Anforderungen an die landwirtschaftliche Forschung und das landwirtschaftliche Untersuchungswesen im Wandel der Zeit

Franz Wiesler, Landwirtschaftliche Untersuchungs- und Forschungsanstalt Speyer, Obere Langgasse 40, 67346 Speyer


Einleitung

Der Ausbruch des Vulkans Tambora auf der indonesischen Insel Sumbawa führte vor 200 Jahren zu dramatischen globalen Klimaveränderungen, so zu einem „Jahr ohne Sommer“ (1816) und in der Folge zu weltweiten Missernten und Hungersnöten (z. B. Behringer, 2015). Diese waren eine der Triebfedern für vielfältige Bestrebungen, die Erzeugung von Nahrungsmitteln durch Förderung des Versuchswesens sowie verbesserte Ausbildung und Beratung der Landwirte zu erhöhen. Beispiele hierfür sind die Gründung des landwirtschaftlichen Hauptfestes auf dem Cannstatter Wasen im Jahre 1818 und die Gründung einer Landwirtschaftlichen Unterrichts-, Versuchs- und Musteranstalt in Hohenheim im gleichen Jahr.


Fortschritte in der Pflanzenernährung und Düngung als wichtiger Baustein für Produktivitätssteigerungen in der Landwirtschaft

Verbunden mit der Nutzbarmachung der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung für die landwirtschaftliche Praxis gelang es dann im Verlauf des 19. Jahrhunderts die Erträge in der Pflanzenproduktion kontinuierlich zu steigern. Ähnliche Erfolge wurden durch die „grüne Revolution“ noch in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts auch in anderen Regionen der Welt erzielt. Die wichtigsten Bausteine dieser Ertragssteigerungen waren die Verbesserung der Anbausysteme, Bodenmeliorationen, bessere Saatgutqualitäten, Züchtung von Hochertragssorten, Mechanisierung, wirksamerer Pflanzenschutz und insbesondere die verstärkte Mineraldüngung (Tabelle 1).

Jahr Mineraldüngeraufwand
(kg ha-1)
Kornertrag
(dt ha-1) 
  N P2O5 K2O  
1878/80 1 2 1 12
1900/04 3 9 4 18
1920/24 8 8 23 16
1930/34 13 15 23 20
1950/51 27 24 50 25
1960/61 42 43 74 32
1970/71 83 66 91 40
1980/81 124 67 91 50
1993/94 93 24 37 62
2000/01 108 21 32 76
2010/11 107 17 26 72
2014/15 109 18 27 83

Tabelle 1:
Mineraldüngeraufwand und durchschnittlicher Kornertrag von Weizen in Deutschland seit 1878 [Statistisches Bundesamt (2015) und andere Quellen]

 

Der wachsenden Bedeutung von Düngern als externe Betriebsmittel für die Landwirtschaft trug der Gesetzgeber vor 100 Jahren in Deutschland durch die „Bekanntmachung über künstliche Düngemittel“ im Reichs-Gesetzblatt vom 12. Januar 1916 Rechnung. Dieser Bekanntmachung folgte am 3. August 1918 die „Verordnung über künstliche Düngemittel“. Sie wurde im Laufe der Zeit mehrfach geändert und durch weitere Regelwerke ergänzt. Heute stehen neben dem Düngegesetz die Düngemittelverordnung und die Düngeverordnung im Zentrum der einschlägigen gesetzlichen Regelungen, die Düngeverordnung auch des öffentlichen Interesses. Das Dünge- und Düngemittelrecht spiegeln neben Anforderungen durch die Landwirtschaft und die Gesamtgesellschaft auch den Fortschritt in der landwirtschaftlichen Forschung und im Untersuchungswesen wider. Die Übersichten 1 und 2 geben einen Überblick über Fortschritte in der Pflanzenernährung und Düngung sowohl im Bereich der Grundlagenforschung als auch der angewandten Forschung seit dem 19. Jahrhundert.

