Wissenschaftliche Grundlagen zum Strategiediskurs für einen nachhaltigen Pflanzenbau

Pflanzenbau zielt auf die Etablierung und Förderung bestimmter, als nützlich im Sinne des Produktionsziels angesehener Organismen, und auf die Zurückdrängung anderer, als schädlich betrachteter Organismen ab und hat damit erheblichen Einfluss auf die Biodiversität in der Agrarlandschaft. Die Förderung der Biodiversität kann durch produktionsintegrierte Maßnahmen wie reduzierter Insektizid- und Herbizideinsatz, vielfältige Fruchtfolgen, späte Stoppelbearbeitung extensive Nutzungsregime im Grünland und Feldfutterbau, sowie segregative Maßnahmen erreicht werden wie Blühstreifen, Säume etc.. Sie stehen jedoch, in unterschiedlichem Maße, in einem Zielkonflikt mit der Produktivität. Dies gilt auch für die Umstellung auf ökologischen Landbau, der eine wirksame Maßnahme zur Erhöhung der Biodiversität darstellt. Bestimmte Arten sind darüber hinaus auf ertragsarme Standorte und besonders extensive Formen der Landnutzung angewiesen, bei denen die Höhe des Ertrags nicht prioritär ist. Wirksame Maßnahmen auf Landschaftsebene bestehen in der Förderung einer kleinteiligeren Anbaustruktur mit einem diverseren Fruchtartenspektrum, Agroforstsystemen und dem Erhalt bzw. der Neuanlage von Strukturelementen wie Hecken und Ackerrandstreifen.

Aufgrund der Vielzahl an parallel wirkenden Faktoren und der sehr hohen Kosten ist die experimentelle Ermittlung des Flächenanteils kaum möglich, der erforderlich wäre, um den Artenverlust aufzuhalten bzw. um überlebensfähige Populationen wiederherzustellen. Expertenschätzungen gehen jedoch davon aus, dass bundesweit 20-30% der Agrarfläche für eine Extensivnutzung mit unterschiedlichsten Maßnahmen sowie eine Erhöhung des Flächenanteils mit Strukturelementen in Abhängigkeit der regionalen Gegebenheiten zur nachhaltigen Sicherung der Biodiversität erforderlich wären, was jedoch entsprechende Folgen für die Lebensmittelproduktion hätte.

Die Landwirtschaft ist sowohl Verursacherin als auch Betroffene des Klimawandels. Weltweit verursacht sie derzeit nur etwa 10-12% der anthropogenen Treibhausgasemissionen. Neben den CO₂-Emissionen durch den Einsatz fossiler Energieträger (Kraftstoff, Düngemittelerzeugung) sind vor allem Lachgas- (N₂O) Emissionen aus Böden durch die mikrobielle Reduktion von Stickstoffverbindungen sowie Treibhausgasflüsse aus entwässerten Mooren von Bedeutung. Mit steigender N-Düngung steigen die bodenbürtigen N₂O-Emissionen überproportional. Allerdings liegen sie nach neueren Befunden deutlich unter den im IPCC-Ansatz angenommenen Anteil von 1% der Mineralstick-stoffzufuhr, höhere Emissionen dürften in Zusammenhang mit organischer Düngung stehen. Wissenschaftlich begründete und realisierbare Zielwerte zu Treibhausgasemissionen im Pflanzenbau fehlen bislang. In der Wissenschaft besteht jedoch Konsens darüber, dass eine Verminderung der Emissionen klimarelevanter Gase im Pflanzenbau nur durch einen Maßnahmen-Mix erreicht werden kann. Vorrangig betrifft dies die Erhaltung und Erhöhung der Kohlenstoffsenkenkapazitäten (Humus), die Verminderung des Energieeinsatzes und die Senkung der Stickstoffüberschüsse. Während die Potentiale der Humusanreicherung über pflanzenbauliche Maßnahmen eng begrenzt sind, wäre die Wiedervernässung von organischen Böden die mit Abstand effektivste Klimaschutzmaßnahme im Bereich der Bodenkohlenstoffspeicherung in Deutschland. Ein wesentlicher Pfad zur Reduktion der Treibhausgasemissionen führt über die Minderung der N-Inputs und die Erhöhung der N-Effizienz bzw. die Reduzierung der N-Salden, denn die Produktion von N-Mineraldüngern ist ein wesentliches Element der Treibhausgasbilanz konventioneller Anbausysteme.

Der Klimawandel stellt die Anpassungsfähigkeit des Pflanzenbaus vor große Herausforderungen, da höhere Temperaturen, veränderte Niederschlagsverteilung mit vermehrten Trockenstressereignissen in den Frühjahrs- und Sommermonaten und vermehrte Staunässe im Herbst sowie häufigere Extremwetterlagen deutlichen Einfluss auf die Ertragsbildung haben. Steigende Temperaturen und mildere Winter ermöglichen eine Erweiterung des Arten- und Sortenspektrums. Daher liegt einer der zentralen Lösungsansätze in der Erweiterung des Kulturpflanzenspektrums sowie der Diversifizierung der Fruchtfolgen. Die Erhöhung der Wasserrückhaltefähigkeit erfordert nicht nur die Zusammenarbeit mit der Flurneuordnung, sondern auch die Erhöhung der Infiltrationsfähigkeit der Böden und die Durchwurzelung des Unterbodens.

Die bedarfsentsprechende Nährstoffzufuhr ist Voraussetzung für die Realisierung des Ertragspotentials, die Erreichung der Qualitätsziele und die Vermeidung von Emissionen. In Deutschland sind jedoch die flächenbezogenen Stickstoff-Zufuhren seit Jahren um etwa 90 bis 100 kg N ha^-1 a^-1 höher als die Abfuhren. Insbesondere in Regionen mit hoher Tierhaltung oder Biogasanlagendichte bestehen starke Nährstoffüberschüsse, die kritische Belastungsgrenzen des Stickstoff- und Phosphorüberschusses deutlich überschreiten. Die Gesetzgebung in Deutschland gesteht der Landwirtschaft ein insgesamt hohes N-Düngungsniveau zu. Dabei fehlt eine wissenschaftlich nachvollziehbare Datengrundlage zur Ableitung der in der Düngeverordnung verwendeten Kennzahlen. Zur Optimierung der N-Düngung müssten neben N-effizienten Düngerformen und Applikationsverfahren die derzeitigen statischen Berechnungsverfahren zur N-Düngebemessung durch dynamische, modellgestützte Verfahren ersetzt werden. Deutliche N-Reduktionspotenziale bestehen z. B. bei Mais durch stärkere Anrechnung der N-Nachlieferung aus dem Boden bei der Düngerbemessung sowie bei Backweizen durch eine Anpassung der Qualitätsziele. Eine verhaltene Düngung würde zugleich eine Verminderung der Pflanzenschutzintensität ermöglichen. Während der ökologische Landbau deutliche Vorteile erbringt, wenn ein Flächenbezug zugrunde gelegt wird, unterscheiden sich ökologische und konventionelle Anbausysteme derzeit kaum in ihren produktbezogenen Treibhausgasemissionen.

