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Managing soil and groundwater impacts from agriculture for sustainable intensification

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Neuartige Bewirtschaftungsansätze, Aufbereitungskonzepte und Instrumente zur Entscheidungsunterstützung für eine nachhaltige Landwirtschaft

Im Rahmen des Projekts INSPIRATION wurden die wesentlichen Verhaltensweisen von Kohlenstoff, Stickstoff und organischen Schadstoffen beschrieben, die durch die Landwirtschaft entstehen, und Lösungen zur Minderung ihrer Umweltauswirkungen sowie zur Verbesserung der Bodenqualität erarbeitet.

Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Um die Ernährung der wachsenden Bevölkerung zu sichern, sind Methoden der intensiven Landwirtschaft wie der umfassende Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden weit verbreitet. Die Intensivlandwirtschaft hat jedoch nachteilige Auswirkungen: Anstieg von Treibhausgasen wie Distickstoffmonoxid, Kohlendioxid und Methan, Gewässerverschmutzung durch Agrochemikalien und Nährstoffe sowie geschädigte Böden durch den Austrag organischer Stoffe und den Rückgang der biologischen Vielfalt. Die Forschungsgruppe des EU-finanzierten Projekts INSPIRATION (Managing soil and groundwater impacts from agriculture for sustainable intensification) erzielte wichtige wissenschaftliche Fortschritte in der Bekämpfung dieser Auswirkungen. „Wir haben jetzt ein besseres Verständnis über den Einfluss der Wechselwirkung zwischen hydrogeologischen und hydrogeochemischen Prozessen sowie Landnutzungsprozessen auf die Treibhausgaskonzentrationen im Grundwasser auf der Ebene der Einzugsgebiete“, sagt Projektkoordinator Steven Thornton von der Universität Sheffield, der Gasteinrichtung des Projekts. Das Team von INSPIRATION bestimmte spezifische Bedingungen in Grundwasserleitern, unter denen Nährstoffe in Distickstoffmonoxid, Kohlendioxid und Methan umgewandelt werden und in die Atmosphäre gelangen. Dies ist ein wertvoller Beitrag zur Quantifizierung und Steuerung regionaler Treibhausgasemissionen.

Aufbereitungskonzepte

INSPIRATION war ein Projekt des Marie-Skłodowska-Curie-Ausbildungsnetzwerks und 15 multidisziplinäre Nachwuchsforschende waren daran beteiligt. Sie wandten Labor-, Feld- und Modellierungsstudien an, um sowohl auf Ebene landwirtschaftlicher Betriebe als auch auf Ebene von Einzugsgebieten mit technologischen Lösungen zu experimentieren, diese zu erproben, zu überwachen und zu bewerten. Da Betriebsentwässerungssysteme Oberflächen- und Grundwasser mit Stickstoff- und Phosphorverbindungen verschmutzen, wurden im Rahmen von INSPIRATION Aufbereitungskonzepte unter Einsatz verschiedener natürlicher Materialien (z. B. Zeolith, Holzspäne, Kompost) entwickelt, um diese Nährstoffabschwemmung zu unterbinden. Es wurden unterschiedliche Gemische aus Nährstoffen und den vorhergehend beschriebenen natürlichen Medien im Labormaßstab und in Säulenexperimenten erprobt, um die optimale Kombination für Permeabilität, Adsorption und operative Lebensdauer zu bestimmen. Das Team konzipierte dann eine Lösung für ein Entwässerungsszenario eines Milchviehbetriebs. Die Medien wurden auch auf ihre Verwendbarkeit in Landentwässerungssystemen hin untersucht, um Phosphor aufzufangen und als Düngemittel auf die Felder zurückzuführen, was eine nachhaltige Lösung sowohl zur Verringerung der Nährstoffbelastungen von Wasser als auch zur Reduzierung des Einsatzes mineralischer Düngemittel wäre. Darüber hinaus wurde ein Biosensor zur Überwachung der Sanierung von durch Schwermetallkontamination geschädigten Böden entwickelt. „Diese Innovation misst die Bioverfügbarkeit von Metallen im Boden und ist ein geeigneterer Indikator für die Bodengesundheit als die chemischen Gesamtkonzentrationen. Durch die Bestimmung der für die Bodenmikroorganismen giftigen Metallkonzentrationen können die für das Land Verantwortlichen Abhilfemaßnahmen treffen“, merkt Thornton an. Schwermetalle enthaltenden Böden wurde Biokohle beigemischt, die diese Verbindungen absorbiert, deren Bioverfügbarkeit für Mikroorganismen reduziert und so die Bodenfunktionen verbessert. Untersuchungen bestätigten die Leistung des Biosensors bei der Überwachung der Bodensanierung.

Entscheidungsunterstützung

Um die Auswahl lokal bezogener Materialien für den Abbau von Nährstoffüberschüssen in Entwässerungswasser von Milchviehbetrieben zu unterstützen, wurde das frei zugängliche Instrument zur Entscheidungsunterstützung FarMit entwickelt. FarMit umfasst eine Datenbank mit 75 Materialien, die hinsichtlich Leistungs- und Kostenkriterien bewertet wurden. Es wurde in Belgien, Irland und den Vereinigten Staaten mit unterschiedlichen landwirtschaftlichen Praktiken und Nährstoffszenarien erfolgreich getestet. „Das Instrument verbessert die Eindämmung der Verschmutzung am Ursprungsort. Dabei werden lokal verfügbare Materialien wiederverwendet, wodurch Transport- und Betriebskosten gesenkt werden“, fügt Thornton hinzu. Darüber hinaus wurde ein Rahmenwerk für die Modellierung und Entscheidungsunterstützung erstellt, das der Quantifizierung der Auswirkungen unterschiedlicher Bewirtschaftungstechniken anhand von Indikatoren wie dem Ernteertrag, dem Gehalt an organischem Kohlenstoff im Boden und dem Stickstoffaustrag dient. Das Instrument bewertet die Abwägungen bei der Bewirtschaftung zur Maximierung nachhaltiger Erzeugung bei gleichzeitiger Minimierung der Auswirkungen auf die Umwelt. „Indikatoren werden üblicherweise einzeln bewertet. Daher ist dieser Ansatz einzigartig“, erklärt er. „Das neue Rahmenwerk kann auch für verschiedene Maßstäbe eingesetzt werden. So kann es zur Bewertung der landwirtschaftlichen Produktivität, der Bodenqualität und des Umweltschutzes europaweit für unterschiedliche Kombinationen von Anbaupflanzen, Boden und Klima angewendet werden.“ Die Forschung, Techniken und Instrumente von INSPIRATION unterstützen wichtige EU-Rechtsvorschriften und -Richtlinien, insbesondere die Wasserrahmenrichtlinie und andere Richtlinien zu Nitraten, Grundwasser und zum nachhaltigen Einsatz von Pestiziden, den europäischen Grünen Deal sowie die Thematische Strategie für den Bodenschutz. Diese Vorschriften und Richtlinien verpflichten die Mitgliedstaaten, Maßnahmen zum Schutz, zur Sanierung sowie zur Gewährleistung einer langfristigen nachhaltigen Nutzung natürlicher Ressourcen zu ergreifen.

Schlüsselbegriffe

INSPIRATION, Boden, Landwirtschaft, Kohlenstoff, Stickstoff, organische Schadstoffe, Treibhausgase, Grundwasser, Entwässerung, Nährstoff, Düngemittel, Rahmenwerk für die Entscheidungsunterstützung, Milchviehbetrieb, Biosensor

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