Energy input and energy efficiency of winter wheat with different mineral fertilizers in the Marchfeld plain
Article Category: Research Article
Online veröffentlicht: 23. Okt. 2020
Seitenbereich: 55 - 67
Eingereicht: 16. Okt. 2019
Akzeptiert: 02. März 2020
DOI: https://doi.org/10.2478/boku-2020-0006
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© 2020 Gerhard Moitzi et al., published by Sciendo
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Mit der Verfügbarkeit von fossilen Kraft- und Brennstoffen stieg der Energieeinsatz in der Landwirtschaft an (Boxberger und Moitzi, 2008). Durch die Verknappung von fossilen Energieträgern und aufgrund des fortschreitenden Klimawandels erlangen Ressourcenschonung und Energieeffizienz zunehmend an Bedeutung (Pimentel et al., 1999; von Weizsäcker et al., 2009). Die Intensität landwirtschaftlicher Produktionsprozesse kann durch den direkten und indirekten Energieeinsatz ausgedrückt werden. Der direkte Energieeinsatz ist auf den Einsatz von Kraftstoff, Strom und Heizöl zurückzuführen, während der indirekte Energieeinsatz durch die Prozessenergie für die Herstellung von landwirtschaftlichen Betriebsmitteln (Landmaschinen, Kraftfutter, Saatgut, Dünger- und Pflanzenschutzmitteln, etc.) bestimmt ist (Hülsbergen et al., 2001). Für einen landwirtschaftlichen Betrieb ist sowohl ein hoher Energie-Input als auch ein verminderter Energiesaldo, der zu Ertragsminderung führt, wirtschaftlich und ökologisch unerwünscht. Sie bewirken zum einen eine vermehrte CO2-Emission aus fossilen Energieträgern und zum anderen eine unzureichende Effizienz der Produktionsfaktoren infolge energetisch ungünstiger Verfahrensabläufe (Hege und Brenner, 2004).
Die Verfügbarkeit mineralischer N-Dünger trägt bedeutend zur Steigerung der pflanzenbaulichen Erträge bei. Zahlreiche Untersuchungen (Hülsbergen et al., 2001; Hoeppner et al., 2005; Moitzi et al., 2015; Lin et al., 2017, Moitzi et al., 2019) zeigen, dass unter konventionellen Produktionsbedingungen beim indirekten Energieeinsatz der mineralische N-Dünger den größten Anteil am fossilen Energieeinsatz hat. Mit zunehmender mineralischer N-Düngung nimmt die Energieeffizienz in der Weizenproduktion ab (Uhr und Vasileva, 2016). Neben dem Niveau der mineralischen N-Düngung bestimmt auch die Art des N-Mineraldüngers den flächenbezogenen Energieeinsatz. Der Energieverbrauch in der Produktion von mineralischem N-Düngermittel ist je nach Düngerart und Produktionstechnik sehr unterschiedlich (Jenssen und Kongshaug, 2003; Brentrup und Küsters, 2008). So ist der N-Energieaufwand für die Herstellung von Harnstoff mit 41,7 MJ kg−1 N um ca. 34 % höher als für Kalkammonsalpeter mit 31,1 MJ kg−1 N (Jenssen und Kongshaug, 2003). Ammoniak (NH3) wird aus Luftstickstoff (N2) und Erdgas, das zu etwa 70 % als Prozessgas und zu 30 % als Brennstoff verwendet wird, synthetisiert (Brentrup und Küsters, 2008). Heutige moderne Produktionsanlagen sind in der Lage, Ammoniak mit einem Energieaufwand von etwa 35 MJ kg−1 NH3-N im optimierten Haber-Bosch-Verfahren mit
Eine weitere wichtige Komponente in der N-Düngerproduktion ist die Salpetersäure (HNO3). Die HNO3-Produktion läuft exotherm ab – die überschüssige Energie wird als Dampf exportiert oder zur Elektrizitätsgewinnung verwendet. Mit moderner Produktionstechnik lassen sich heute 11 MJ kg−1 HNO3-N gewinnen, im Durchschnitt sind es 7 MJ kg−1 HNO3-N (Jenssen und Kongshaug, 2003; Brentrup und Küsters, 2008; KTBL, 2008). Je höher der NO3-N-Anteil (Kalkammonsalpeter/Kalksalpeter > Ammoniumnitrat-Harnstofflösung (AHL)) im Dünger ist, umso niedriger ist der Energieverbrauch bei der Produktion dieser Dünger.
Die Stickstoffnutzungseffizienz (NUE) des N-Düngers in pflanzenbaulichen Produktionssystemen beeinflusst neben der Wirtschaftlichkeit vorwiegend auch die Umweltrelevanz (N-Verluste in das Grundwasser und die Atmosphäre) (Oenema, 2015; Plošek et al., 2017). Untersuchungen von Claupein (1994) zeigten, dass die Wirksamkeit der N-Düngung durch den chemischen Pflanzenschutz meist deutlich verbessert wurde und damit auch die Ausnutzung der mit fossiler Energie gewonnen Ressource „Stickstoff „erhöht. Durch den Einsatz von Harnstoff mit Ureaseinhibitoren kann die NUE durch verringerte Nitratverlagerung, Lachgasemission und Ammoniakverflüchtigung in die Atmosphäre erhöht werden (San Francisco et al., 2010).
Auf Grundlage von zwei Versuchen zur mineralischen N-Düngung im Marchfeld wurden der direkte und indirekte Energieeinsatz sowie die Kennzahlen der Energieeffizienz (Energie-Output, Netto-Energie-Output, Energieintensität, Energienutzungseffizienz) bei Winterweizen analysiert. Dabei sollte die Frage beantwortet werden, welche mineralische N-Düngung (N-Form, N-Menge und Splittung der N-Menge) die höchste Energieeffizienz aufweist.