Chemisch-synthetische Pflanzenschutzmittel leisten einen wichtigen Beitrag zur Ertrags- und Qualitätssicherung, haben aber auch zur Simplifizierung der Anbausysteme mit negativen Wirkungen auf Umwelt und Biodiversität geführt. Der integrierte Pflanzenschutz, der auf die vorrangige Nutzung vorbeugender anbau- und kulturtechnischer Maßnahmen sowie biologischer, biotechnischer und pflanzenzüchterischer Optionen abzielt, hat in den vergangenen Jahrzehnten nicht zu einer wesentlichen Reduktion des Pflanzenschutzmitteleinsatzes geführt, was damit zusammenhängt, dass die Forderungen des integrierte Pflanzenschutzes letztlich nicht operationalisiert sind. Der Nutzung von Pflanzenschutzreduktionspotentialen stehen aber eine aufwändigere Bewirtschaftung und das erhöhte Risiko von Ertragsverlusten als größte Hindernisse entgegen. In der gesellschaftlichen Diskussion um die Reduktion von Pflanzenschutzmitteln ist stets zu beachten, dass sich die verschiedenen Wirkstoffe sehr stark in ihrem Risiko unterscheiden, weshalb Risikoindikatoren gegenüber reinen Mengenangaben in den Vordergrund zu stellen sind. Zur Weiterentwicklung von zeitgemäßen Pflanzenschutzstrategien ist eine gesellschaftliche Auseinandersetzung über das anzustrebende Intensitätsniveau im Zielkonflikt zwischen Pflanzenschutzintensität und Ertragshöhe im Kontext der N-Düngungsintensität unerlässlich. Ergebnisse aus langjährigen Versuchen weisen insbesondere bei Getreide auf ein recht hohes Reduktionspotential für die Anwendung von Pflanzenschutzmitteln hin, insbesondere in vielfältigen Fruchtfolgen und bei konsequenter Nutzung resistenter Sorten, Optimierung der Saattermine und Beachtung der Bekämpfungsrichtwerte.

Der Boden als Standortelement für den Pflanzenbau ist nicht nur Wasser- und Nährstoffspeicher für die Kulturpflanzen, sondern auch Lebensraum für Tiere, Wildpflanzen und Mikroorganismen. Gefährdungen der Bodenfunktionen entstehen durch Schadverdichtungen und Erosion.

Der Einsatz von Totalherbiziden wie Glyphosat vor der Saat erlaubt es, die Bodenbearbeitungsintensität und damit das Erosionsrisiko, die Verdichtungsgefährdung sowie den Energieverbrauch zu reduzieren. Die erreichbare Bodenschonung steht dabei im Zielkonflikt mit dem Herbizdeintrag. Mulch- und Direktsaatverfahren sind sehr effiziente Maßnahmen des Erosionsschutzes und der damit einhergehenden Pflanzenschutzmittel- und Phosphorabträge. Zudem verringern sie den Energie- und Arbeitsbedarf der Bewirtschaftung, sie sind jedoch oft mit etwas niedrigeren und stärker variierenden Erträgen verbunden. Das System des Konservierenden Ackerbaus stellt eine Weiterentwicklung konservierender Bodenbearbeitungssysteme dar und beinhaltet neben konservierender Bodenbearbeitung oder Direktsaat eine vielfältige Fruchtfolge sowie kontinuierliche Bodenbedeckung durch möglichst umfassenden Anbau von Zwischenfrüchten.

Nachwachsende Rohstoffe werden In Deutschland auf ca. 20% der Ackerfläche angebaut, vorwiegend zur Energiegewinnung. Anfangs gesellschaftlich positiv konnotiert, führte die Förderung des Anbaus nachwachsender Rohstoffe zu einer weiteren Ausdehnung von Mais und Raps in Regionen mit ohnehin hoher Anbaukonzentrationen der jeweiligen Kulturen. Ein Ziel der Förderung ist die CO₂-Vermeidung gegenüber fossilen Energieträgern. Die mittlere jährliche CO₂-Äq-Vermeidungsleistung der Bioenergielinien in Deutschland beträgt etwa 4.000 kg ha^-1. Ein vielfach höheres Flächenpotenzial zur Energiegewinnung besitzen allerdings Photovoltaik und Windkraft, weshalb ein weiterer Ausbau der Bioenergienutzung auch vor dem Hintergrund, dass er zu einer Intensivierung der Landwirtschaft und Zielkonflikte mit dem biotischen und abiotischen Ressourcenschutz führt, kritisch betrachtet wird.

Die meisten der oben erwähnten Maßnahmen zur Verbesserung der Nachhaltigkeit der Pflanzenproduktion in Deutschland befinden sich im Zielkonflikt mit der Ertragshöhe. Verminderte Produktivität, beispielweise durch stärkere Reglementierung von Düngung und chemischem Pflanzenschutz oder durch Erhöhung des Anteils ökologischen Anbaus, könnte nur durch ein verändertes Ernährungsverhalten der Bevölkerung hin zu einer mehr pflanzenbasierten Ernährung ausgeglichen werden oder eine Ausweitung der Produktionsfläche erfordern, die sehr wahrscheinlich zulasten naturnaher Flächen ginge und die Gefahr der Induktion von Landnutzungsänderungen in anderen Regionen der Welt birgt.

Die gesellschaftlich geforderte Transformation erfordert zusätzlich zur Produktion die Einbeziehung aller Ökosystemleistungen in das Zielsystem der Pflanzenproduktion. Dieser Paradigmenwechsel zieht die Notwendigkeit verbesserter Methoden zur Definition von Gemeinwohlleistungen und vertiefter Kenntnisse über die Wirksamkeit von Maßnahmen zur Zielerreichung nah sich. Forschungsbedarf besteht im Pflanzenbau darüber hinaus in Bezug auf die Definition und Bewertung von Nachhaltigkeit, insbesondere zu systemischen Rückkopplungen zwischen biogeochemischen und sozioökomischen Prozessen, beispielsweise in Bezug auf die Minderungspotenziale von Treibhausgas-Emissionen in Abhängigkeit von Standort- und Bewirtschaftungsfaktoren. Computergestützte, dynamische Simulationsmodelle zur Bemessung des Betriebsmitteleinsatzes sollten als Entscheidungshilfen für die Landwirtschaft weiterentwickelt und implementiert werden. Durch Simulationsmodelle kann eine Nachhaltigkeitsbewertung auf multikriterielle Analysen aufgebaut werden, die entsprechende Rückkopplungseffekte offenlegt und adäquat berücksichtigt. Der Schlüssel für die flächendeckende Transformation zu nachhaltigeren Produktionssystemen liegt in der Zusammenführung der wichtigsten relevanten Bewertungsschemata (Konsensus-Modell) für den deutschen Kontext auf wissenschaftlicher Grundlage.

Die erforderliche Diversifizierung pflanzenbaulicher Systeme erfordert eine differenzierte, produktionsökologische Formulierung der Zuchtziele für Nutzpflanzen, zu deren Erreichung züchtungsmethodische Innovationen wie die Genomeditierung wesentliche Beiträge leisten können. Die pflanzenbauliche Forschung kann die gesellschaftspolitische Diskussion um die Regulierung dieser Züchtungstechniken bereichern und damit zu einem evidenzbasierten und innovationsoffenen politischen Umfeld beitragen.

Die Auswirkungen der Anbaustruktur in ihrer räumlichen (Anbaudiversität) und zeitlichen (Fruchtfolge) Dimension erfordern die Weiterentwicklung experimenteller Forschungsmethoden des Pflanzenbaus auf Landschaftsebene, aber auch die Entwicklung von Citizen Science Angeboten z.B. für das Monitoring von Schaderregern, Nützlingen oder geschützten Arten. Die ökologischen und ökonomischen Potentiale von Agroforstkomponenten einschließlich der Integration des Obstbaus bedürfen grundlegender Untersuchungen.

Mit prozessbasierten Agrarökosystem-Modellen können die Stoffumsätze im Boden sowie umweltrelevante Stoffverluste modelliert werden; die schlagbzw. teilschlagspezifische Parametrisierung stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar. Hier ist die Verschmelzung von Satelliten- und drohnengestützter Bildgebung mit mechanistischen wie auch datengetriebenen Simulationsmodellen eine vielversprechende Methode, um auf der Teilflächen-Skala bessere Entscheidungsunterstützung anbieten zu können. Forschungsbedarf besteht im Wesentlichen in der Interpretation der umfangreichen Daten, die durch die zunehmend eingesetzte Sensorik entstehen. Die Verknüpfung von Wetter-, Boden-, Ertrags-, Qualitäts- und Managementdaten birgt ein großes Potential zur weiteren Optimierung der pflanzenbaulichen Produktionsverfahren.

Grundlegend für die weitere Entwicklung nachhaltiger und produktiver Pflanzenbausysteme ist die freie Zugänglichkeit zu Daten aus Wissenschaft, Forschung und Verwaltung. Erforderlich ist dafür eine Open-Data-Politik mit Bildung von allgemein zugänglichen Datenplattformen, Simulationsinfrastrukturen und Repositorien, aber auch der Verfügbarmachung von hoheitlichen Daten für die Forschung sowie ein FAIRes Datenmanagement.

