadstoffkonzentrationen in den Blättern die Schadstoffbelastungen in der Luft der Umgebung.
Das retrospektive Moosmonitoring ist eine sehr einfache und günstige Methode die europaweit angewendet wird. Die Methode erlaubt jedoch keine direkten Rückschlüsse auf die Depositionsfrachten. Durch Vergleiche mit Messungen von Depositionsfrachten, welche mit technischen Geräten ermittelt wurden, sind Schätzungen der Frachten trotzdem möglich.
Die Verwendung von Pleurozium schreberi wird empfohlen, da aber diese Art vor allem im schweizerischen Mitteland eher selten vorkommt, wird in der Schweiz oft auf das Hypnum cupressiforme zurückgegriffen.
3.2.3 Unsicherheitsanalyse
Man unterscheidet zwischen drei verschiedenen Arten von Unsicherheiten:
1. Modellunsicherheiten: Ziel eines Modells ist nicht die korrekte Abbildung der Wirklichkeit, sondern die Wirklichkeit zu vereinfachen, um sie zu verstehen und so Aussagen und Prognosen machen zu können. Deshalb werden Einflüsse und Prozesse vereinfacht oder vernachlässigt, wenn diese nicht als sehr relevant betrachtet werden.
In diesem Fall betrifft dies den Einfluss der Oberflächenerosion und der Verlagerung auf die Stoffbilanz, welche nicht berücksichtigt werden.
2. Unsicherheit in den Bilanzdaten: Bei jeder Messung muss man Messfehler berücksichtigen, denn Fehler können vom Messgerät verursacht werden oder aufgrund der Handhabung geschehen. Des Weiteren streuen auch die Werte zum Beispiel im Hofdünger, dessen Konzentrationsmittelung alleine keine aussagekräftige Antwort geben würde. Deshalb müssen diese Unsicherheiten und Streuungen in der Bilanzierung mitberücksichtigt werden.
3. Räumliche und zeitliche Variation von Bilanzgrössen: Aufgrund von chemischen,
physikalischen und biologischen Prozessen weisen die Stoffgehalte und -konzentrationen in der Bio-, Hydro- und Atmosphäre eine räumliche und zeitliche
natürliche Variation auf.
Modellunsicherheiten können nur durch den Vergleich von verschiedenen Bilanzmethoden oder durch einen Vergleich mit gemessenen Veränderungen von Schadstoffgehalten in Böden quantifiziert werden. Die Unsicherheit der Messdaten kann durch zusätzliche Messungen verbessert werden. Die Unsicherheiten der natürlichen Variation werden durch stochastische Bilanzierungsmethoden miteinbezogen. Dazu werden die Häufigkeitsverteilungen der Messwerte zu einer theoretischen Verteilung abgeleitet, welche dann für die Simulation der Gehalte in die Bilanzierung verwendet wird (Keller et al., 2005).
4. Resultate und Diskussion
4.1 Elementeintrag durch das Ausbringen von Hofdünger
In der Abb. 4.1 werden die Mengen des ausgebrachten Hofdüngers aufgezeigt. Damit die Werte zwischen den Phasen und Parzellen vergleichbar sind, wurden die Hofdüngermengen einer Phase aufsummiert und daraus dann Durchschnittsmengen pro Jahr einer Phase berechnet und dargestellt. Denn erstens sind die Phasen unterschiedlich lang, und zweitens wurde nicht immer von jedem Dünger jedes Jahr in der betroffenen Phase ausgebracht, und teilweise standen einfach die Daten nicht zur Verfügung (siehe Tab. 3.2). Daher sind für Phase I die dargestellten Ausbringmengen der Parzellen 10, 60 und 69 wahrscheinlich etwas zu tief.
Die Betriebe der Parzellen 33 und 60 bringen Mischgülle aus, hier werden die geschätzten jeweiligen Anteile an Rinder- resp. Schweinegülle gezeigt.
Auf Parzelle 30 wurden die grössten Mengen an Hofdünger ausgebracht (Höchstwerte:
61m3/(ha*a) Rindergülle und 48m3/(ha*a) Schweinegülle). Auf die Parzellen 1, 33, 60 und 69 wurden ungefähr vergleichbare Mengen an Hofdünger ausgebracht, während auf Parzelle 10 deutlich weniger ausgeschüttet wurde. Generell wurde überall hauptsächlich Schweine- und Rindergülle ausgebracht. Während auf den Parzellen 1, 60 und 69 vor allem Rindergülle verwendet wurde, sind auf den Parzellen 10 und 33 Rindermist, und auf Parzelle 30 Schweinegülle genauso häufig ausgebracht worden. Auf den Parzelle 30, 33 und 69 haben die Ausbringmengen über die Zeit deutlich zugenommen.