Die Standorte Engelhartstetten (48°11′08.0″N, 16°55′09. 2″E) und Groß-Enzersdorf (48°12′1.79″N, 16°33′33.75″E) sind 28 km voneinander entfernt und haben ähnliche klimatische Verhältnisse. Die langjährigen Mittelwerte sind beim Jahresniederschlag 568 mm und bei der Jahrestemperatur 10,8 °C (ZAMG-Station Groß-Enzersdorf, Beobachtungszeitraum: 1995–2018; ZAMG, 2019). Die langjährigen monatlichen Mittelwerte und die Abweichungen davon in den Versuchsjahren 2015/16–2017/18 sind in Tabelle 1 dargestellt. Die langjährigen Mittelwerte in der Vegetationsperiode von Oktober bis Juni lagen beim Niederschlag bei 361 mm und bei der Temperatur bei 8,0 °C. Die Abweichungen in den Vegetationsperioden waren 2015/16 bei +1,0 °C und +88 mm, 2016/17 bei 0,0 °C und −48 mm und 2017/18 bei +1,1 °C und +10 mm. Die Vegetationsperiode 2015/16 war damit feuchter und die Vegetationsperiode 2016/17 trockener als der langjährige Durchschnitt.
Langjährige durchschnittliche monatliche Temperatur und durchschnittlicher monatlicher Niederschlag (1995–2018) und die Abweichungen in den Vegetationsperioden 2015/16, 2016/17 und 2017/18 (Wetterstation: Groß-Enzersdorf)
Table 1. Long-term average monthly temperature and precipitation (1995–2018) and deviations during the growing seasons 2015/16, 2016/17 and 2017/18 (weather station: Groß-Enzersdorf)
| Temperatur (°C) | Niederschlag (mm) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1995–2018 | 2015/16 | 2016/17 | 2017/18 | 1995–2018 | 2015/16 | 2016/17 | 2017/18 | |
| Oktober | 10,4 | −0,7 | −0,8 | +1,7 | 39 | +39 | +25 | +13 |
| November | 5,8 | +2,0 | −1,0 | +0,4 | 33 | −13 | +3 | −2 |
| Dezember | 1,2 | +2,3 | −0,4 | +1,7 | 30 | −15 | −17 | −3 |
| Januar | 0,3 | −0,2 | −4,1 | +3,6 | 27 | +14 | −15 | +7 |
| Februar | 2,0 | +4,6 | +0,9 | −2,9 | 22 | +27 | +1 | −3 |
| März | 5,7 | +0,6 | +3,2 | −2,4 | 35 | −17 | −6 | +5 |
| April | 11,2 | −0,4 | −1,2 | +4,1 | 41 | +1 | +14 | −28 |
| Mai | 16,0 | −0,3 | +0,5 | +2,5 | 63 | +42 | −18 | +18 |
| Juni | 19,5 | +0,8 | +2,5 | +1,6 | 71 | +10 | −35 | +3 |
Der Versuch am Standort Engelhartstetten wurde im Rahmen des europäischen Projektes FATIMA (FArming Tools for external nutrient Inputs and water MAnagement) in den Jahren 2016 und 2017 durchgeführt (Vuolo et al., 2019; Spiegel et al., 2018). Der Versuch in Groß-Enzersdorf wurde in den Jahren 2017 und 2018 durchgeführt. Die Böden zeichnen sich aufgrund ihrer Bodentextur durch eine gute Wasserspeicherkraft aus und sind repräsentativ für das Marchfeld (Tabelle 2).
Bodenbeschreibung der Versuchsstandorte
Table 2. Soil description of the experimental sites
| Engelhartstetten | Groß-Enzersdorf | |
|---|---|---|
| Humus (%) | 4,1 | 2,8 |
| pH-Wert (CaCl2) | 7,5 | 8,0 |
| Sand (%) | 18 | 36 |
| Schluff (%) | 49 | 44 |
| Ton (%) | 33 | 20 |
| Bodenart | Lehm | Sandiger Lehm |
| Bodentyp | Kalkhaltiger Tschernosem | Tschernosem aus Donausedimenten der quartären |
World Reference Base for Soil Resources
Beim Feldversuch in Engelhartstetten wurden neben der ungedüngten Kontrolle drei unterschiedliche Stickstoffdüngermengen an Kalkammonsalpeter (0 kg, 60 kg, 120 kg und 180 kg N ha−1) aufgeteilt in drei gleiche Düngegaben zur Bestockung, beim Schossen und beim Ährenschieben ausgebracht. Die Parzellengröße betrug 1 ha (100 × 100 m), der Versuch wurde als randomisierte Block anlage in dreifacher Wiederholung angelegt.
Der Feldversuch an der Versuchswirtschaft Groß-Enzersdorf wurde mit den Faktoren Düngerform (ungedüngt [Kontrolle], Kalkammonsalpeter – 27 % N [KAS], Harnstoff – 46 % N [HAS], stabilisierter Harnstoff – 46 % N [HAS stab.], Kalkammonsalpeter – 27 % N und Ammoniumnitrat-Harnstofflösung – 32 % N [KAS+AHL], Harnstoff eingearbeitet – 46 % N [HAS einge.]) und Gabenteilung (1 ×: Bestockung, 2 ×: Bestockung und Schossen und 3 ×: Bestockung, Schossen und Ährenschieben) bei einer gesamten N-Menge von 160 kg ha−1 anlegt (Tabelle 3). Die Parzellengröße betrug 18 m2 (6 × 3 m), der Versuch wurde als randomisierte Blockanlage in dreifacher Wiederholung angelegt.