Moderne pflanzenbauliche Forschung entwickelt sich in der Interaktion mit landwirtschaftlicher Praxis, Politik und Gesellschaft. Der Diskurs benötigt neben den klassischen Formaten künftig auch interaktive experimentelle Plattformen wie Living Labs auf Landschaftsebene.

Die biologische Vielfalt umfasst drei Ebenen: die Vielfalt der Ökosysteme, die Artenvielfalt und die genetische Vielfalt innerhalb der Arten. Es wird zumeist davon ausgegangen, dass mit zunehmender Biodiversität die Stabilität und Resilienz von Ökosystemen und damit die Verfügbarkeit von Ökosystemleistungen abgesichert werden kann bzw. dass bei Unterschreitung eines kritischen Schwellenwertes bestimmte Leistungen nicht oder nur noch in eingeschränkter Form erbracht werden (Di Falco, 2012). Da die Landwirtschaft einen erheblichen Einfluss auf die Biodiversität in der Agrarlandschaft hat (Firbank, 2005; Jackson et al., 2007), beeinflusst die Wahl der landwirtschaftlichen Produktionsverfahren auch den Umfang und die Qualität der erbrachten Ökosystemleistungen. Pflanzenbau zielt auf die Etablierung und Förderung bestimmter, als nützlich im Sinne des Produktionsziels angesehener Organismen, und auf die Zurückdrängung anderer, als schädlich betrachteter Organismen ab. Zugleich bieten landwirtschaftlich genutzte Flächen aber auch Lebensraum für zahlreiche Arten, die in einem ungestörten Habitat nicht konkurrenzfähig wären (z. B. zahlreiche Ackerwildkräuter, Grünlandarten sowie Feldvögel und Niederwild). Daher hat Pflanzenbau immer Einfluss auf die Artenzusammensetzung und Biodiversität in Agrarökosystemen, im Positiven wie im Negativen. Andererseits nutzt der Pflanzenbau aber auch funktionale Biodiversität, etwa für die Schaderregerregulation oder den Stoffumsatz im System Boden-Pflanze.

Ursachen des Biodiversitätsrückgangs auf landwirtschaftlichen Nutzflächen werden u.a. in einseitigen Fruchtfolgen, hohem Pflanzenschutzmitteleinsatz und hoher N-Düngung gesehen (Kremen et al., 2002; Meehan et al., 2011; Isbell et al., 2013). Dies kann zum direkten Verlust von wild lebenden Tier- und Pflanzenarten führen mit negativen Effekten auf Folgenutzer, denen die Nahrungsgrundlage fehlt (Flade, 2012). Eine ebenfalls große Wirkung geht von einer starken Veränderung der Standorteigenschaften landwirtschaftlich genutzter Flächen (z. B. Nährstoffstatus, pH-Wert, Wasserhaushalt) und der daraus folgenden Beeinträchtigung der Funktion als Lebensraum aus, so dass für viele Arten keine geeigneten Lebens- und Fortpflanzungsbedingungen mehr vorhanden sind (Eglington, 2009; Stein-Bachinger und Fuchs, 2012; Sirami et al., 2019b).

Der drastische Rückgang der Segetalflora, für die die Ackerbewirtschaftung essentiell ist, hat weitreichende Folgen für die Biodiversität in der Agrarlandschaft, da die Ackerflora Nahrungsgrundlage und Deckung für Insekten, Feldvögel, Feldhasen und andere wild lebende Tierarten darstellt (Holzschuh et al., 2007). Bundesweit gilt ca. ein Drittel der etwa 350 in Deutschland auf Äckern vorkommenden Arten als gefährdet (Hofmeister und Garve, 2006). Viele charakteristische Arten haben seit den 1950/60er Jahren um 95-99% im Bestand abgenommen (Meyer et al., 2014). Auf den meisten konventionell bewirtschafteten Äckern lassen sich im Feldinnern selten mehr als fünf bis sieben Arten pro Untersuchungsparzelle finden (Gabriel et al., 2010). Die noch vorkommenden Gemeinschaften sind verarmt und zeigen einen starken Rückgang spezialisierter Taxa bei relativer Zunahme herbizidtoleranter (Heap, 2014) bzw. nitrophiler (Kleijn et al., 2011) Generalisten. Die Samenbank gefährdeter Ackerwildkrautarten ist durch intensive Bewirtschaftung vielerorts weitgehend verschwunden (Lang et al., 2016). Biodiversitätsfördernde Maßnahmen wie z. B. die Reduktion des Einsatzes von chemisch-synthetischen Pflanzenschutzmitteln, des Düngemitteleinsatzes oder der Unkrautregulation, aber auch Ackerrandstreifen oder vielfältige Fruchtfolgen stehen in unterschiedlichem Umfang in einem Zielkonflikt mit der Produktivität. Einige Maßnahmen zur Förderung der Artenvielfalt sind in vielen Fällen mit teilweise erheblichen Nutzungseinschränkungen und dadurch mit indirekten Kosten verbunden. Dabei sind Maßnahmen auf der Produktionsfläche sowie in angrenzenden Strukturen wichtig, da viele Arten die bewirtschaftete Fläche als Teillebensraum nutzen, für die Reproduktion jedoch auf naturnahe, extensiv gepflegte Begleitbiotope wie Hecken, Säume oder Trockenrasen angewiesen sind. Gleichzeitig entstehen bestimmte Biodiversitätseffekte, z. B. im Bereich der floristischen Biodiversität, auf Produktionsflächen häufig erst bei einer deutlichen Reduktion der Produktionsintensität (Thies et al., 2010). Andere Maßnahmen wie der Verzicht auf breit wirkende Mittel (insbesondere Insektizide) und auf den präventiven Einsatz von Pflanzenschutzmitteln sowie der Einsatz von Nützlingen weisen dagegen nur sehr geringe bis keine Trade-offs zur Produktivität und Wirtschaftlichkeit auf (s.a. Kap. 6).

In Abhängigkeit der Bewirtschaftungsintensität zählt Grünland zu den artenreichsten Lebensräumen (Wilson et al., 2012). Über die Hälfte der ca. 3.600 in Deutschland heimischen Pflanzenarten kommen in Grünland-Biotopen vor, über 1.000 Pflanzenarten werden im engeren Sinne als Grünlandarten bezeichnet (Ellenberg und Leuschner, 2010; Gerowitt et al., 2013). In Untersuchungen von Heinz et al. (2015) im Rahmen des Grünlandmonitorings 2002 bis 2012 auf 2485 Flächen in Bayern wurden durchschnittlich ca. 20 Arten pro 25 m² gefunden, die Spanne reichte von 3 Arten bis zu 70 Arten. Ähnliche Artendichte wurde von Krause et al. (2014) im nord- und mitteldeutschen Grünland ermittelt. Weideflächen gehören mit zu den artenreichsten Biotopen, was sich auch darin widerspiegelt, dass sie einen maßgeblichen Anteil des High Nature Value Farmland ausmachen (EEA, 2004; Gerowitt et al., 2013). Eine hohe floristische und faunistische Artenvielfalt weist vor allem extensiv genutztes Grünland auf, welches nach wie vor durch Intensivierung, Nutzungsaufgabe oder Aufforstung bedroht ist (Batáry et al., 2015). Eine extensive Nutzung erfüllt die Multifunktionalität in stärkerem Maße als intensive Nutzung (Jedicke, 2014; Le Clec’h et al., 2019).