Es wird betont, dass die Mengenangaben für die Hofdünger auf den Wiesenjournalen der Landwirte mit erheblichen Fehlern behaftet sein können. In der Regel kennt der Landwirt das Volumen seiner Behältnisse zum Ausbringen auf den Feldern. Unbekannt ist hierbei vor allem die genaue Verdünnung der Hofdünger, was die Berechnung der Stoffbilanzen über den Hofdünger besonders erschwert.
0 10 20 30 40 50 60 70
I II III I II III I II III I II III I II III I II III
1 10 30 33 60 69
R-Gülle [m3/(ha*a)] R-Mist [t FS/ha] S- Gülle [m3/(ha*a)]
Abb.4.1: Auf den NABO-Parzellen durchschnittlich ausgebrachten Menge an Hofdünger pro Jahr während einer Phase.
4.2 Elementeintrag: Konzentrationen im Hofdünger
Sämtliche Konzentrationswerte für Hofdünger sind im Anhang A-3 aufgelistet. Hier werden zur Übersicht nur Rinder- und Schweinegülle gezeigt (Abb.4.2-4.4), da diese hauptsächlich ausgebracht wurden (Vgl. Abb.4.1). Für den Rindermist lagen nur in einem Fall spezifische Messwerte vor (Vgl. Kap. 2.2.1). Lagen für einzelne Beriebe keine Messungen der Hofdünger vor, wurden als bestmögliche Schätzung Konzentrationsgehalte aus landesweiten Untersuchungen verwendet (Menzi et al. 1993). Die Betriebe mit den Parzellen 33 und 60 verwendeten Mischgülle.
Bei den Betrieben der Parzellen weist die Schweinegülle stets die höheren Konzentrationen pro kg Trockensubstanz auf als die Rindergülle. Vor allem Zn ist in der Rindergülle bis zu 10mal weniger enthalten als in der Schweinegülle. Die Zn-Werte sind jeweils für alle Schweine- und die Rindergülle ziemlich ausgeglichen. Ausnahmen bilden die Parzellen 30 (in der Phase III sehr hohe Werte für beide Güllenarten, mit Maximalkonzentration von 337mg/kg Trockensubstanz (TS)), Parzelle 33 für Schweinegülle (niedrige Werte) und Parzelle 60 bei der Rindergülle (hohe Werte).
Die gemessenen P2O5-Gehalte der beiden Güllentypen variieren entgegen unseren Vermutungen nur wenig zwischen den landwirtschaftlichen Betrieben. Jedoch sind die
verwendeten schweizerischen Mittelwerte (von Menzi et al (1993); siehe Kap. 3.2.1.) für Cu und P2O5 in der Schweinegülle um Faktor 3-4 höher als die gemessenen Konzentrationen auf den Betrieben im NABO-Messnetz. Dies könnte den Fehler der Nettobilanzen erhöhen, insbesondere bei Parzelle 10 (extensiv bewirtschaftet).
Auf Betrieb 1 hat die Konzentrationen der Schweinegülle von Cu zugenommen, von Zn abgenommen und von P2O5 ungefähr gleich geblieben. Betrieb 33 konnte für alle drei Elemente eine Abnahme im verwendeten Mischdünger nachweisen. Auf Betrieb 60 ist der Zn-Gehalt in der Mischgülle gleich geblieben. Betrieb 69 konnte ebenfalls für alle Elemente in der Rindergülle eine Abnahme aufweisen. Für den Rest ist eine Trendaussage nicht möglich, da jeweils nicht in beiden Zeitphasen Messungen gemacht worden sind.
0 50 100 150 200 250 300 350
I III I III I III I III I III I III
1 10 30 33 60 69
[mgCu /kg Ts]
R-Gülle S-Gülle
Abb.4.2: Gemessene Cu- Konzentrationen in Rinder- und Schweinegülle auf Betrieben im NABO-Messnetz. Für R- Gülle der Betriebe 1I, 10I&III, 30I, 60I und S-Gülle der Betriebe 10I&III, 30I, 69I waren keine Messungen vorhanden, hier wurde auf Mittelwerte von landesweiten Untersuchungen (Menzi et al. 1993) zurückgegriffen.