N-Düngungsvarianten an den Standorten Engelhartstetten und Groß-Enzersdorf
Table 3. N-fertilization treatments at the experimental sites Engelhartstetten and Groß-Enzersdorf
| Standort | Düngung | N | Düngezeitpunkt | N-Menge gesamt | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Bestockung3 | Schossen4 | Ährenschieben5 | ||||
| (%) | (kg N ha−1) | (kg N ha−1) | ||||
| Engelhartstetten | Kontrolle | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 3 × KAS | 27 | 20 | 20 | 20 | 60 | |
| 3 × KAS | 27 | 40 | 40 | 40 | 120 | |
| 3 × KAS | 27 | 60 | 60 | 60 | 180 | |
| Groß-Enzersdorf | Kontrolle | - | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 3 × KAS1 | 27 | 50 | 50 | 60 | 160 | |
| 3 × HAS stab.2 | 46 | 50 | 50 | 60 | 160 | |
| 3 × HAS | 46 | 50 | 50 | 60 | 160 | |
| 2 × KAS | 27 | 100 | 60 | 0 | 160 | |
| 2 × HAS stab. | 46 | 100 | 60 | 0 | 160 | |
| 2 × HAS | 46 | 100 | 60 | 0 | 160 | |
| 1 × HAS stab. | 46 | 160 | 0 | 0 | 160 | |
| 2 × KAS + 1 × AHL6 | 27/32 | 50 (KAS) | 50 (KAS) | 60 (AHL) | 160 | |
| 1 × HAS einge. + 1 × HAS7 | 46 | 100 | 60 | 0 | 160 | |
Kalkammonsalpeter (27 % N),
stabilisierter Harnstoff (46 % N) mit Nitrifikationshemmstoffen (DCD-Dicyandiamid und 1 H-1,2,4 Triazol) – Alzon®,
BBCH: 22-23,
BBCH: 31/32,
BBCH: 52,
AHL wurde als Flüssigdünger, die restlichen Dünger als Granulat ausgebracht,
Einarbeitung mittels Egge nur bei der 1. Gabe zur Bestockung
Im Versuchsjahr 2017 musste am Standort Groß-Enzersdorf aufgrund des Niederschlagsdefizits eine Bewässerungsgabe im Ausmaß von 30 L m−2 am 23.5.2017 durchgeführt werden (Dieselaggregat: 0,8 L Dieselöl mm−1 und ha−1: 24 L ha−1). Die Bodenbearbeitung wurde konventionell wendend auf 25 cm mit dem Pflug durchgeführt. Am Standort Engelhartstetten wurde die Winterweizensorte Capo am 6.11.2015 bzw. am 15.11.2016 angebaut. Am Standort Groß-Enzersdorf wurde die Winterweizensorte Bernstein am 20.10.2016 bzw. am 17.10.2016 angebaut. Die Saatstärke betrug 370 keimfähige Körner m−2, der Reihenabstand 12,5 cm und die Ablagetiefe 3–4 cm. Für die Bekämpfung von zweikeimblättrigen Unkräutern wurde einmalig ein systemisches Herbizid (Broadway®) aus der HRAC-Gruppe B (Acetolactat-Synthase-Hemmer) eingesetzt. Die Ernte in Engelhartstetten erfolgte mittels Mähdrescher am 26.7.2016 bzw. am 20.7. 2017. In Groß-Enzersdorf erfolgte die Ernte händisch am 5.7.2017 bzw. am 27.6.2018 durch das Abschneiden der Getreidehalme auf einer Fläche von einem Quadratmeter. Die Getreidehalme wurden gebündelt, getrocknet und mittels Parzellendrescher gedroschen.
Für die energetische Beurteilung des Produktionssystems „Winterweizen“ wurden energetische Kennzahlen nach der Methode von Hülsbergen et al. (2001) und Lin et al. (2017) berechnet (Tabelle 4). Der Energie-Input wurde aus den Mengen der Betriebsmittelaufwendungen und den Energieäquivalenten berechnet (Tabelle 5). Die oberirdischen Biomasseerträge (Stroh und Körner) wurden energetisch mit dem Bruttoenergiewert für Weizenkörner mit 18,6 MJ kg−1 Trockenmasse und für Weizenstroh mit 18,2 MJ kg−1 Trockenmasse nach den DLG-Futterwerttabellen (DLG, 1997) bewertet.
Definition der Kennzahlen der Energieeffizienz
Table 4. Definition of energy-efficiency parameters
| Definition | Einheit | |
|---|---|---|
| Direkter Energie-Input (Ed) | Input von Diesel und Schmiermittel | GJ ha−1 |
| Indirekter Energie-Input (Ei) | Input von Saatgut1, Mineraldünger, Pflanzenschutzmittel, Maschinen | GJ ha−1 |
| Energie-Input (E) | E = Ed + Ei | GJ ha−1 |
| Energie-Output (EO) | Energie (Brennwert) im geernteten Korn und Stroh minus Energie im Saatgut | GJ ha−1 |
| Netto-Energie-Output (NEO) | NEO = EO – E | GJ ha−1 |
| Energieintensität (EI) | EI = E/Kornertrag | MJ kg−1 |
| Energienutzungseffizienz (EUE) | EUE = EO/E | GJ GJ−1 |
Energie-Input für Bearbeitung, Lagerung und Verkauf des Saatgutes
Energieäquivalente von landwirtschaftlichen Betriebsmitteln
Table 5. Energy equivalents for production facilities
| Einheit | Energieäquivalent | Quelle | |
|---|---|---|---|
| Dieselkraftstoff | MJ L−1 | 39,6 | Hülsbergen et al. (2001), Sørensen et al. (2014), Lin et al. (2017) |
| Schmiermittel | MJ L−1 | 39,0 | Sørensen et al. (2014) |
| Mineraldünger | |||
| • Kalkammonsalpeter (27 % N) | MJ kg−1 | 32,2 | Jenssen und Kongshaug (2003), Arvidsson (2010) |
| • Harnstoff (46 % N), stabilisierter Harnstoff (46 % N) | MJ kg−1 | 41,7 | Jenssen und Kongshaug (2003) |
| • AHL (32 % N) | MJ kg−1 | 41,8 | Jenssen und Kongshaug (2003) |
| Herbizid | MJ kg−1 | 288 | Green (1987), Deike et al. (2008), Lin et al. (2017) |
| Saatgut | MJ kg−1 | 5,5 | Kalk et al. (1995), Hülsbergen et al. (2001) |
| Maschinen1 | MJ ha−1 | 1253 | Biedermann (2009) |
Konventionelles Bodenbearbeitungssystem mit Pflug (Getreidefläche: 200 ha)
Die statistische Datenauswertung wurde mit dem Statistikpaket SPSS 21.0 durchgeführt. Neben der deskriptiven Statistik wurde mit dem strukturprüfenden Verfahren der Varianzanalyse (ANOVA) der N-Düngungseinfluss auf pflanzenbauliche (Korn- und Strohertrag, Ernteindex) und energetische (Energie-Output, Netto-Energie-Output, Energieintensität und Energienutzungseffizienz) Kennwerte getestet. Anschließend an die ANOVA wurde der multiple Gruppenvergleich (p < 0,05) nach dem Student-Newman-Keuls-Test (SNK-Test) durchgeführt.