Die für „künstliche Grünlandbestände“ (artificial grassland) dokumentierte positive Beziehung zwischen Artenvielfalt und Produktivität (Weisser et al., 2017) kann für Dauergrünlandbestände nicht bestätigt werden (Oomes, 1992; Schneider et al., 2011; Rose und Leuschner, 2012). Die Biodiversitäts-Produktivitäts-Beziehung im Dauergrünland ist deshalb Gegenstand kontroverser Diskussion (Manning et al., 2019), wobei eine Artenzahl von 5, ab der im künstlichen Grünland eine Sättigung der Produktivitätsfunktion erkennbar ist (Roy, 2001), im Dauergrünland oft erreicht oder sogar (weit) überschritten wird. Eine extensive Nutzung resultiert meist in einer geringeren Futterqualität, die eine Verwertung über das Tier einschränkt (Heinz et al., 2014). Extensivierungen im Rahmen von Agrarumweltmaßnahmen, die eine reduzierte Nutzungsfrequenz, späte Nutzungstermine sowie unterlassene N-Düngung umfassen, können die Ausbreitung von Giftpflanzen (Herbstzeitlose, Jakobskreuzkraut, Wasserkreuzkraut) fördern, die tierartspezifisch eine Verwertung stark einschränken kann bzw. ausschließt und über Managementmaßnahmen unter den gegebenen Rahmenbedingungen nur schwierig zu beheben ist (Suter und Lüscher, 2008; Winter et al., 2014). Alternative Wege in der Verwertung von Extensivgrünland, wie beispielsweise eine thermische Nutzung oder Biogaserzeugung, wurden ausführlich analysiert (Tonn et al., 2010; Bühle et al., 2012). Artenreiche Grünlandbestände sind resilienter gegenüber Trockenheit (Klaus et al., 2016) und können mehr Kohlenstoff speichern als artenarme (Lange et al., 2015; Kagiya et al., 2019). Eine Diversifizierung von Grünlandbeständen kann somit auch als Anpassungsstrategie zu einer Steigerung der Resistenz und Resilienz gegenüber einer zunehmenden Klimavariabilität beitragen. Dabei ist Artenvielfalt per se nicht ausreichend (Kahmen et al., 2005), wichtig ist vielmehr die sinnvolle Zusammensetzung von Beständen mit erwünschten funktionalen Eigenschaften (Hofer et al., 2016).

Durch Grünlandumbruchsverbote und die Ökologisierungsanforderungen der GAP 2013 konnte die Dauergrünlandfläche mittlerweile stabilisiert werden (Statistisches Bundesamt, 2019b) – das eigentliche Ziel, der Schutz der Biodiversität in Agrarlandschaften über den Erhalt von artenreichem Grünland, wurde jedoch nicht erreicht. Vielmehr ist eine Abnahme der Biodiversität von Grünlandflächen festzustellen (Hötker et al., 2014; Hünig und Benzler, 2017; Seibold et al., 2019).

Die Erhaltung und Förderung der Biodiversität in Agrarökosystemen erfordert Maßnahmen auf Landschafts-, Betriebs- und Feldebene. Die Förderung der Biodiversität kann durch produktionsintegrierte Maßnahmen (reduzierter Insektizid- und Herbizideinsatz, vielfältige Fruchtfolge, späte Stoppelbearbeitung bzw. überwinternde Stoppelbrache (auch kleinflächig), Drilllücken, differenzierte Nutzungsregime im Grünland und Feldfutterbau, extensive Grünlandbewirtschaftung) sowie segregative Maßnahmen (Blühstreifen, Säume etc., Gottwald und Stein-Bachinger (2016)) erreicht werden. Positive Wirkungen dieser Maßnahmen sind vielfach nachgewiesen (Smith et al., 2009; Humbert et al., 2010; Stein-Bachinger und Fuchs, 2012; Tschumi et al., 2016). Das Spektrum der vorhandenen Maßnahmen ist sehr breit und bietet die Möglichkeit, individuell je nach Standort und Bewirtschaftungsintensität dem Artenverlust entgegenzuwirken.

Auf Betriebsebene wird die Umstellung auf ökologischen Landbau als wirksame Maßnahme zur Erhöhung der Biodiversität genannt. Allerdings besteht hier ein zentraler Zielkonflikt aufgrund der zum Teil deutlich niedrigeren Erträge im ökologischen Landbau (Ponti et al., 2012; Gabriel et al., 2013). So konnten Thies et al. (2010) für die Gruppe der Ackerwildkräuter eine negative Korrelation zwischen Artenvielfalt und Winterweizenertrag bei unterschiedlicher Bewirtschaftung schlagbezogen nachweisen. Die Artenvielfalt an Ackerwildpflanzen war in den ökologischen Feldern fast dreimal so hoch wie in den deutlich ertragsstärkeren konventionellen. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass auch im konventionellen Landbau eine höhere Artenvielfalt nur erreicht werden kann, wenn die Intensität des Dünge- und Pflanzenschutzmitteleinsatzes drastisch gesenkt wird, was aber ebenfalls Ertragseinbußen zur Folge hat. Übergreifende Arbeiten weisen für den ökologischen Landbau eine um ca. 30% höhere Artendiversität und etwa 50% höhere Abundanzen auf (Bengtsson et al., 2005). Eine aktuelle, quantitative Auswertung von Vergleichsuntersuchungen im konventionellen und ökologischen Landbau für den Zeitraum 1990 bis 2017 (98 Studien mit 474 Vergleichspaaren) belegt, dass bei 85% (Flora) bzw. 40% (Fauna) der Vergleichspaare deutliche Vorteile durch ökologischen Landbau in Bezug auf die Artenvielfalt und Abundanz bestehen (Stein-Bachinger et al., 2021). Nur in 6 dieser Studien (17 Vergleichspaare, 4%) waren Vorteile durch konventionelle Bewirtschaftung vorhanden. Die Wirkungen sind bei den einzelnen Artengruppen unterschiedlich stark ausgeprägt. So lagen die mittleren Artenzahlen der Ackerflora bei ökologischer Bewirtschaftung um 95% (im Ackerinnern sogar um 304%) und bei der Ackersamenbank um 61% höher als im konventionellen Landbau. Bei den Feldvögeln waren die Artenzahlen um 35%, bei den Insekten um 22% höher. Bei der Fauna sind die bewirtschaftungsbedingten Effekte nicht so deutlich ausgeprägt wie bei den Pflanzen, da viele Tiere sehr mobil sind und auch stärker von der Landschaftsstruktur und dem Vorhandensein von Begleitbiotopen abhängen (Fuller et al., 2005; Batáry et al., 2010; Gabriel et al., 2010). Daher ist bei einigen Arten auch die Umstellung auf ökologischen Landbau nicht ausreichend. So benötigen z. B. Feldvögel einen störungsfreien Brutzeitraum im Grünland oder Kleegrasanbau, der in der Praxis bei der Futterwerbung aufgrund von Qualitätsanforderungen nicht eingehalten werden kann. Diesem Zielkonflikt kann durch spezielle produktionsintegrierte Maßnahmen begegnet werden (Stein-Bachinger und Fuchs, 2012). Auch für die Förderung vieler Spezialisten sind besondere Standort- und Bewirtschaftungsmaßnahmen notwendig. So sind bestimmte Arten auf ertragsarme Standorte und besonders extensive Formen der Bewirtschaftung angewiesen, die eine rentable Landnutzung nur noch schwer ermöglichen (Gabriel et al., 2013). Der Erhalt solcher Arten kann nur in Kombination mit einer Landnutzung erfolgen, bei der die Höhe des Ertrags nicht prioritär ist.

In allen Anbausystemen kann die Biodiversität durch die Förderung der Fruchtarten- und Sortenvielfalt sowie durch die Integration neuer Fruchtarten erhalten oder erhöht werden (Sirami et al., 2019a). Dabei kommt der Integration von Leguminosen, insbesondere von mehrjährigen Futterleguminosen und –Gemengen und dem Erhalt von mäßig intensiv genutztem Grünland (z. B. Zweischnitt-Wiesen) besondere Bedeutung zu (Everwand et al., 2017). Die züchterische Weiterentwicklung von Leguminosen sowie die Schaffung von Vermarktungsmöglichkeiten spielt dabei eine entscheidende Rolle. In Zukunft könnte auch die Digitalisierung und Sensortechnologien in einigen Bereichen unterstützend wirken, z. B. der automatisierten Beikrautregulierung durch autonome Roboter.