0.0 1000.0 2000.0 3000.0 4000.0 5000.0 6000.0
I III I III I III I III I III I III
1 10 30 33 60 69
[mgZn /kg Ts]
R-Gülle S-Gülle
Abb.4.3: Gemessene Zn- Konzentrationen in Rinder- und Schweinegülle auf Betrieben im NABO-Messnetz. Für R-Gülle der Betriebe 1I, 10I, 10III, 30I und S-Gülle der Betriebe 10I, 10III, 30I, 69I waren keine Messungen vorhanden, hier wurde auf Mittelwerte von landesweiten Untersuchungen (Menzi et al. 1993) zurückgegriffen.
-50.0 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0
I III I III I III I III I III I III
1 10 30 33 60 69
[mgP2O5 /kg Ts]
R-Gülle S-Gülle
Abb.4.4: Gemessene P2O5- Konzentrationen in Rinder- und Schweinegülle. Für die R-Gülle der Betribe 1I, 10I, 10III, 30I, 60I und S-Gülle der Betriebe 10I, 10III, 30I, 60I, 69I waren keine Messungen vorhanden, hier wurde auf Mittelwerte von landesweiten Untersuchungen (Menzi et al. 1993) zurückgegriffen.
4.3 Elementeintrag durch Deposition
In den Abb.4.5 und Abb.4.6 werden die parzellennahen Depositionen von Cu und Zn in allen drei Zeitphasen gezeigt. Die Daten stammen von Thöni und Seitler (BUWAL 2004). Da die Werte für P vernachlässigbar klein waren, werden sie hier nicht abgebildet. Die Zn- Depositionswerte liegen fast alle im Bereich 76.2 - 141.5 g ha-1 a -1 Die Werte der Cu- Deposition liegen hauptsächlich im Bereich von 4-16 g ha-1 a -1. Mit Ausnahme weniger Messungen sind die Werte über die drei betrachteten Zeitphasen hinweg ziemlich ausgeglichen. Ein zeitlicher Trend der Depositionsmessungen konnte nicht festgestellt werden.
Die Deposition auf Parzelle 60 fällt durch je einen erhöhten Zn-Depositionswert in der ersten Phase und einen sehr hohen Cu- Depositionswert in der dritten Phase auf. Die anderen beiden Depositionswerte liegen für die Parzelle 60 jeweils wieder im Durchschnitt. Die genauen Fluxe der atmosphärischen Deposition sind im Anhang A-4 aufgelistet.
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0
1 10 30 33 60 69
Parzellen
Cu- Deposition [g/(ha*a)]
Phase I Phase II Phase III
Abb.4.5: Deposition in [g/(ha*a)] von Cu in der Nähe der betrachteten NABO-Parzellen in allen drei Phasen. DieDaten wurden von Thöni und Seitler (BUWAL 2004) gemessen.
0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0
1 10 30 33 60 69
Parzellen
Zn- Deposition [g/(ha*a)]
Phase I Phase II Phase III
Abb.4.6 : Deposition in [g/(ha*a)] von Zn in der Nähe der betrachteten Parzellen in allen drei Phasen. Die Daten wurden von Thöni und Seitler (BUWAL 2004) gemessen.
4.4 Elementaustrag durch die Ernte
Der einzig hier berücksichtigte Elementaustrag ist der Austrag über das Erntegut. (Abb. 4.7- 4.9). Die genauen Werte der Cu-, Zn- und P-Fluxe befinden sich im Anhang A-4. Bislang wurden auf den Graslandparzellen der NABO-Standorte keine Messungen der Stoffgehalte der Pflanzen vorgenommen. Aus diesem Grunde musste auf gemessene Gehalte vergleichbarer Studien in der Schweiz zurückgegriffen werden.
Die Erntemengen auf den Graslandparzellen ist auf allen Parzellen ungefähr gleich, nur auf Parzelle 10 war der Ernteertrag stets viel kleiner. Hierbei muss allerdings berücksichtigt werden, dass bei fehlenden Angaben der Schnitte und der Ernteerträge in den Wiesenjournalen für die Parzellen bei der Datenerfassung Normerträge angenommen werden.