  • Entdeckung der Mineralstoffe als essentielle Wachstumsfaktoren für Pflanzen (Sprengel, Liebig)
  • Erkenntnis der Bedeutung des Nährstoffersatzes für die Bodenfruchtbarkeit (Liebig)
  • Erklärung der N2-Fixierung durch Leguminosen (Boussingault, Hellriegel)
  • Formulierung der Wachstumsgesetze (Sprengel, Liebig, Wollny, Mitscherlich)
  • Entdeckung der Bedeutung der Spurenelemente für das Wachstum der Pflanzen (Hoagland)
  • Entdeckung der Bedeutung von Pflanze/Boden-Wechselwirkungen für die    Pflanzenernährung
  • Erforschung der Mineralstoffhaushalte in verschiedenen Ökosystemen
  • Ermittlung der Ursachen, des Ausmaßes und der Wirkungen von Nährstoffverlusten in Hydrosphäre und Atmosphäre
  • Erforschung der genetischen und molekularbiologischen Grundlagen der Pflanzenernährung

Übersicht 1: Beispiele für Fortschritte in Pflanzenernährung und Düngung – Grundlagen

 

  • Bewertung der Nährstoffverfügbarkeit in Düngemitteln aufgrund chemischer Düngemittelnalysen  sowie der Düngerwirksamkeit in Gefäß- und Feldversuchen
  • Ermittlung der Bodenreaktion, u.a. in Abhängigkeit von der Mineraldüngung
  • Ermittlung des Grundnährstoff-Düngebedarfs  auf der Basis von Bodenanalysen und deren Kalibrierung an Feldversuchen
  • Ermittlung des Stickstoff-Düngebedarfs auf der Basis von Boden- und Pflanzenanalysen und deren Kalibrierung an Feldversuchen (Nmin-Methode, Nitrat-Schnelltest, Chlorophyllmetermessungen, berührungslose Lichtreflexions-   messungen, EUF-Methode)
  • Einfluss  von Düngerform und Düngerformulierungen sowie von Zusatzstoffen auf die Düngerwirksamkeit (umhüllte Dünger, Nitrifikationshemmstoffe,    Ureasehemmstoffe)
  • Einfluss der Düngungstechnik auf die Düngerwirksamkeit
  • Beurteilung der stofflichen und hygienischen Risiken bei der Verwendung bestimmter Düngemittel

Übersicht 2: Beispiele für Fortschritte in Pflanzenernährung und Düngung – angewandte Aspekte


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Abbildung 1: Darstellung der Ergebnisse von Düngungsversuchen der Landwirtschaftlichen Versuchsstation Darmstadt, Prof. Dr. Paul Wagner

 

Die Bearbeitung angewandter Aspekte der Pflanzenernährung war seit ihrer Gründung in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts ein Schwerpunkt der Arbeit der Landwirtschaftlichen Versuchsstationen in Deutschland. Ein Beispiel sind die auch in ihrer Darstellung sehr beeindruckenden Düngungsversuche von Prof. Paul Wagner an der damaligen Landwirtschaftlichen Versuchsstation Darmstadt (Abbildung 1). Im Untersuchungswesen spielte, zu Beginn des 20. Jahrhunderts die Analytik von Düngemitteln die dominierende Rolle. Wie die Jahresberichte der Landwirtschaftlichen Kreisversuchsstation Speyer zeigen, war die ermittelte Variation der Qualitäten, z. B. die Streuung der wasserlöslichen P-Gehalte in Superphosphat  (1,9 bis 20,4 %) noch weit von den heute als selbstverständlich angesehenen Qualitätsstandards entfernt (Abbildung 2). Im Verlauf der 1930er Jahre wurden dann die Bodenuntersuchungen, insbesondere im Hinblick auf die Bodenreaktion, immer wichtiger. Deren verstärkte Untersuchung wurde insbesondere durch Diskussionen um die versauernde Wirkung der Stickstoffmineraldünger ausgelöst (siehe z.B. Uekötter, 2010). Nicht zuletzt war es ein Anliegen der Versuchsstationen, durch die Untersuchung landwirtschaftlicher Betriebsmittel den Landwirt vor Betrug zu schützen. Die Berechtigung dieses Anliegens zeigt sehr eindrucksvoll das Beispiel der Untersuchung eines „Universaldüngers“ durch die Landwirtschaftliche Kreisversuchsstation Speyer im Jahre 1914 (Abbildung 3).