Maßnahmen auf Landschaftsebene werden als wesentlich wirksamer für die Förderung der Biodiversität angesehen als schlagbezogene Veränderungen wie die Umstellung auf ökologischen Landbau (Batáry et al., 2015). Wirksame Maßnahmen auf Landschaftsebene bestehen in der Förderung einer kleinteiligeren Anbaustruktur (Sirami et al., 2019b) mit einem diverseren Fruchtartenspektrum, Agroforstsystemen und dem Erhalt bzw. der Neuanlage von Strukturelementen wie Hecken und Ackerrandstreifen. Zur Förderung von Artenvielfalt sind Saumbiotopverbunde und eine (zusammenhängende) Strukturvielfalt essentielle Elemente (Sirami et al., 2019b). Hierzu bedarf es auch einer Änderung der Förderregularien bei der Berücksichtigung von Strukturelementen.

Als Landnutzungssysteme mit vergleichsweise hoher Biodiversität und Selbstregulation kommt den Grünlandsystemen große Bedeutung in nachhaltig strukturierten Agrarlandschaften zu. Die Förderung der Weidetierhaltung hat nicht nur Relevanz im Hinblick auf das Tierwohl, sondern auch für die Biodiversität (Geiger et al., 2010; Heldbjerg et al., 2016). Die Extensivierung von Teilflächen in ansonsten intensiv genutzten Regionen/Flächen wird als eine Möglichkeit gesehen, Strukturvielfalt mit geringen Ertragsverlusten zu etablieren. Auf Futterbaubetrieben mit abgestufter Grünlandnutzung ist es möglich, eine hohe Biodiversität zu erhalten und gleichzeitig leistungsfähig Milch zu produzieren (Huguenin-Elie et al., 2018). Erfolgreiche Ansätze zum zeitlich begrenzten Aussparen von Teilflächen von Wiesen oder Weiden sind aus Süddeutschland (Boob et al., 2019) und Frankreich dokumentiert (Farruggia et al., 2012; Ravetto Enri et al., 2017). Um den damit verbundenen höheren Zäunungsaufwand zu kompensieren, bieten neuartige Technologien wie das „Virtual Fencing“, d.h. virtuelle Zäune, die den Tieren über physikalische Signale die Begrenzung des Weidebereichs anzeigen, einen vielversprechenden Ansatz (Umstatter, 2011; Riesch et al., 2020). Zur Anwendbarkeit dieser Technologien fehlen derzeit aber noch rechtlich bindende Regelungen.

Für Bestäuberinsekten ist es von zentraler Bedeutung, dass das Blütenangebot in der Agrarlandschaft über einen weiten Bereich der Vegetationsperiode wieder erhöht wird. Die Mehrzahl der Grundnahrungspflanzen sind Selbstbefruchter, windbestäubt oder vegetativ vermehrt (Richards 2001). Im Verlauf von Domestikation und Sortenentwicklung wurde mit der gewünschten Sortenuniformität und durch Selektion auf sicheren und hohen Samenansatz Selbstbefruchtung gefördert (Palmer et al., 2009). Diese Trends wurden mit der Industrialisierung der Land- und Ernährungswirtschaft verstärkt, sodass nur noch wenige ackerbauliche Kulturen mit geringer Anbaufläche, vornehmlich im Feldfutterbau, fremdbefruchtende Blütenpflanzen sind. Infolge des Rückgangs der Insekten allgemein (Benton et al., 2002; Hallmann et al., 2017; Wagner, 2020), sowie von (Wild)bienen im Besonderen (Powney et al., 2019), besteht die Forderung auch an die Pflanzenproduktion, Ökosystemleistungen wie die Versorgung von Bestäubern zu berücksichtigen (Palmer et al., 2009). In der nordeuropäischen Landwirtschaft stellt Raps, obwohl weitgehend selbstbestäubt, eine wesentliche Grundlage für die Frühjahrsversorgung blütenbesuchender Insekten dar. Nach Ende der Rapsblüte tritt, insbesondere aufgrund des Rückgangs von blütenreichem Grünland und Futterbau in der Agrarlandschaft, eine Trachtlücke ein, die durch ernährungsphysiologisch interessante Arten wie Buchweizen (Ölschläger et al., 2009), Sonnenblumen, Leindotter, Weißklee (z.B. als Untersaat), Esparsette, Sojabohnen (Suso et al., 2016), Ackerbohnen (Suso und del Río, 2015; Suso et al., 2016), und Linsen (Horneburg, 2006) gefüllt werden könnte. Aufgrund der Vielzahl an parallel wirkenden Faktoren und der sehr hohen Kosten ist die experimentelle Ermittlung des Flächenanteils, der erforderlich wäre, um den Artenverlust aufzuhalten bzw. um überlebensfähige Populationen wiederherzustellen, kaum möglich (Oppermann et al., 2019). Eine Umfrage von 30 Artenexperten zu 50 Arten/-gruppen ergab, dass – bezogen auf das Grünland – artenreiche Wiesen und Weiden im Umfang von 20-30% der Fläche und zusätzlich ein Flächenanteil von je 5% an Altgrasstreifen, Brachflächen, Puffer- und Uferrandstreifen für notwendig gehalten werden, um die Insektenvielfalt zu erhalten bzw. zu fördern (Oppermann et al., 2019). Dabei gilt: Je größer der Umfang der Fläche mit Intensivnutzung, desto größer der Maßnahmenbedarf. Die Biodiversitätsmaßnahmen sind regionaltypisch anzupassen und sollten ein breites Spektrum verschiedener Maßnahmen mit jeweils unterschiedlichen Anteilen beinhalten. Die Autoren schätzen, dass im Mittel bundesweit mindestens 20-30% der Agrarfläche für eine Extensivnutzung mit unterschiedlichsten Maßnahmen zur Verfügung stehen sollten, damit die Biodiversität nachhaltig gesichert werden kann. Allerdings besteht die Möglichkeit, dass die durch solche Extensivierungsmaßnahmen in Deutschland entstehenden Produktionsrückgänge durch Landnutzungsänderungen in anderen Regionen der Welt kompensiert werden (z. B. Futtermittelanbau in den Tropen) und dort zu einem entsprechenden Lebensraum- und damit Biodiversitätsverlust führen. Landschaftsbezogene Maßnahmen wie Fruchtartendifferenzierung, reduzierte Feldgröße und die Förderung seminatürlicher Habitate in Agrarlandschaften können dabei größere Wirkungen auf die Biodiversität entfalten als die Umstellung auf ökologischen Landbau (Tscharntke et al., 2021).

Die Landwirtschaft ist sowohl Verursacherin als auch Betroffene von Klimaänderungen: So werden einerseits im Pflanzenbau v. a. im Zusammenhang mit der N-Düngung klimarelevante Spurengase freigesetzt, die aber nur in einem gewissen Maße aktiv gesteuert werden können. Andererseits haben die anthropogenen Klimaänderungen Einfluss auf die Pflanzenproduktion und erfordern die Entwicklung klimaresilienter Anbausysteme.

Die Landwirtschaft gilt als einer der eher „kleinen“ Verursacher von Treibhausgasemissionen. Weltweit verursacht die Landwirtschaft derzeit nur etwa 10-12% der anthropogenen Treibhausgasemissionen (IPCC, 2019). Allerdings ist die Landwirtschaft wesentliche Verursacherin der weltweiten Lachgas- (ca. 78%), und Methan-Emissionen (knapp 40%, IPCC, 2019). Letztere stehen v. a. im Zusammenhang mit der Tierhaltung. Im Pflanzenbau treten als Treibhausgasquellen neben den CO₂-Emissionen durch den Einsatz fossiler Energieträger (Dieselkraftstoff, im Vorleistungsbereich Erzeugung von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln, Maschinen und Geräten, etc.) Lachgasemissionen aus Böden durch die mikrobielle Reduktion von Stickstoffverbindungen (Denitrifikationsprozesse), CO₂-Freisetzung durch Humusabbau v. a. in anmoorigen und moorigen Standorten sowie Treibhausgasflüsse aus entwässerten Mooren auf.