Generell sind auch hier mit grösseren Fehlern zu rechnen, da der Ernteertrag in der Regel von den Bauern abgeschätzt und nicht gemessen wird.
-800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
I II III I II III I II III I II III I II III I II III
1 10 30 33 60 69
Zn- Ernteflux [g/(ha*a)]
Abb.4.7: Zn- Austräge in [g/(ha*a)]durch die Ernte auf den Graslandparzellen der NABO.
-140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0
I II III I II III I II III I II III I II III I II III
1 10 30 33 60 69
Cu- Ernteflux [g/(ha*a)]
Abb.4.8: Cu- Austräge in [g/(ha*a)] durch die Ernte auf den Graslandparzellen der NABO.
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0
I II III I II III I II III I II III I II III I II III
1 10 30 33 60 69
P2O5- Ernteflux [g/(ha*a)]
Abb.4.9: P2O5 – Austräge i [g/(ha*a)]durch die Ernte auf den Graslandparzellen der NABO.
4.5 Nettofluxe
Die Summe der Einträge minus den Ernteaustrag ist für die Parzellen in den Abbildungen 4.10-4.12 dargestellt. Die Parzellen 30, 33 und 60 weisen relativ hohe Nettofluxe für Zn-, Cu- und P2O5 auf, während die anderen Parzellen geringere bis ausgeglichene Nettofluxe aufwiesen. Parzelle 30, welche die grössten Nettofluxe für alle Elementen aufweist, zeigt eine Abnahme des Cu- und P2O5-Überschusses. Die Parzelle 33 zeigt auch einen leichten Trend zur Abnahme von Zn, Cu- und P2O5, während die Parzelle 60 ihr hohes Niveau beibehält.
Jedoch liegen die Abnahmen der Parzellen 30 und 33 innerhalb der jeweiligen Fehlerbereiche.
Auf den Parzellen 1, 10 und 69 sind die Nettofluxe im Vergleich zu den anderen Parzellen sehr gering. Die zeitlichen Verläufe der Cu- und Zn-Nettofluxe zeigen keinen erkennbaren Trend. Die Schwankungen sind eher im natürlichen Rahmen und liegen oft jeweils innerhalb des Fehlerbereichs.
Die Umstellung auf IP-Produktion (Parzellen 1,10,30,33 während Phase II, Parzellen 60,69 zwischen Phase I und II) ist in der zeitlichen Entwicklung der Nettobilanzen nicht erkennbar.
Die Streuung der Nettobilanzen zwischen den Parzellen ist sehr gross, die Streuung der Parzellenbilanz zwischen den betrachteten Zeitphasen kann jedoch ebenfalls sehr gross sein.
Ein zusätzlicher Faktor, der zeitliche Veränderungen der Stoffbilanz bewirkt, ist ein Wechsel
des Bewirtschafters. Betriebswechsel fanden entweder vor der betrachteten Zeitspanne statt, oder gingen mit der IP-Umstellung einher. Eine Erfolgskontrolle von ökologischen Massnahmen in der Landwirtschaft wird somit zusätzlich erschwert.
Die Werte der Nettofluxe sind ebenfalls im Anhang A-4 aufgelistet.
-100 0 100 200 300 400 500 600 700
I II III I II III I II III I II III I II III I II III
1 10 30 33 60 69
Cu- Median [g/(ha*a) ]
Abb.4.10: Mediane der Cu-Nettofluxe pro NABO-Parzelle und Phase mit Standardabweichung.
-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
I II III I II III I II III I II III I II III I II III
1 10 30 33 60 69
Zn- Median [g/(ha*a)]
Abb.4.11: Mediane der Zn-Nettofluxe pro NABO-Parzelle und Phase mit Standardabweichung.
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120
I II III I II III I II III I II III I II III I II III
1 10 30 33 60 69
P2O5- Median [kg/(ha*a)]
Abb.4.12: Mediane der P-Nettofluxe pro NABO-Parzelle und Phase mit Standardabweichung.
4.6 Relevanz der Eintragswege
Ausser für Parzelle 10 beträgt bei allen Parzellen der Input durch Hofdünger über 90%, bei der Parzelle 30 praktisch 100% (Abb.4.13 und Abb.4.14). Auf der Parzelle 10 fällt insbesondere der Zn- Input über den Hofdünger geringer aus (nur 50-75%).