wiesler2

Abbildung 2: Untersuchungsschwerpunkte der landwirtschaftlichen Kreisversuchsstation Speyer in den Jahren 1900 und 1938 [Jahresberichte 1900 und 1938]


 wiesler3

Abbildung 3: Untersuchung von landwirtschaftlichen Betriebsmitteln zum
Schutz der Landwirte vor Betrug  [Bericht über die Tätigkeit der Landwirtschaftlichen Kreisversuchsstation Speyer für das Jahr 1914]

Insgesamt steht die Einführung moderner Düngemittel in Zusammenhang mit beeindruckenden Ertragssteigerungen im 19. Jahrhundert, ohne die die Ernährung der Weltbevölkerung heute nicht mehr gewährleistet wäre. Allein das Haber-Bosch-Verfahren zur Herstellung von N-Düngern (1913) gewährleistet heute nach einer Studie von Erisman et al. (2008) die Ernährung von fast der Hälfte der Weltbevölkerung. Dabei sollte nicht vergessen werden, dass insbesondere in den afrikanischen Ländern südlich der Sahara, die immer noch durch ein häufig sehr knappes Nahrungsmittelangebot gekennzeichnet sind, auch heute noch erhebliche Potentiale zur Steigerung der Nahrungsmittelproduktion durch den Einsatz von Düngern bestehen.


Düngemittel - vom Werkezeug gegen den Hunger zum wichtigsten Verursacher von Umweltschäden durch die Landwirtschaft?

Ungeachtet der erzielten großen Erfolge im Hinblick auf Produktivitätssteigerungen der Landwirtschaft steht die Düngung in den industrialisierten Ländern seit den 1970er Jahren aufgrund von Nährstoffüberschüssen und dadurch verursachten Umweltwirkungen zunehmend in der Kritik von Umweltwissenschaften Umweltpolitik und Umweltbehörden (z. B. Umweltbundesamt, 2014, 2015; Sachverständigenrat für Umweltfragen, 2015) sowie der Presse und Öffentlichkeit (z.B. Süddeutsche Zeitung,  2014). Nährstoffüberschüsse können zu einer Nährstoffakkumulation im Boden, Verschwendung von knappen Ressourcen (P), Nährstoffeinträgen in das Grundwasser (Nitrat), Fließgewässer (Nitrat, Phosphat), Seen, Küstengewässer und Meere (Nitrat, Phosphat) sowie Nährstoffeinträge in die Atmosphäre (Ammoniak, Lachgas) führen.

Der Wissenschaftliche Beirat für Düngungsfragen beim Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft hat in seinem jüngsten Standpunkt den Mineralstoffbedarf der deutschen Pflanzenproduktion im Vergleich zum Mineralstoffanfall mit organischen Düngern und organischen Reststoffen untersucht (Wissenschaftlicher Beirat für Düngungsfragen, 2016). Tabelle 2 zeigt, dass allein mit organischen Düngern und organischen Reststoffen im nationalen Maßstab eine sehr hohe  Mineralstoffzufuhr erfolgt, die rechnerisch 91 % des Stickstoff-, 71 % des Phosphor-  und 76 % des Kalium-Bedarfs entspricht. Berücksichtigt man zusätzlich die Nährstofflieferung mit Mineraldüngern, ergibt sich für Stickstoff insgesamt ein sehr deutlicher Überschuss, der im Durchschnitt ca. 94 kg N je Hektar landwirtschaftlicher Nutzfläche entspricht. Für Phosphor und Kalium lässt sich dagegen jeweils ein moderates Defizit berechnen. Dabei bestehen allerdings sehr große regionale Unterschiede, z. B. zwischen Regionen mit intensiver Tierhaltung und Regionen mit vorwiegend Ackerbau (z. B. Landwirtschaftskammer Niedersachsen, 2015; Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen, 2014). Da Deutschland im Zusammenhang mit Nährstoffüberschüssen verschiedene Umweltziele, wie sie in der Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung, der EU-Nitrat-Richtlinie, der EU-Wasser-Rahmenrichtlinie, der EU-NEC-Richtlinie und der EU-Meeresstrategie-Richtlinie formuliert sind, verfehlt, werden positive Aspekte der Düngung heute von der Öffentlichkeit weit weniger wahrgenommen als ungünstige Umwelteffekte.