Auf Basis von mehrjährigen Aufzeichnungen an der Betriebsstätte Fuchsenbigl der Landwirtschaftlichen Bundesversuchswirtschaften wurde am Versuchsstandort Engelhartstetten bei der Kontrollvariante ein mittlerer Kraftstoffverbrauch von 73 L ha−1 und bei den mineralischen N-Düngungsvarianten zwischen 84,1 und 85,4 L ha−1 ermittelt (Tabelle 6). Der Mehrverbrauch ergab sich einerseits aus den Arbeitsgängen „Düngerstreuen“ zu den drei Zeitpunkten „Bestockung“, „Schossen“, „Ährenschi-eben“) und andererseits durch den ertragsabhängigen Mehrverbrauch beim Mähdrusch, Strohpressen und Körner- und Strohtransport.
Kraftstoffverbrauch (L ha−1) im Produktionssystem „Winterweizen“, Standort Engelhartstetten
Table 6. Fuel consumption (L ha−1) in the production system “winter wheat”, site Engelhartstetten
| Pflügen (25 cm) | 9-×-9-Volldrehpflug, Allradtraktor (250 kW) | 20,0 | 20,0 | 20,0 | 20,0 |
| Saatbettbereitung1 (5–7 cm) | Saatbettkombination (9,3 m), Knickschlepper (370 kW) | 7,0 | 7,0 | 7,0 | 7,0 |
| Aussaat2 | Pneumatische Drillsaat2 (6,0 m), Allradtraktor (250 kW) | 7,0 | 7,0 | 7,0 | 7,0 |
| Herbizidapplikation3 (1 ×) | Feldspritze, Allradtraktor (59 kW) | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 |
| N-Düngerapplikation3 (3 ×) | Schleuderdüngerstreuer, Allradtraktor (59 kW) | 9,0 | 9,0 | 9,0 | |
| Mähdrusch3 | Mähdrescher | 21,0 | 22,0 | 22,0 | 22,0 |
| Korntransport (5 km) 3 | Anhänger, Allradtraktor (88 kW) | 1,4 | 2,1 | 2,6 | 2,7 |
| Strohpressen | Großpackenpresse (Quaderballen), Allradtraktor (147 kW) | 4,7 | 5,0 | 5,3 | 5,3 |
| Ballenladen und Transport (5 km)3 | Dreiseitenkippanhänger, Allradtraktor (88 kW) mit Frontlader und Ballenspieß | 4,2 | 4,4 | 4,7 | 4,7 |
| Stoppelbearbeitung (12 cm) | Kurzscheibenegge (10 m), Allradtraktor (250 kW) | 5,7 | 5,7 | 5,7 | 5,7 |
Dablo® Rollomaximum 930,
Horsch® Pronto 6 DC,
Der Energieeinsatz stieg mit zunehmender mineralischer N-Düngung von 5,8 GJ ha−1 auf 12,1 GJ ha−1 an (Tabelle 7). Nach Lin et al. (2017) werden ackerbauliche Produktionssysteme bei einem Gesamtenergieeinsatz von < 10 GJ ha−1 als „Low-Input-Systeme“ bezeichnet. Demzufolge sind die Produktionssysteme mit den mineralischen N-Düngungsniveaus von 120 und 180 kg N ha−1 als „High-Input-Systeme“ zu bezeichnen, im Gegensatz zu den Düngungsstufen 0 kg N und 60 kg N ha−1. Der energetische Anteil des Mineraldüngers am Gesamtenergie-Input nimmt von 24 % bei der Variante mit 60 kg N ha−1 auf 48 % bei der Variante mit 180 kg N ha−1 zu.
Energieeinsatz pro Hektar bei unterschiedlicher mineralischer N-Düngung am Standort Engelhartstetten
Table 7. Energy input per hectare in different mineral N-fertilization at the site Engelhartstetten
| Energieeinsatz | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 kg N ha−1 | 60 kg N ha−1 | 120 kg N ha−1 | 180 kg N ha−1 | |||||
| (GJ ha−1) | (%) | (GJ ha−1) | (%) | (GJ ha−1) | (%) | (GJ ha−1) | (%) | |
| Kraftstoff | 2,9 | 49,8 | 3,3 | 40,6 | 3,4 | 33,1 | 3,4 | 28,0 |
| Saatgut | 1,0 | 17,6 | 1,0 | 12,4 | 1,0 | 10,0 | 1,0 | 8,4 |
| N-Dünger | 0,0 | 0,0 | 1,9 | 23,5 | 3,9 | 37,8 | 5,8 | 47,9 |
| Herbizid | 0,4 | 6,6 | 0,4 | 4,6 | 0,4 | 3,7 | 0,4 | 3,7 |
| Maschinen | 1,5 | 26,3 | 1,5 | 18,6 | 1,5 | 15,0 | 1,5 | 12,6 |
Am Versuchsstandort Groß-Enzersdorf wurde im trockenen Jahr 2017 der Versuch mit 30 mm Wasser beregnet, wodurch sich für alle Varianten ein um 24 L ha−1 erhöhter Kraftstoffverbrauch ergab (Tabelle 8). Eine Aufteilung der N-Düngermenge auf drei Gaben erhöht den Kraftstoffverbrauch um 4 % (= 2,9 L ha−1) gegenüber einer einmaligen Applikation der gesamten Düngermenge. Die N-Düngungsvariante, in der die erste Harnstoffgabe mittels Striegel eingearbeitet wurde, zeigte den höchsten Kraftstoffverbrauch mit 74,5 L ha−1. Allerdings ist die Einarbeitung von Harnstoff auf den alkalischen Böden eine wichtige Maßnahme, um umweltschädliche Ammoniak-Emissionen zu vermindern (UNECE, 2015).