0%
20%
40%
60%
80%
100%
I II III I II III I II III I II III I II III I II III
1 10 30 33 60 69
Deposition Hofdünger
Abb.4.13: Vergleich der Zn-Inputs durch Hofdünger und Deposition (beide als Flux mit [g/(ha*a)]) auf den NABO- Parzellen.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
I II III I II III I II III I II III I II III I II III
1 10 30 33 60 69
Deposition Hofdünger
Abb.4.14: Vergleich der Cu-Inputs durch Hofdünger und Deposition (beide mit [g/(ha*a)]) auf den NABO- Parzellen
Zudem zeigt der Nettoflux eine sehr klare Abhängigkeit vom Inputflux „Hofdünger“. Bei allen Elementen ist r2 nahe bei 1 (Abb.4.15-4.17). Dies ist letzlich eine Folge der gemachten Annahmen im Bilanzmodell. Die Austräge über das Erntegut wurden unabhängig von der parzellenspezifischen Konzentration in den Pflanzen berechnet, ebenfalls wurde die boden- und standortspezifische Auswaschung von Cu und Zn nicht berücksichtigt.
y = 0.9484x - 56.469 R2 = 0.982
-100 0 100 200 300 400 500
0 100 200 300 400 500 600
Cu-Hofdünger- Input [g/(ha*a)]
Cu-Nettoflux [g/(ha*a)]
Abb.4.15: Abhängigkeit des Cu-Nettoflux [g/(ha*a)] vom Eintrag durch Hofdünger [g/(ha*a)].
y = 0.9508x - 220.95 R2 = 0.9939
-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Zn- Hofdünger- Input [g/(ha*a)]
Zn- Nettoflux [g/(ha*a)]
Abb.4.16: Abhängigkeit des Zn-Nettoflux [g/(ha*a)] vom Eintrag durch Hofdünger [g/(ha*a)].
y = 0.6549x - 48.186 R2 = 0.818
-60 -40 -20 0 20 40 60 80
0 50 100 150 200
P2O5-Hofdünger- Input [g/(ha*a)]
P2O5-Nettoflux [g/(ha*a)]
Abb.4.17: Abhängigkeit des P2O5-Nettoflux [g/(ha*a)] vom Eintrag durch Hofdünger [g/(ha*a)].
4.7 Vergleich der Parzellen mit anderen Graslandparzellen in der Schweiz
Um die Fluxe der betrachteten Parzellen mit anderen Parzellen der Schweiz zu vergleichen, wurden andere Graslandparzellen des NABO- Messnetzes herbeigezogen. Parzelle 49 wird extensiv genutzt. Es wird nicht erwähnt, welche Tierart auf jenem Betrieb gehalten wird. Alle anderen Parzellen werden intensiv genutzt. Auf diesen Betrieben werden Rinder, auf den Betrieben 35 und 74 zusätzlich noch Schweine gehalten. Die Parzellen 56, 49 und 35 liegen alle auf einer Höhe zwischen 1000-1100m.ü.M, die Parzellen 37 und 74 auf 735 und 526m.ü.M. Alle Fluxe werden als Mittelwerte für den Zeitraum von 1996-2003 aufgezeigt.
Beim Vergleich der Cu-, Zn- und P-Fluxe der verschiedenen Parzellen (Abb.5.18) fällt auf, dass die Parzellen 30, 33 und auch 60 sehr hohe Werte aufweisen, und zwar für alle drei Elemente. Laut Herzog & Richner (2005) variieren P-Fluxe zwischen -54 kg P205/ha (auf wenig gedüngten Ackerbauflächen) und 92 kg P205 (bei fest gedüngten Wiesen von kombinierten Veredelungsbetrieben). Im Verhältnis zu diesen Zahlen sind die Parzellen 30 und 33 stark überdüngt, Parzelle 74 weist ähnlich hohe P-Einträge auf.
-1000 -500 0 500 1000 1500 2000
1 10 30 33 60 69 56 49 37 35 74
NABO-Parzellen
P-Netflux [0.01kg/ha Jahr] Cu-Netflux [g/ha Jahr] Zn-Netflux[g/ha Jahr]
Abb.4.18: Vergleich der Cu-, Zn- und P-Fluxe der betrachteten NABO-Parzellen mit anderen NABO-Graslandparzellen der Schweiz. Mittelwert der Fluxe von 1996-2003.