Zahlreiche Untersuchungen zeigen mit steigenden N-Inputs einen zunächst linearen Anstieg der bodenbürtigen N₂O- Emissionen (Bouwman, 1996; Flessa et al., 2002), bei höheren Düngergaben (> ca. 200 kg/ha) steigen die Emissionen überproportional stark an (van Groenigen et al., 2010). Aktuelle Untersuchungen aus Deutschland und England belegen allerdings deutlich geringere N₂O-Emissionen in Relation zur Stickstoffzufuhr als der IPCC-Ansatz von 1% N₂O-N-Emission (Ruser et al., 2017), wobei erhöhte Emissionen in Zusammenhang mit der organischen Düngung gebracht werden (Möller, 2020). Zugleich sinkt mit steigender N-Düngung der Zusatznutzen kontinuierlich ab (Gesetz des abnehmenden Ertragszuwachses), wie zahlreiche N-Steigerungsversuche in verschiedenen Regionen Deutschlands zeigen (Heyn und Olfs, 2018). Ein weiteres Problem bei der Düngung sind zu hohe Ertragsannahmen bei der Bedarfsermittlung, die zu geringe Anrechnung der Nährstoffwirkung organischer Düngemittel und „Sicherheitszuschläge“ bei der N-Düngung, um ein erwünschtes Ertragsniveau abzusichern (MacLeod et al., 2010; Techen et al., 2015).

Besonders kritisch wird häufig der Beitrag der Wiederkäuer zur Methanemission bewertet. Allerdings sind Wiederkäuer die einzige Nutztiergruppe, welche die weltweit, wie auch in Deutschland, enormen Flächen an Grünland nutzbringend zu Milch und Fleisch verwerten können. Eine grünlandbasierte Wiederkäuerhaltung ist deshalb ein unverzichtbares Element landwirtschaftlicher Landnutzung, während der Einsatz von lebensmitteltauglichen Futtermitteln in der Wiederkäuerfütterung im Sinne der THG-Reduktion kontraproduktiv wirkt.

Bisher fehlen wissenschaftlich begründete und realisierbare Zielwerte zu Treibhausgas (THG)-Emissionen im Pflanzenbau. Grundsätzlich ist jede landwirtschaftliche Nutzung mit unvermeidbaren THG-Emissionen verbunden. Für die Bewertung von Klimawirkungen von Pflanzenbausystemen ist es nicht nur wichtig, möglichst vollständige THG-Bilanzen zu berechnen, die alle relevanten THG-Flüsse einschließen, sondern auch vermeidbare von faktisch unvermeidbaren Emissionen zu unterscheiden, um realistische Zielwerte für Verbesserungen ableiten zu können.

Der Klimawandel stellt den Ackerbau vor große Herausforderungen, da bereits eingetretene sowie prognostizierte Klimaänderungen wie höhere Temperaturen, veränderte Niederschlagsverteilung (mit vermehrten Trockenstressereignissen in den Frühjahrs- und Sommermonaten und vermehrter Staunässe in den Herbst- und Wintermonaten), häufigere Extremwetterlagen sowie höhere CO₂-Konzentrationen der Luft deutlichen Einfluss auf die Ertragsbildung haben (van der Kooi et al., 2016; Lüttger und Feike, 2018; Bönecke et al., 2020). Dies betrifft das Ertragsniveau und v. a. die Ertragssicherheit (Hitze- und Trockenstress, Extremwetter), aber auch die Qualität der Ernteprodukte, die Anbauwürdigkeit bestimmter Kulturarten, die Erosionsgefährdung von Böden, das Auftreten von Krankheiten und Schädlingen und wahrscheinlich auch in gewissem Maße den Stoffumsatz von Böden (Humusdynamik, Wiesmeier et al., 2016; Riggers et al., 2021). Andererseits kann sich der CO₂-Düngeeffekt positiv auf das Pflanzenwachstum auswirken (Ainsworth und Long, 2021). Steigende Temperaturen und mildere Winter ermöglichen eine Erweiterung des Arten- und Sortenspektrums. Neben den direkten Auswirkungen einzelner Änderungen kommt es auch zu umfangreichen Wechselwirkungen – beispielsweise eine verringerte Düngewirksamkeit bei Trockenheit (He und Dijkstra, 2014), oder ein verändertes Schaderreger- und Unkrautauftreten bei steigenden Temperaturen, vermehrtem Trockenstress und steigenden CO₂- Konzentrationen (Seidel, 2016; Juroszek et al., 2020).

In der Wissenschaft besteht ein Konsens darüber, dass eine Verminderung der Emissionen klimarelevanter Gase im Pflanzenbau nur durch einen Maßnahmen-Mix erreicht werden kann (Grethe et al., 2021). Vorrangig betrifft dies die Erhaltung und Erhöhung der Kohlenstoffsenkenkapazitäten (Humus), die Verminderung des Energieeinsatzes und die Senkung der Stickstoffüberschüsse.

In der öffentlichen Diskussion wird häufig in der Humusanreicherung eine Maßnahme zur Dämpfung des Anstiegs der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre gesehen, z. B. in der sog. 4-Promille-Initiative (IVPTI, 2022). Allerdings zeigen Erhebungen, dass sich die Humusgehalte in Bayern und Niedersachsen in den vergangenen 30 bis 40 Jahren kaum verändert haben (Fortmann et al., 2012; Capriel, 2013). Studien aus NRW berichten von einer Zunahme von C_org im Oberboden und einer Abnahme im Unterboden von 2005 bis 2013 (Steinmann et al., 2016b). Die Autoren begründen die Abnahme mit der intensiven Bewirtschaftung bzw. unzureichenden Humuswirtschaft, aber auch mit zeitlich weiter zurückliegenden Umbrüchen von humusreichem Grünland oder Nachwirkungen einer Krumenvertiefung. Steinmann et al. (2016a) berichten von einem Anstieg der Kohlenstoffgehalte im Oberboden in Ackerböden in den 1980er Jahren in ganz NRW (von 1,87% im Jahr 1979 auf 2,82% im Jahr 1987), sowie einem exponentiellen Rückgang von 1988 bis 2015 (1,42% C_org im Jahr 2015), ohne dass ein neues Gleichgewicht erreicht wurde. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass frühere Veränderungen in der Landnutzung, insbesondere umfangreicher Grünlandumbruch bis 1990, die Entwicklung des C_org von 1979 bis 2015 gesteuert haben. Aus Dauerfeldversuchen geht hervor, dass die Humusgehalte v. a. von der Bodentextur, dem Wasserhaushalt und den Klimabedingungen abhängig sind. Pflanzenbauliche Maßnahmen besitzen nur begrenzte Potentiale der Humusanreicherung, die maximale Anreicherung beträgt etwa 10% des status quo (Diez und Bachthaler, 1978; Zimmer et al., 2005) bzw. ca. 1%0. Eine Anreicherung von etwa 500 kg C ha^-1 a^-1 entspricht einer CO₂-Bindung von ca. 1,83 t ha^-1 a^-1. Umgerechnet auf jeden Einwohner Deutschlands wären dies (bei 11 Mio. Hektar Ackerland und 82 Mio. Einwohnern) etwa 245 kg CO₂/Einwohner. Bei einem jährlichen pro-Kopf CO₂-Ausstoß von 10.000 bis 12.000 kg CO₂ könnten konsequente Humusanreicherungsstrategien <2% unseres CO₂-Ausstoßes über einen begrenzten Zeitraum von 10 bis 20 Jahren kompensieren. Zu beachten sind darüber hinaus unerwünschte Nebenwirkungen einer Humusanreicherung. Dazu gehören u. a. das höhere – kaum gezielt kontrollierbare – Mineralisationspotenzial des Bodens (Gefahr erhöhter Nitratauswaschung), und insbesondere stark erhöhte Lachgasemissionen aus Böden mit höheren Humusgehalten, die die Netto-Klimawirkungen sogar ins Gegenteil verkehren können (Owen et al., 2015; Lugato et al., 2018; Riggers et al., 2021).