Kraftstoffverbrauch (L ha−1) im Produktionssystem „Winterweizen“, Standort Groß-Enzersdorf
Table 8. Fuel consumption (L ha−1) in the production system “winter wheat”, site Groß-Enzersdorf
| Pflügen (25 cm)1 | 4-×-4-Volldrehpflug, Allradtraktor (92 kW) | 18,8 | 18,8 | 18,8 | 18,8 | 18,8 | 18,8 |
| Aussaat2 | Pneumatische Drillsaat (3 m) Allradtraktor (92 kW) | 6,6 | 6,6 | 6,6 | 6,6 | 6,6 | 6,6 |
| Herbizidapplikation3 (1 ×) | Feldspritze, Allradtraktor (59 kW) | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 |
| N-Düngerapplikation3 (Bestockung) | Schleuderdüngerstreuer, Allradtraktor (59 kW) | 0 | 1,5 | 1,5 | 1,5 | 1,5 | 1,5 |
| Harnstoffeinarbeitung3 | Striegel, Allradtraktor (59 kW) | 3,5 | |||||
| N-Düngerapplikation3 (Schossen) | Schleuderdüngerstreuer, Allradtraktor (59 kW) | 0 | 1,5 | 1,5 | 1,5 | 1,5 | |
| N-Düngerapplikation3 (Ährenschieben) | Schleuderdüngerstreuer, Feldspritze, Allradtraktor (59 kW) | 0 | 1,5 | 2,0 | |||
| Beregnung (30 mm am 23. Mai 2017) | Dieselaggregat (0,8 L Dieselöl mm−1 und ha−1) | 24,0 | 24,0 | 24,0 | 24,0 | 24,0 | 24,0 |
| Mähdrusch3 | Mähdrescher | 21,0 | 22,0 | 22,0 | 22,0 | 22,0 | 22,0 |
| Korntransport (5 km)3 | Anhänger, Allradtraktor (92 kW) | 1,82 | 2,12 | 2,25 | 2,39 | 2,33 | 2,25 |
| Strohpressen3 | Großpackenpresse (Quaderballen), Allradtraktor (147 kW) | 5,00 | 5,78 | 5,62 | 5,62 | 5,99 | 5,62 |
| Ballenladen und Transport3 | Dreiseitenkippanhänger, Allradtraktor (88 kW) mit Frontlader und Ballenspieß | 4,7 | 5,2 | 5,0 | 5,0 | 5,3 | 5,0 |
| Stoppelbearbeitung1 (5−8 cm) | Flügelschargrubber, Allradtraktor (92 kW) | 5,7 | 5,7 | 5,7 | 5,7 | 5,7 | 5,7 |
AHL wurde als Flüssigdünger, die restlichen Dünger als Granulat ausgebracht.
Mit der mineralischen Düngung von 160 kg N ha−1 wurde der Gesamtenergieeinsatz je nach Düngervariante zwischen 84 % und 111 % im Vergleich zur Kontrolle erhöht (Tabelle 9). Es handelt sich dann um High-Input-Systeme, da der gesamte Energieeinsatz >10 GJ ha−1 ist. Die N-Düngungsvarianten mit Harnstoff und stabilisiertem Harnstoff zeigten aufgrund des höheren Energieaufwands in der Herstellung (vgl. Tabelle 5) den höchsten Energie-Input. Die Düngungsvarianten mit Kalkammonsalpeter sind weniger energieintensiv als die Harnstoffdüngervarianten. Das Düngungssystem 2 × KAS + 1 × AHL liegt im Gesamtenergieeinsatz dazwischen.
Energieeinsatz pro Hektar bei unterschiedlicher mineralischer N-Düngung am Standort Groß-Enzersdorf, mit Beregnung
Table 9. Energy input per hectare in different mineral N-fertilization at the site Groß-Enzersdorf, with irrigation
| Energieeinsatz | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Kontrolle | 3 × KAS | 3 × HAS, 3 × HAS stab. | 2 × KAS | |||||
| (GJ ha−1) | (%) | (GJ ha−1) | (%) | (GJ ha−1) | (%) | (GJ ha−1) | (%) | |
| Kraftstoff | 3,5 | 55,0 | 3,8 | 32,2 | 3,8 | 28,6 | 3,8 | 32,0 |
| Saatgut | 1,0 | 15,8 | 1,0 | 8,6 | 1,0 | 7,6 | 1,0 | 8,6 |
| N-Dünger | 0,0 | 0,0 | 5,2 | 43,4 | 6,7 | 49,8 | 5,2 | 43,5 |
| Herbizid | 0,4 | 5,9 | 0,4 | 3,2 | 0,4 | 2,8 | 0,4 | 3,2 |
| Maschinen | 1,5 | 23,3 | 1,5 | 12,6 | 1,5 | 11,2 | 1,5 | 12,7 |
| 2 × HAS, 2 × HAS stab. | 1 × HAS stab. | 2 × KAS + 1 × AHL | 1 × HAS einge. + 1 × HAS | |||||
| (GJ ha−1) | (%) | (GJ ha−1) | (%) | (GJ ha−1) | (%) | (GJ ha−1) | (%) | |
| Kraftstoff | 3,8 | 28,3 | 3,7 | 27,8 | 3,9 | 31,0 | 3,9 | 28,9 |
| Saatgut | 1,0 | 7,6 | 1,0 | 7,5 | 1,0 | 8,2 | 1,0 | 7,6 |
| N-Dünger | 6,7 | 50,0 | 6,7 | 50,4 | 5,7 | 45,8 | 6,7 | 49,6 |
| Herbizid | 0,4 | 2,8 | 0,4 | 3,0 | 0,4 | 3,0 | 0,4 | 2,8 |
| Maschinen | 1,5 | 11,2 | 1,5 | 11,3 | 1,5 | 12,0 | 1,5 | 11,1 |
Für die Beurteilung der Energieeffizienz in Abhängigkeit vom N-Einsatz haben die unterschiedlichen Energiekennzahlen (z. B.: Energieintensität [MJ kg−1 Kornertrag], Netto-Energie-Output [GJ ha−1] oder Energienutzungseffizienz) eine unterschiedliche Aussagekraft, welche wesentlich von Standort (Boden und Klima) und der Bewirtschaftungsintensität beeinflusst werden (Hülsbergen, 2008; Moitzi et al., 2019).