5. Interpretation und Ausblick
In dieser Arbeit wurde die zeitliche Entwicklung der Cu-, Zn- und P2O5- Stoffbilanzen auf sechs Graslandparzellen im Messnetz der Nationalen Bodenbeobachtung untersucht.
Zwischen den betrachteten Zeitphasen von 1986-91, 1996-99 und 2000-03 konnten keine bis leichte Abnahmen der Nettofluxe festgestellt werden. Die Bilanzen weisen alle grosse Fehlerbereiche auf.
Die Parzellen 30, 33 und 60, deren Betriebe einen hohen Tierbesatz von 2.2-2.8 GVE/ha aufweisen, erhalten regelmässig hohe Hofdüngergaben. Dies spiegelt sich in den P-Bilanzen und somit auch in den Cu- und Zn-Bilanzen der Parzellen wieder. Besonders deutlich ist dies für Parzelle 30. Hier werden sehr grosse Mengen an Hofdünger ausgebracht, welche zudem hohe Konzentrationen an Zn und Cu aufweisen. Dies lässt eine Anreicherung der Stoffe im Boden vermuten. Über die Zeit zeigen die Fluxe einen leicht abnehmenden Trend, die Abnahme liegt jedoch innerhalb des Fehlerbereichs.
Die Nettofluxe der Parzelle 60 sind zeitlich relativ konstant auf einem hohen Niveau. Ursache für die hohen Werte in Parzelle 60 könnte der hohe Rindergülleanteil in der Mischgülle sein, denn sie weist ziemlich hohe Zn- und Cu-Werte auf.
Auf der Parzelle 33 könnte sich ebenfalls eine leichte Tendenz zur Abnahme der Nettofluxe zeigen. Es sind jedoch die Daten der P2O5-Bilanz für die Phase II vertieft zu prüfen. Die starke Abnahme der P-Überschüsse von Phase I zu Phase II konnte anhand der Erhebungsdaten nicht erklärt werden und ist nicht plausibel.
Den intensiv bewirtschafteten Parzellen stehen die weniger intensiv bewirtschafteten Parzellen 1 und 69, sowie die extensiv bewirtschaftete Parzelle 10 gegenüber. Die extensive Bewirtschaftung von Parzelle 10 lässt sich an den geringeren Mengen an Hofdünger sowie den geringeren Ernteerträgen erkennen. Die geringeren Ernteerträge sind durch die Höhenlage (935m.ü.M) zu erklären. Dagegen spricht jedoch der Ernteertrag auf den Parzellen 60 und 69 (955 und 818m.ü.M), der ebenfalls im Bereich des Normertrags lag. Eine extensive Bewirtschaftung der Parzelle 10 scheint deshalb eher die Ursache zu sein.
Bei den weniger intensiv bewirtschafteten Parzellen kann man keine zeitlichen Trends erkennen. Die Schwankungen der Nettofluxe über die Zeitphasen sind unregelmässig und liegen immer innerhalb des Fehlerbereichs. Auch die teilweise negativen P2O5–Fluxe müssen
nicht als Verluste interpretiert werden, sondern zeigen über die Zeit mehr oder minder ausgeglichene P-Bilanzen an.
Die Nettofluxe auf den Wiesenparzellen werden vor allem durch den Hofdünger-Input dominiert (Vgl. Abb.4.13-4.17). Auch hier fällt die Parzelle 10 durch ihre extensive Bewirtschaftung auf: der Hofdünger ist weniger relevant als Eintragsweg als auf den anderen Parzellen, wobei die Deposition absolut gesehen gleich gross ist (Abb.5.5 und 5.6). Der Unterschied ist bei Zn grösser als bei Cu. Die Ursache ist aus den vorhandenen Daten nicht klar erkennbar. Es könnte sein, dass die für die Berechnung des Hofdüngerfluxes verwendete gemittelten Cu- Konzentrationswerte im Vergleich zu den anderen ziemlich hoch war (Abb.5.2). So wurden die kleineren Mengen an ausgebrachtem Hofdünger kompensiert, und die berechneten Cu-Hofdüngerfluxe unterscheiden sich nicht mehr drastisch von den anderen.
Die gemittelten Zn-Konzentrationswerte lagen viel mehr im Bereich der anderen Konzentrationswerte (Abb. 5.3), so dass die kleinere Menge an ausgebrachtem Hofdünger ihre Wirkung in der Berechnung zeigt.