Durch sein Potential, über längere Zeiträume Kohlenstoff im Boden zu akkumulieren, stellt Dauergrünland eine Kohlenstoffsenke dar und kann somit zum Klimaschutz beitragen (Poeplau, 2021). Die Höhe der Senkenaktivität wird jedoch stark durch Umweltverhältnisse beeinflusst. Ein entscheidender Faktor ist die Höhe des Grundwasserstandes, vor allem für organische Böden. So kann unter der Einwirkung von Hitze und Trockenstress Grünland auch auf Mineralböden zeitweise zur Netto-C-Quelle werden (Jansen-Willems et al., 2016). Zum anderen wird die Netto-C-Speicherung von der Düngung (Poeplau et al., 2018) und Intensität der Nutzung beeinflusst und sinkt mit zunehmendem Export durch Beweidung und/oder Schnitt (Soussana et al., 2010; McSherry und Ritchie, 2013). Mit steigender Nutzungsintensität steigen auch die N₂O-Emissionen, so dass die THG-Bilanz von Grünlandflächen u.U. auch positiv sein kann (Skiba et al., 2009).

Herstellung und Anwendung von pyrolysierten Pflanzenkohlen besitzen ein erhebliches Potenzial zur C-Sequestrierung in Böden (Schmidt et al., 2019). In einem über sechs Jahre laufenden Versuch im Mittleren Westen der USA trat infolge der Zugabe von pyrolysierter Pflanzenkohle ein negativer Priming-Effekt auf, der zu einer Verdoppelung der im Boden akkumulierten C-Menge führte (Blanco-Canqui et al., 2020). Gleichzeitig zeigte eine Meta-Studie auf der Basis von 56 Publikationen, dass Pflanzenkohle mit Zusatz von organischen oder mineralischen Düngern zu einer Steigerung des Ertrags um im Mittel 15% im Vergleich zur alleinigen Zugabe des Düngers führte (Ye et al., 2020). Allerdings beruhen diese Werte v. a. auf Ergebnissen in stark degradierten, meist tropischen Böden. Studien aus gemäßigten Klimaregionen zeigen keine pflanzenbaulichen Vorteile einer Anwendung von solchen „Bodenverbesserern“ (Ruysschaert et al., 2016; Jeffery et al., 2017), aber durchaus eine Reduktion der Lachgasemissionen (Borchard et al., 2019). Mit Kohlen aus der hydrothermalen Karbonisierung (HTC-Kohlen) wurden eher negative Ertragswirkungen festgestellt (Weber et al., 2016). Zu bedenken sind zudem die sehr begrenzte Verfügbarkeit von Biomasse als Substrat und Nutzungskonkurrenzen, sowie die sehr hohen Kosten dieses Weges der CO₂-Verminderung.

Eine wirksame Maßnahme zur Verminderung klimarelevanter Gase ist der Schutz von Moorböden. In Deutschland wäre die Wiedervernässung von organischen Böden die mit Abstand effektivste Klimaschutzmaßnahme im Bereich der Bodenkohlenstoffspeicherung (Don et al., 2018). Die Moorrenaturierung ist 20 bis 30-mal wirksamer als der Versuch einer Humusanreicherung in Mineralböden. Die Wiedervernässung von organischen Böden bedeutet aber unter Umständen deren Nutzungsaufgabe oder zumindest eine Umstellung auf Paludikultur.

Konservierende Bodenbearbeitung wird auch regelmäßig als Maßnahme zur Erhöhung der Humusgehalte im Boden genannt. Einer Humusanreicherung an der Bodenoberfläche stehen jedoch geringere Gehalte in den unteren Krumenbereichen gegenüber (Sainju et al., 2008; Malhi et al., 2011; Seiter et al., 2017). Die Nettoeffekte sind umstritten (Hunt et al., 2020) und in Relation zum jährlichen anthropogenen CO₂-Ausstoß irrelevant. Zudem können Minimalbodenbearbeitungssysteme zu erhöhten Lachgasemissionen führen (Palma et al., 1997; Liu et al., 2007; Abdalla et al., 2013). Eine Reduktion der Intensität der Bodenbearbeitung führt zu Treibstoffeinsparung und erhöht in der Regel den Erosionsschutz, kann aber zu einem erhöhten Pflanzenschutzmitteleinsatz (Herbizide, ggf. Fungizide aufgrund unzureichender Unterbrechung von Infektionsketten) führen, und zugleich höhere Ernterisiken sowie im Durchschnitt ggf. etwas niedrigere Erträge bedeuten (Feike et al., 2020). All diese Maßnahmen können daher mit Landnutzungsänderungen in anderen Regionen der Welt einhergehen und dort überproportionale Zunahmen der THG-Emissionen nach sich ziehen.

Ein wesentlicher Pfad zur Reduktion der Treibhausgasemissionen führt über die Minderung der N-Inputs und die Erhöhung der N-Effizienz bzw. die Reduzierung der N-Salden, denn die Produktion von N-Mineraldüngern ist ein wesentlicher Faktor bei der Treibhausgasbilanz konventioneller Anbausysteme (Küstermann et al., 2008). Deutliche N-Reduktionspotenziale bestehen z. B. bei der Kultur Mais durch stärkere Anrechnung der N-Nachlieferung aus dem Boden bei der Düngerbemessung (Sela et al., 2017; Morris et al., 2018), sowie beim Anbau von Backweizen durch eine Anpassung der Qualitätsziele (Zörb et al., 2018). Eine verhaltene Düngung würde zugleich eine gewisse Verminderung der Pflanzenschutzintensität ermöglichen, da das Auftreten zahlreicher Schaderreger durch eine hohe N-Düngung gefördert wird (Olesen et al., 2003; Hossard et al., 2014). Die Anwendung von Stickstoffdüngern mit erhöhter Effizienz durch Umhüllung oder Umsetzungsinhibitoren kann ebenfalls zur Reduktion der N₂O und NO-Emissionen sowie des Energieeinsatzes für die Düngemittelproduktion beitragen (Akiyama et al., 2010; Kanter und Searchinger, 2018). Für die Implementierung von Strategien zur N-Reduzierung ist die Weiterentwicklung von dynamischen Modellen zur Düngebedarfsermittlung im Kontext der aktuellen Witterung, der Wetterprognose und der Bestandes- und Standortgegebenheiten unerlässlich.

Eine Reduktion der Stickstoffdüngung unter den Wert, der eine Ausschöpfung des standort- und jahresspezifischen Ertragspotentials ermöglicht, birgt jedoch die Gefahr, dass indirekte Landnutzungsänderungen induziert werden können. Bei Berücksichtigung dieser Effekte kann die N-Düngungsintensität, die zur maximalen CO₂-Äquivalenteinsparung je Hektar führt, nahe dem ökonomischen Düngungsoptimum liegen (Sylvester-Bradley et al., 2015; Räbiger et al., 2020). In der pflanzenbaulichen Praxis liegt die reale Düngung jedoch häufig oberhalb dieser Intensität (Techen et al., 2015), eine präzisere Düngungsbemessung stellt daher ein wesentliches Instrument zur Verminderung von Nitrat- und THG-Emissionen dar (MacLeod et al., 2010; Grethe et al., 2021).

Optimierungspotential zur Steigerung der N-Nutzungseffizienz in Grünlandsystemen und der Reduktion des Methanoutputs von Rindern wird im Einsatz geeigneter Leguminosen gesehen. Auch die Erweiterung von Futterpflanzenmischungen um die funktionale Komponente nicht-leguminoser Kräuter ist mit positiven Effekten auf die tierische Gesundheit und Leistung, die N-Verwertung und N-Emissionen verbunden (Pembleton et al., 2016; Bryant et al., 2018; Judson et al., 2018; Ineichen et al., 2019; Simon et al., 2019). Hinsichtlich der produktbezogenen carbon footprints können alle grünlandbasierten Milchproduktionssysteme hohe Effizienzen erreichen, bei einem allerdings stark differierenden Leistungsniveau (Lorenz et al., 2019). Dies zeigt, dass es auch in der Milchviehhaltung keine einfachen Lösungen gibt. Systemempfehlungen sollten daher betriebsstrukturelle und regionale Aspekte berücksichtigen (Reinsch et al., 2018).