Die N-Düngermenge beeinflusst den Korn- und Strohertrag und somit auch die Kennzahlen zur Energieeffizienz. Wie bereits in Moitzi et al. (2019) für einen langjährigen Bodenbearbeitungsversuch am Standort Groß-Enzersdorf dargestellt, haben die klimatischen Bedingungen während der Vegetationszeit einen wesentlichen Einfluss auf die Kornerträge und somit die Energieeffizienz.
Am Standort Engelhartstetten unterschieden sich die Kornerträge im Mittel über beide Jahre zwischen allen Düngestufen (Tabelle 10). Das Ertragsgesetz des abnehmenden Ertragszuwachses nach Mitscherlich (1948), das besagt, dass bei steigendem Angebot des Wachstumsfaktors „N-Dünger“ die Zunahme pro Einheit Dünger geringer wird, lässt sich in beiden Untersuchungsjahren ablesen. Im Trockenjahr 2017 war die Kornertragszunahme zwischen den N-Düngungsstufen 120 kg N ha−1 und 180 kg N ha−1 nicht statistisch abgesichert. Die geringeren Erträge im Jahr 2017 im Vergleich zum Jahr 2016 sowie die geringe Ertragszunahme mit steigender N-Düngung sind auf das Niederschlagsdefizit in dieser Vegetationsperiode zurückzuführen. Dadurch wurde der angebotene mineralische N-Dünger nur teilweise ertragswirksam. Der geringe Niederschlag in der Vegetationsperiode 2016/17 im Vergleich zu 2015/16 führte zu einem durchschnittlichen Kornertragsminderertrag von 30 %. Bei den einzelnen Düngungsstufen (0 kg, 60 kg, 120 kg und 180 kg N ha−1) war der Kornertrag im Jahr 2017 um 34 %, 29 %, 26 % bzw. 30 % niedriger als im 2016 (Tabelle 10).
Korn- und Strohertrag, Ernteindex und die Kennzahlen der Energieeffizienz für Winterweizen bei unterschiedlicher mineralischer N-Düngermenge (kg N ha−1) im Marchfeld, Standort Engelhartstetten
Table 10. Cereal- and straw yield, harvest index and energy-efficiency parameter for winter wheat in different N-fertilizer amount (kg N ha−1) in Marchfeld, site Engelhartstetten
| kg N ha−1 | Ertrag1 | Ernteindex | EO | NEO | EI | EUE | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Korn | Stroh | Korn+Stroh | Korn | Stroh | Korn | Korn+Stroh | |||
| (kg ha−1) | (%) | (GJ ha−1) | (MJ kg−1) | (MJ MJ−1) | |||||
| 0 | 3791a2 | 4358 | 47,0 | 127,7a | 121,9a | 0,34a | 0,38 | 11,1 | 22,0a |
| 60 | 5399b | 4671 | 53,7 | 158,3b | 150,1b | 0,44ab | 0,38 | 11,1 | 19,3ab |
| 120 | 6532c | 5516 | 54,5 | 189,6c | 179,5c | 0,46ab | 0,38 | 10,7 | 18,6ab |
| 180 | 7134d | 5368 | 57,1 | 197,0c | 184,9c | 0,55b | 0,42 | 9,7 | 16,3b |
| 0 | 2495a | 1570a | 61,7 | 63,5a | 57,6a | 0,88 | 0,55 | 7,1 | 10,9 |
| 60 | 3811b | 2840ab | 58,0 | 104,3b | 96,1b | 0,72 | 0,51 | 7,7 | 12,7 |
| 120 | 4814c | 3907b | 55,7 | 137,0c | 126,9c | 0,65 | 0,52 | 7,8 | 13,5 |
| 180 | 4983c | 4366b | 54,0 | 146,9c | 134,8c | 0,71 | 0,60 | 6,7 | 12,1 |
| 0 | 3143a | 2964 | 54,3 | 95,6a | 89,8a | 0,61 | 0,46 | 9,1 | 16,4b |
| 60 | 4605b | 3755 | 55,8 | 131,3ab | 123,1ab | 0,58 | 0,45 | 9,4 | 16,0b |
| 120 | 5673c | 4711 | 55,1 | 163,0b | 153,2b | 0,56 | 0,45 | 9,3 | 16,1b |
| 180 | 6058d | 4867 | 55,5 | 172,0c | 159,9b | 0,63 | 0,51 | 8,2 | 14,2a |
14 % Feuchte,
signifikante Unterschiede zwischen den Düngungsstufen sind durch unterschiedliche Kleinbuchstaben gekennzeichnet,
Mittelwert über beide Jahre.
Auch die Kennzahlen der Energieeffizienz waren bei den Versuchsjahren unterschiedlich. Im trockenen Jahr 2017 war die Energieeffizienz unabhängig von der N-Düngungsstufe deutlich geringer als im Jahr 2016, in dem es genügend Niederschläge in der Vegetationsperiode gab. Mit zunehmender N-Düngung im Jahr 2016 stieg die Energieintensität für Korn und Stroh. Insbesondere in der N-Düngungsstufe 180 kg N ha−1 wurde eine statistisch abgesichert erhöhte Korn-Energieintensität und eine tendenziell erhöhte Stroh-Energieintensität festgestellt. In beiden Versuchsjahren war die Energienutzungseffizienz im Korn und in der gemeinsamen Betrachtung von Korn mit Stroh am geringsten. Das pflanzenbauliche Ertragsgesetz vom abnehmenden Ertragszuwachs bei steigendem Angebot des Wachstumsfaktors „Stickstoff“ zeigt sich somit auch in der abnehmenden Energieeffizienz.