Die offensichtlich grosse Relevanz des Hofdüngers für den Zn-, Cu- und P2O5–Eintrag in die Wiesenböden zeigt die zentrale Bedeutung der ausgebrachte Hofdüngermengen und Zusammensetzung für die Stoffbilanzen auf.
Besonders auf den sehr intensiv bewirtschafteten Parzellen könnte flexibles, an den Boden angepasstes Düngen den Boden deutlich entlasten. Etwas kleinere Menge an Dünger würden wahrscheinlich zu keinen nennenswerten Ernteeinbussen führen, da auf den meisten Wiesen die Bedarfe gedeckt sind (Vgl. Abb.5.7-5.9:die weniger intensiv bewirtschafteten Parzellen 1 und 69 wiesen die gleichen Ernteerträge auf wie die Parzellen 30, 33 und 60). Angesichts der hohen Tierdichten auf den Parzellen 30, 33 und 60 könnte das Ausbringen des Hofdünger jedoch auch als Entsorgungsweg im Vordergrund stehen, und weniger das eigentliche Düngen. Aber ein ausgewogener Phosphoreintrag würde helfen, die Gewässerproblematik zu verbessern. Eine reduzierte, dafür unter Umständen effizientere Tierernährung (bessere Bioverfügbarkeit der Elemente) würde es ermöglichen, den Zn und Cu-Gehalt im Hofdünger zu reduzieren und so die Belastung in Wiesenböden zu verringern. Und auch bei der Tierzucht (v.a. Ferkelzucht) sollte eine Reduktion der Futterzusatzstoffe ohne (grössere) Leistungseinbussen möglich sein, da die momentan verwendeten Cu-Gehalte im Futtermittel keine zusätzliche leistungsfördernde Wirkung zeigen (Vgl. Kap.3.3.1) und lediglich hohe Konzentrationen in den Hofdüngern verursachen.
Seit Mitte der 90iger Jahre wird in der Schweiz mit einer Reihe von Massnahmen eine ökologische und umweltverträgliche Landwirtschaft vorangetrieben. Stellvertretend seien hier die Einführung der Suisse-Bilanz und die ökologischen Direktzahlungen genannt. Nahezu alle Betriebe sind zumindest IP-zertifiziert, und auch der Bio-Markt geniesst immer grössere Anerkennung. Trotzdem konnte in dieser Semesterarbeit keine signifikanten Abnahmen in den Cu-, Zn-, und P2O5–Einträgen für die sechs Graslandparzellen im NABO-Messnetz über die Jahre 1986 bis 2003 festgestellt werden. Dies ist auf mehrere Gründe zurückzuführen. Als wichtigster sind die zahlreichen Datenlücken zu nennen. So fehlten teilweise Messwerte für die Konzentrationen in den Hofdüngern und Gräsern. Aber auch in den Bewirtschaftungsprotokollen wurden nicht immer jährlich Daten erhoben (besonders in der Phase I). Alle Lücken mussten durch Mittelwerte oder Annahmen ersetzt werden, welche die Unsicherheiten der Bilanzdaten stark erhöhten. Dies verstärkte die bereits grossen natürlichen Streuungen innerhalb der Parzellenbilanzen. Auch Betriebswechsel können durch die unterschiedliche Bewirtschaftung die Bilanzen zusätzlich beeinflussen. Und nicht zuletzt handelte es sich um eine sehr kleine Stichprobe (sechs Parzellen). Um aussagekräftige Schlüsse für die Schweiz ziehen zu können, müsste eine viel grössere Anzahl an Betrieben untersucht werden.
Auch wenn eine Abnahme der Cu-, Zn-, und P-Bilanzen in dieser Arbeit nicht bestätigt werden konnte, lohnt es sich, vor allem in Anbetracht der wichtigen Bedeutung des Hofdüngers für die Graslandböden, auf dem Weg der ökologischeren Produktionsweise weiterzugehen, um eine langfristige, nachhaltige Landwirtschaft zu garantieren.
6. Literaturverzeichnis
BUWAL (1991): „Schwermetall und Fluor in Mineraldüngern“. Schriftenreihe Umwelt Nr.
162.
BUWAL (1993): „Nationales Bodenbeobachtungsnetz: Messresultate 1985-1991“.
Schriftenreihe Umwelt Nr. 200- Boden.