  P
[1000 t]
Bedarf 2833 533 2888
Anfall mit org. Reststoffen 2576 380 2197
% des Bedarfs (rechnerisch) 91 71 76
Anfall org. Reststoffe - Bedarf -257 -153 -691
Lieferung Mineraldünger 1823 131 381
Saldo +1566 -22 -310

Tabelle 2: Mineralstoffbedarf der deutschen Landwirtschaft im Vergleich zum Mineralstoffanfall mit organischen Düngern und organischen Reststoffen sowie der Mineralstofflieferung mit Mineraldüngern [Standpunkt des Wissenschaftlichen Beirats für Düngungsfragen, 2016; Statistisches Bundesamt, 2015]

 

Die Lösung der umrissenen Zielkonflikte zwischen landwirtschaftlicher Produktion sowie Umwelt- und Ressourcenschutz wird noch dadurch erschwert, dass die landwirtschaftliche Forschung seit den 1990er Jahren sehr starken Veränderungen unterworfen ist (Übersicht 3). Diese Veränderungen führten dazu, dass heute ein erhebliches Defizit in der angewandten Agrarforschung besteht, unter dem nicht nur die Landwirtschaft, sondern auch die Entwicklung umweltverträglicher Produktionssysteme sowie der vorbeugende Verbraucherschutz leiden.

  • Beschneidung der Ressourcen für die angewandte Agrarforschung an den Universitäten
  • Hinwendung zur Grundlagenforschung in den verbliebenen Bereichen
  • Lockerung des traditionellen Kontaktes zwischen Universitätsinstituten wie der Pflanzenernährung und außeruniversitären Institutionen wie dem VDLUFA
  • Rückzug von Privatunternehmen aus der Düngungsforschung
  • Rückzug vieler LUFA aus dem Versuchswesen
  • Grundsätzliche Kritik am öffentlich finanzierten landwirtschaftlichen Versuchswesen, z.B. durch Landerechnungshöfe
  • Beschneidung des Versuchswesens in der Landesressortforschung

Übersicht 3: Die Situation der Agrarforschung seit den 1990er Jahren

 

Aktuelle Herausforderungen für die landwirtschaftliche Forschung

Es ist unschwer vorherzusagen, dass die öffentlich finanzierte landwirtschaftliche Forschung und auch das Untersuchungswesen in Zukunft noch stärker gesamtgesellschaftliche Interessen, insbesondere im Bereich des Umwelt- und Verbraucherschutzes, berücksichtigen müssen, um weiterhin gesellschaftliche Akzeptanz zu behalten bzw. wiederzugewinnen.

  • Verbesserung der Nährstoffverteilung zwischen Tierhaltungs- und Ackerbauregionen  (Schnellmethoden zur Bestimmung der Nährstoffgehalte  org. Dünger)
  • Verbesserung der Grundlagen für die Nährstoffbilanzierung nach Hoftoransatz (Bruttobilanzierung: Festlegung betriebstypenspezifischer Überschüsse)
  • Treffsichere Ermittlung des Düngebedarfs   
    • P- Düngung (Extraktionsverfahren, Richtwerte, Faktoren, Kalibrierung)
    • N-Düngung (N-Nachlieferungspotential von Böden)
  • Verbesserung der Bewertung der Löslichkeit und der Pflanzenverfügbarkeit von Nährstoffen in Düngemitteln, z. B.  P in Recyclingprodukten
  • Entwicklung von Methoden zur Beurteilung der Qualität von pflanzlichen Produkten (wertgebende Inhaltsstoffe, Kontaminanten, Rückstände)
  • Durchführung von Langzeitversuchen (Langzeiteffekte org. Dünger, Schadstoffe)
  • Entwicklung von integrierten Nährstoffmanagementsystemen