Durch die Beregnung von 30 mm im Trockenjahr 2017 waren der Korn- und Strohertrag und somit die Energieeffizienz am Standort Groß-Enzersdorf (Tabelle 11) höher als am Standort Engelhartstetten (Tabelle 10).
Korn- und Strohertrag, Ernteindex und die Kennzahlen der Energieeffizienz für Winterweizen bei unterschiedlichen Düngerformen bei einer Gesamt-N-Düngermenge von 160 kg ha−1 im Marchfeld, Standort Groß-Enzersdorf
Table 11. Cereal- and straw yield, harvest index and energy-efficiency parameter for winter wheat in different N-fertilization with a total N-fertilizer amount of 160 kg ha−1 in Marchfeld, site Groß-Enzersdorf
| Düngung | Ertrag1 | Ernteindex | EO | NEO | EI | EUE | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Korn | Stroh | Korn+Stroh | Korn | Stroh | Korn | Korn+Stroh | |||
| (kg ha−1) | (%) | (GJ ha−1) | (MJ kg−1) | (MJ MJ−1) | |||||
| Kontrolle | 6036 | 4969a2 | 55,0 | 174a | 168a | 0,33 | 0,27a | 14,7b | 26,9b |
| 3 × KAS | 7013 | 7585b | 48,0 | 232b | 220b | 0,39 | 0,42b | 9,3a | 19,5a |
| 3 × HAS stab. | 7316 | 7949b | 48,1 | 243b | 229b | 0,43 | 0,46b | 8,6a | 18,1a |
| 3 × HAS | 7164 | 7061b | 50,4 | 226b | 213b | 0,48 | 0,47b | 8,5a | 16,8a |
| 2 × KAS | 6122 | 7901b | 43,8 | 222b | 221b | 0,37 | 0,47b | 8,1a | 18,8a |
| 2 × HAS stab. | 6596 | 7704b | 46,2 | 227b | 214b | 0,43 | 0,50b | 7,8a | 17,0a |
| 2 × HAS | 7163 | 6912b | 51,5 | 224b | 210b | 0,50 | 0,46b | 8,5a | 16,7a |
| 1 × HAS stab. | 7004 | 7840b | 46,9 | 236b | 222b | 0,42 | 0,48b | 8,3a | 17,7a |
| 2 × KAS + 1 × AHL | 7454 | 7918b | 48,4 | 244b | 232b | 0,39 | 0,42b | 9,4a | 19,5a |
| 1 × HAS einge. + 1 × HAS | 6317 | 7919b | 44,4 | 226b | 212b | 0,42 | 0,53b | 7,4a | 16,7a |
| 6819B | 7376B | 48,3B | 225B | 213B | 0,42 | 0,45A | 9,1 | 18,8 | |
| Kontrolle | 3173a | 6296 | 34,3 | 211ab | 206ab | 0,21a | 0,39a | 20,1c | 38,8c |
| 3 × KAS | 4697ab | 6506 | 41,9 | 220ab | 209ab | 0,41b | 0,57b | 10,6b | 20,1ab |
| 3 × HAS stab. | 5157b | 5004 | 50,7 | 193ab | 181ab | 0,63b | 0,61b | 9,1b | 15,5ab |
| 3 × HAS | 4940ab | 5870 | 44,9 | 190ab | 178ab | 0,54b | 0,62b | 7,8b | 15,2ab |
| 2 × KAS | 4587ab | 5925 | 44,2 | 199ab | 188ab | 0,49b | 0,60b | 9,6b | 18,3ab |
| 2 × HAS stab. | 5347b | 5387 | 49,9 | 199ab | 187ab | 0,58b | 0,58b | 9,2b | 16,1ab |
| 2 × HAS | 4408ab | 7041 | 38,5 | 223ab | 211ab | 0,42b | 0,67b | 9,0b | 17,9ab |
| 1 × HAS stab. | 3747ab | 7101 | 35,2 | 231b | 219b | 0,42b | 0,75b | 9,6b | 18,7ab |
| 2 × KAS + 1 × AHL | 4340ab | 7810 | 36,5 | 224b | 213b | 0,36b | 0,60b | 8,6b | 19,4ab |
| 1 × HAS einge. + 1 × HAS | 5081b | 5715 | 46,8 | 143a | 131a | 0,54b | 0,62b | 4,2a | 11,4a |
| 4548A3 | 6265A | 42,4A | 203A | 192A | 0,46 | 0,60B | 9,8 | 19,1 | |
| Kontrolle | 4604 | 5632 | 44,6 | 193 | 187 | 0,27a | 0,33 | 17,4 | 32,6b |
| 3 × KAS | 5855 | 7045 | 45,0 | 226 | 214 | 0,40b | 0,50 | 10,0 | 20,0a |
| 3 × HAS stab. | 6236 | 6476 | 49,4 | 218 | 205 | 0,53b | 0,54 | 8,9 | 16,8a |
| 3 × HAS | 6052 | 6466 | 48,1 | 208 | 195 | 0,51b | 0,55 | 8,1 | 16,0a |
| 2 × KAS | 5354 | 6913 | 44,0 | 210 | 199 | 0,43b | 0,54 | 8,9 | 18,5a |
| 2 × HAS stab. | 5971 | 6545 | 48,0 | 213 | 200 | 0,50b | 0,54 | 8,5 | 16,5a |
| 2 × HAS | 5786 | 6976 | 45,0 | 223 | 210 | 0,46b | 0,56 | 8,7 | 17,4a |
| 1 × HAS stab. | 5375 | 7471 | 41,1 | 234 | 221 | 0,42b | 0,62 | 9,0 | 18,2a |
| 2 × KAS + 1 × AHL | 5897 | 7864 | 42,5 | 234 | 222 | 0,38b | 0,51 | 9,0 | 19,4a |
| 1 × HAS einge. + 1 × HAS | 5699 | 6817 | 45,6 | 185 | 172 | 0,48b | 0,58 | 5,8 | 14,1a |
| 5683 | 6821 | 45,3 | 214 | 203 | 0,44 | 0,53 | 9,4 | 18,9 | |
14 % Feuchte,
signifikante Unterschiede zwischen den Düngungsstufen sind durch unterschiedliche Kleinbuchstaben gekennzeichnet,
signifikante Unterschiede zwischen den Jahresmittelwerten sind durch unterschiedliche Großbuchstaben gekennzeichnet.