BUWAL (2004-180): „Deposition von Luftschadstoffen in der Schweiz: Moosanalysen 1990- 2000“.Umwelt- Materialien Nr. 180- Luft.
Candidas T., Chassot G., Besson, J-M, Lischer P., (1991): “Nutz- und Schadstoffe im Klärschlamm“. Schweiz. Landw. Fo 30.
Keller A., Rossier N, und Desaules André FAL (2005): „Schwermetallbilanzen von Landwirtschaftsparzellen der nationalen Bodenbeobachtung“. Schriftenreihe der FAL Nr. 54.
Agroscope, FAL Reckenholz, Forschung für Landwirtschaft und Natur.
Herzog F., Richner W., (2005): „Evaluation der Ökomassnahmen: Bereich Stickstoff und Phosphor“. Schriftenreihe der FAL Nr. 57. Agroscope, FAL Reckenholz, Forschung für Landwirtschaft und Natur.
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Guidon D., Kessler J., (1991):“Kupfer und Zink im Schweinemast- Alleinfutter: Vergleich 1985 und 1990“ Landwirtschaft Schweiz 4.
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Eidgenössische Forschungsanstalt für viehwirtschaftliche Produktion, Posieux. Erschienen in:
Agrarforschung (7).
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Agroscope Liebesfeld- Posieux Posieux.
Kretschmar, R. (2006): „Bodenchemie“. Vorlesung Wintersemester 2006/07, ETH Zürich.
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Menzi H., Haldemann C., Kessler J., (1993): „Schwermetalle in den Hofdüngern- ein Thema mit Wissenslücken“. Schweiz. Landw. Fo 32.
Danksagung
Ich möchte Armin Keller herzlich danken für die Betreuung, sowie für das zur Verfügung stellen von Literatur und die Berechnungen der Bilanzen.
Anhang
A-1 Ausgebrachte Mengen an Hofdünger (Frischsubstanz)
R-Gülle [m3/(ha*a)]
R-Mist [t FS/ha]
S- Gülle
[m3/(ha*a)] sonstige
I 26.0 9.5
II 35.6 3.3 0.3
1
III 13.3 11.7 0.3
I 6.7 3.0
II 4.2
10
III 3.3 5.8
I 22.3 300.0
II 366.7 346.7
30
III 61.1 48.3
I 15.9 20.8 5.0
II 21.1 9.5 6.7
33
III 44.4 18.3 13.3
I 19.0 6.8
II 35.6 13.3
60
III 26.7 11.7
I 10.6
II 39.4
69
III 42.1 11.7
A-2 Schweizweit gemittelte Konzentrationswerte
Typ BWCNr Element Zeitperiode n min max median Q10 Q90
Mischgülle Cu 1 4 54 180 122 54 180
Mischgülle Cu 3 1 58.3 58.3 58.3 - -
Rindergülle 462 Cu 1 8 27 82 32.5 27.6 80.2
Rindergülle 462 Cu 2 4 19.1 52.5 31.7 19.1 52.5
Rindergülle 462 Cu 3 1 27.7 27.7 27.7 - -
Rindermist 398 Cu 1 1 39 39 39 - -
Rindermist 398 Cu 2 3 15 23.9 22 15 23.9
Rindermist 398 Cu 3 2 22.7 22.7 22.7 22.7 22.7
Schweinegülle 463 Cu 1 3 159 224 220 159 224
Schweinegülle 463 Cu 2 6 71 116.5 112.125 72.26 116.5
Schweinegülle 463 Cu 3 1 116.4 116.4 116.4 - -
Schweinemist 618 Cu 2 2 66.2 66.24 66.22 66.2 66.24
Mischgülle P 1 3 11.7 16.5 14.6 11.7 16.5
Rindergülle 462 P 1 4 8.1 9.2 9 8.1 9.2
Rindergülle 462 P 2 1 7.3 7.3 7.3 - -
Rindergülle 462 P 3 1 7.3 7.3 7.3 - -
Rindermist 398 P 1 1 8 8 8 - -
Rindermist 398 P 3 1 5.5 5.5 5.5 - -
Schweinegülle 463 P 1 1 79.8 79.8 79.8 - -
Schweinegülle 463 P 2 1 17.1 17.1 17.1 - -
Schweinegülle 463 P 3 1 18.52 18.52 18.52 - -