Übersicht 4: Beispiele für aktuelle Herausforderungen für die angewandte landwirtschaftliche Forschung und das landwirtschaftliche Untersuchungswesen

 

Beispiele für aktuelle Herausforderungen für die angewandte landwirtschaftliche Forschung, die diesen Gesichtspunkten Rechnung tragen, sind in Übersicht 4 zusammengefasst. Neben spezifischen aktuellen Fragestellungen wie z.B. der Entwicklung von Schnellmethoden zur Bestimmung der Nährstoffgehalte in organischen Düngern als Voraussetzung für deren Verbringung und stärkere Nutzung in Ackerbauregionen oder der Verbesserung der Bewertung der Löslichkeit und Pflanzenverfügbarkeit von Nährstoffen in Recyclingdüngern sollte die angewandte landwirtschaftliche Forschung in Zukunft viel stärker systemare Ansätze verfolgen, um nachhaltige Agrarproduktionssysteme zu etablieren (Taube, 2013). Ein Beispiel hierfür ist die Entwicklung integrierter N-Managementsysteme im Gemüsebau (Wiesler et al., 2008; Armbruster et al., 2013). In langjährigen Feldversuchen konnte, aufbauend auf einer Schwachstellenanalyse, gezeigt werden, dass durch die Kombination verschiedener Maßnahmen wie treffsichere Ermittlung des N-Düngebedarfs, Optimierung von Fruchtfolgen und einem besseren Management der Ernterückstände die Stickstoffbilanzüberschüsse und die Nitratauswaschung auch in für Stickstoffausträge sehr risikobehafteten Produktionssystemen erheblich vermindert werden können. Ergänzende Modellrechnungen ergaben, dass die großflächige Umsetzung entsprechender Ansätze in Regionen mit hoher Nitratbelastung des Grundwassers zu einer Trendumkehr in der Gewässerqualität führen würde (Tabelle 3).

 Szenarium  Potentielle Nitratkonzentration im Sickerwasser
[mg L-1]
  ohne Denitrifikation 50 %Denitrifikation
Düngung nach Faustzahlen 336  168 
Düngung nach N-Expert 160 80
Düngung nach N-Expert
Abfuhr Ernterückstände (20 %)
142 71
Düngung nach N-Expert
Anbau einer Zwischenfrucht (20 %)
145 73
Düngung nach N-Expert
Anbau einer Zwischenfrucht (20 %)
und Abfuhr d. Zwischenfruchtbiomasse
123 62

Tabelle 3: Geschätzte Nitratkonzentration im Sickerwasser der Gemüseanbauflächen der Pfalz bei unterschiedlichem N-Management [nach Armbruster et al., 2010]


Fazit

Die landwirtschaftliche Forschung und das landwirtschaftliche Untersuchungswesen waren seit der Mitte des 19. Jahrhunderts maßgeblich an den Produktivitätssteigerungen der Landwirtschaft beteiligt, ohne die eine ausreichende  Nahrungsmittelbereitstellung für die immer noch wachsende Weltbevölkerung undenkbar wäre. Seit den 1970ere Jahren rückten jedoch neben der Futter- und Nahrungsmittelbereitstellung Umweltwirkungen der Landwirtschaft zunehmend in das Blickfeld von Politik und Öffentlichkeit. Dem trug die landwirtschaftliche Forschung zwar durch neue Schwerpunktsetzungen wie der Ermittlung der Grundlagen für die Verbesserung der Nährstoffeffizienz Rechnung, erhebliche Defizite bestehen jedoch immer noch in der Entwicklung integrierter Nährstoffmanagementsysteme und insbesondere auch in der Umsetzung des vorhandenen Wissens in Beratung und Praxis. Die Akzeptanz eines öffentlich finanzierten landwirtschaftlichen Versuchswesens wird maßgeblich davon abhängen, ob dieses gesamtgesellschaftliche Interessen berücksichtigt und ob Erkenntnisfortschritte Eingang in die landwirtschaftliche Praxis finden.