Mittelwert über beide Jahre.
Vergleicht man die Mittelwerte von 2018 mit jenen von 2017 am Standort Groß-Enzersdorf, so zeigten sich signifikante Unterschiede im Korn- und Strohertrag, Ernteindex, Energie-Output und Netto-Energie-Output von Korn+Stroh und Energieintensität vom Stroh (Tabelle 11). Hingegen wurden die Energieintensität vom Korn und die Energienutzungseffizienz nicht beeinflusst.
Im Jahr 2017 unterschieden sich der Kornertrag, der Ernteindex und die Energieintensität vom Korn nicht zwischen den Düngungsvarianten und auch nicht zwischen den Düngungsvarianten und der Kontrolle. Der Strohertrag, der Energie-Output und Netto-Energie-Output von Korn+Stroh, die Energieintensität vom Stroh und die Energienutzungseffizienz von Korn und Korn+Stroh waren in allen Düngungsvarianten höher als in der Kontrolle, wobei es zwischen den Düngungsvarianten keine Unterschiede gab.
Im Jahr 2018 hatten die Düngungsvarianten mit dem stabilisierten Harnstoff und die Variante mit der Harnstoffeinarbeitung signifikant höhere Kornerträge als die Kontrolle, die anderen Düngungsvarianten lagen dazwischen. Der Strohertrag und der Ernteindex unterschieden sich nicht zwischen den Varianten. Der Energie-Output und Netto-Energie-Output von Korn+Stroh war in der Düngungsvariante mit Harnstoffeinarbeitung am niedrigsten und in den Varianten 1 × HAS stab. und 2 × KAS + 1 × AHL. Die weiteren Varianten lagen inklusive der Kontrolle dazwischen. Die Energieintensität vom Korn und von Stroh waren in der Kontrolle signifikant geringer als in den Düngungsvarianten, bei denen es keine signifikanten Unterschiede gab.
Die Energienutzungseffizienz von Korn und Korn+Stroh war in der Kontrolle höher als in den Düngungsvarianten, bei der die Variante mit Harnstoffeinarbeitung die niedrigsten Werte hatte.
Auffallend war der Effekt beim Vergleich der Düngungsvarianten mit Kalkammonsalpeter (zweifach geteilt und dreifach geteilt) mit Harnstoff (rein und stabilisiert). Die Düngung mit Kalkammonsalpeter zeigte höhere Werte bei der Energieeffizienz als die Harnstoffdüngung (nicht signifikant). Dies war auf den erhöhten Energie-Input der Harnstoffdüngung durch den erhöhten Energieaufwand in der Harnstoffdüngerproduktion (vgl. Tabelle 5; Jenssen und Kongshaug, 2003) zurückzuführen.
Im Mittel über beide Jahre gab es keine Unterschiede beim Korn- und Strohertrag, dem Ernteindex, beim Energie-Output und Netto-Energie-Output von Korn+Stroh, der Energieintensität vom Stroh und der Energienutzungseffizienz von Korn+Stroh. In den gedüngten Varianten war die Energieintensität vom Korn höher und die Energienutzungseffizienz vom Korn war niedriger, wobei es bei beiden Parametern keine Unterschiede zwischen den Düngungsvarianten gab. Auch Neugschwandtner et al. (2013; 2015) haben am gleichen Standort für die Sommerungen von Kichererbse, Erbse, Gerste und Hafer beim Kornertrag keine Unterschiede zwischen der ungedüngten Kontrolle, einem Depotdünger und KAS festgestellt, während jedoch mit Düngung der Strohertrag und der N-Gehalt im Korn zugenommen haben.
Ab einem Düngungsniveau von 120 kg N ha−1 nimmt die Energieeffizienz ab, was im Gesetz des abnehmenden Ertragszuwachses begründet ist. Somit lassen sich mit dem Konzept der Energieeffizienzanalyse im Pflanzenbau energetisch optimale N-Düngermengen ableiten.
Durch die Beregnung werden der flächenbezogene Energieeinsatz und der Biomasseertrag erhöht. Ob eine Beregnung die Energieeffizienz erhöht, hängt im Wesentlichen vom generierten Mehrertrag ab. Durch die Beregnung im Jahr 2017 konnte die Energienutzungseffizienz nur geringfügig verbessert werden.
Durch die Gabenteilung der Mineraldüngung können keine eindeutigen Tendenzen hinsichtlich Energieeffizienz abgeleitet werden, außer dass der Energie-Input (aufgrund des höheren Kraftstoffverbrauches durch die N-Düngerausbringung) anstieg.
Sowohl die N-Düngung mit Harnstoff als auch mit stabilisiertem Harnstoff zeigten einen erhöhten Energieeinsatz mit verminderter Energieeffizienz im Vergleich zu Kalkammonsalpeter bei der Winterweizenproduktion. Da der mineralische N-Dünger ein energieintensives Betriebsmittel im Pflanzenbau darstellt, welches zielgerichtet eingesetzt werden soll, um die Verluste (Nitratauswaschung ins Grundwasser, Lachgasemission und Ammoniakverflüchtigung in die Atmosphäre) zu reduzieren, kommt der N-Effizienz eine große Bedeutung zu. Die Energieeffizienzanalysen können durch die Ergänzung der N-Effizienzbetrachtung wertvolle Erkenntnisse für einen umweltgerechten Pflanzenbau liefern.