Literatur

Armbruster, M., Laun. N., Wiesler, F., 2010: Modellrechnungen zur Extrapolation des Einflusses von Maßnahmen zur Verringerung der Nitratauswaschung in das Grundwasser im Gemüsebau der Vorderpfalz. VDLUFA Schriftenreihe 66, Kongressband 2010, 276-286.

Armbruster, M., Heger, A., Laun. N., Wiesler, F., 2013: Integriertes Stickstoff-Managementsystem als Maßnahme zur Verbesserung der N-Effizienz in der Pflanzenproduktion – dargestellt am Beispiel Gemüsebau. VDLUFA Schriftenreihe 69, Kongressband 2013, 182-191.

Behringer, W., 2015: Tambora und das Jahr ohne Sommer – wie ein Vulkan die Welt in die Krise stürzte. Verlag C.H.Beck oHG, München, 3. Auflage, 398 S.

Erisman, J. W., Sutton, M. A., Galloway, J., Klimont, Z., Winiwarter, W., 2008: How a century of ammonia synthesis changed the world. Nature Geoscience 1, 636 – 639.

Landwirtschaftskammer Niedersachsen, 2015: Nährstoffbericht in Bezug auf Wirtschaftsdünger für Niedersachsen 2013/2014. Landwirtschaftskammer Niedersachsen, Oldenburg, 209 S.

Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen, 2014: Nährstoffbericht 2014 über Wirtschaftsdünger und andere organische Düngemittel für Nordrhein-Westfalen. Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen, Münster, 156 S.

Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU), 2015: Stickstoff – Lösungsstrategien für ein drängendes Umweltproblem. Geschäftsstelle des Sachverständigenrates für Umweltfragen, Berlin, 560 S.

Statistisches Bundesamt, 2015: Statistisches Jahrbuch über Ernährung, Landwirtschaft und Forsten. Landwirtschaftsverlag GmbH, Münster-Hiltrup, 588 S.

Süddeutsche Zeitung, 2014: Die Erde erstickt - Sauerstoffmangel in Nord- und Ostsee, belastetes Grundwasser, gefährdete Biodiversität: Der Stickstoffüberschuss aus der Landwirtschaft ist ein verdrängtes Umweltthema. Ausgabe 01.03.2014.

Taube, F., 2013: Die Bedeutung der angewandten Systemforschung im Agrarbereich, Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, Schriftenreihe 4/2013, S. 23-36

Uekötter, F., 2010: die Wahrheit ist auf dem Feld. Eine Wissensgeschichte der deutschen Landwirtschaft. Vandenhoeck & Rupprecht, Göttingen, 524 S.

Umweltbundesamt (UBA), 2014: Reaktiver Stickstoff in Deutschland – Ursachen, Wirkungen, Maßnahmen. Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau, 56 S.

Umweltbundesamt (UBA), 2015: Umwelt- belastende Stoffeinträge aus der Landwirtschaft. Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau, 32 S.

Wiesler, F.; Laun, N.; Armbruster, M., 2008: Integriertes Stickstoffmanagement – eine Strategie zur wirksamen Verringerung der Gewässerbelastung im Gemüsebau: Agrarspectrum 41, 95 - 108.

Wissenschaftlicher Beirat für Düngungsfragen beim BMEL, 2016: „Anwendung von organischen Düngern und organischen Reststoffen in der Landwirtschaft“. Berichte über Landwirtschaft, Band 94, Heft 1, Bonn, 26 S.

 

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