Ökologische wie konventionelle Anbausysteme unterscheiden sich kaum in ihren produktbezogenen THG-Emissionen, eine Meta-Studie weist sogar leicht erhöhte produktbezogene Lachgasemissionen für ökologische Anbausysteme auf (Skinner et al., 2014). Daher gibt es in jedem Anbausystem Anlass, die THG-Emissionen weiter zu reduzieren. Der derzeitige Ansatz, die (flächenbezogenen) Klimaverpflichtungen der Landwirtschaft durch eine Ausweitung des ökologischen Landbaus zu erfüllen, kann dazu führen, dass es aufgrund der niedrigeren Erträge im ökologischen Landbau zu erhöhten Importen aus Drittländern und damit zu einer Verlagerung der THG-Emissionen ins Ausland kommt, wenn nicht gleichzeitig eine Änderung der Konsumgewohnheiten (weniger tierische Lebensmittel, Reduktion von Lebensmittelabfällen) erfolgt. Bereits jetzt übersteigt die für den Inlandsverbrauch von Ernährungsgütern benötigte Fläche von 19,1 Mill. ha die im Inland für Ernährungszwecke genutzte Fläche um 5 Millionen ha (Statistisches Bundesamt, 2019a). Die konventionelle Landwirtschaft kann den größten Beitrag zur Reduktion der THG-Emissionen durch einen maßvollen Betriebsmitteleinsatz (insbesondere der N-Düngung) und durch Senkung der N-Überschüsse leisten. Der ökologische Landbau steht vor der Herausforderung, die Emissionen beim Management der organischen Düngemittel zu reduzieren. Ziel für beide Systeme sollte eine Reduktion der produktbezogenen Emissionen sein.

Im Kontext des Klimawandels steht der Pflanzenbau vor großen Herausforderungen. Es gilt, die pflanzenbaulichen Maßnahmen wie Arten- und Sortenwahl, Bodenbearbeitung, Aussaat, Düngung und Pflanzenschutz so an die stärker wechselnden Bedingungen anzupassen, dass die Resilienz der Anbausysteme zunimmt. Eine der zentralen Maßnahmen ist hierbei die Erweiterung des Kulturpflanzenspektrums sowie die Diversifizierung bzw. die Anpassung der Fruchtfolgen. Generell führt die Diversifizierung der Anbausysteme in den meisten Fällen zu einer erhöhten Resilienz gegenüber klimatischen Änderungen (Dardonville et al., 2020). Unsicherheiten in der Entscheidungsfindung geeigneter Maßnahmen könnten durch bessere Klima- und Wettermodelle adressiert werden. Landwirtschaft und Gesellschaft werden sich mehr Gedanken über die Speicherung der Winterniederschläge, die weitere Ausdehnung der Bewässerungslandwirtschaft und die Lösung der daraus entstehenden Nutzungskonflikte um die Ressource Wasser machen müssen. Auch in der Züchtung werden Arten und Sorten mit höherer Trockenstress- und Hitzetoleranz an Bedeutung gewinnen. Die Förderung der Unterbodendurchwurzelung durch gezielte Schonung und Entwicklung der Bodenstruktur sowie tiefwurzelnde Genotypen und Arten können wesentlich zur Trockenheitsresilienz beitragen (Dardonville et al., 2020).

Die Erhöhung der Wasserrückhaltefähigkeit erfordert nicht nur geeignete Maßnahmen bei der Flurneuordnung, sondern auch die Erhöhung der Infiltrationsfähigkeit der Böden und die Optimierung der Porengrößenverteilung. Neuere Untersuchungen zeigen, dass im Rahmen der beeinflussbaren Veränderungen die Humusgehalte kaum nachweisbare Wirkungen auf die nutzbare Feldkapazität des Bodens haben (Blanco-Canqui et al., 2015; Libohova et al., 2018; Minasny und McBratney, 2018). Zwischenfruchtanbau kann die Infiltrationsfähigkeit und Durchwurzelbarkeit erhöhen sowie die Porosität und damit die hydraulischen Eigenschaften des Bodens verändern (Bodner et al., 2013). Im Sommer und Herbst sind die Nettowirkungen des Zwischenfruchtanbaus auf den Bodenwasserhaushalt im Vergleich zu einem nicht bewachsenen Boden jedoch gering (Bodner et al., 2007). Überwinternder Zwischenfruchtanbau ist allerdings mit einem starken Verbrauch der über Winter angereicherten Wasserreserven des Bodens verbunden und kann so die Wasserversorgung der Nachfrucht beeinträchtigen (Basche et al., 2016).

Die bedarfsgerechte Nährstoffzufuhr ist eine der wichtigsten Voraussetzungen, um einerseits das Ertragspotential der Kulturpflanzen auf einem Standort auszuschöpfen, hohe Produktqualitäten zu erzielen, die Bodenfruchtbarkeit zu erhalten und andererseits umwelt- und klimarelevante Emissionen zu vermeiden. Durch Clusterbildung (z. B. Herausbildung von Ackerbauregionen einerseits und Regionen mit hoher Tierhaltung oder Biogasanlagendichte andererseits) sowie durch Futtermittelimporte aus den Ackerbauregionen bzw. aus Übersee entstanden in den Tierhaltungsregionen starke Nährstoffüberschüsse, die zu einer Belastung der Ökosysteme und zu Problemen mit der Bodenfruchtbarkeit geführt haben (Nesme et al., 2018; Schepers, 2020). Mittlerweile werden regional kritische Belastungsgrenzen des Stickstoff- und Phosphorüberschusses deutlich überschritten (Rockström et al., 2009; Vries et al., 2013; Steffen et al., 2015).

Der Saldo der Stickstoffbilanz, der als Differenz zwischen Stickstoffinput und Stickstoffoutput das Stickstoffverlustpotenzial landwirtschaftlicher Systeme kennzeichnet, ist einer der wichtigsten Agrarumweltindikatoren (Salo und Turtola, 2006; Sieling und Kage, 2006; Sassenrath et al., 2013; EU Nitrogen Expert Panel, 2015). Je nach Ausrichtung des Anbausystems und der Menge an applizierten organischen N-Düngemitteln werden N-Überschüsse von jährlich 30 bis 70 kg N ha^-1 als tolerierbar betrachtet (Armbruster et al., 2012), im DLG-Nachhaltigkeits-Zertifizierungssystem (DLG, 2019) gilt ein Optimalbereich von 0 bis 50 kg N ha^-1, negative N-Salden sowie N-Salden über 50 kg N ha^-1 werden als nicht nachhaltig bewertet. Der Landwirtschaftssektor und die Umweltseite haben sich im Rahmen der Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung auf eine Begrenzung des N-Überschusses auf unter 70 kg N ha^-1 bis zum Jahr 2030 geeinigt. In der Bundesrepublik Deutschland sind jedoch die flächenbezogenen Stickstoff-Salden seit Jahren mit etwa 90 bis 100 kg N ha^-1 a^-1 auf einem deutlich höheren Niveau (BMEL, 2020c). Der bis ca. 2010 zu verzeichnende abnehmende Trend der nationalen N-Bilanzsalden wurde nicht zuletzt durch die umfangreiche Umstellung von Flächen auf die Substratproduktion für Biogasanlagen und den damit verbundenen Rückfluss von Gärrückständen gestoppt. Hohe positive Bilanzsalden führen zu umwelt- und klimarelevanten N-Emissionen sowie zu Konflikten mit dem Trinkwasserschutz (van der Ploeg et al., 1997; Küstermann et al., 2010; Wiesler et al., 2016) und dem Artenschutz (Metzing et al., 2018).

Ein Vergleich der Ergebnisse von Stickstoffsteigerungsversuchen mit der nach der derzeitigen Gesetzgebung zulässigen N-Düngung zeigt, dass die Gesetzgebung in Deutschland der Landwirtschaft ein insgesamt hohes N-Düngungsniveau zugesteht. In der Schweiz z. B. lassen die auf der Basis von N-Steigerungsversuchen erlassenen Düngungsnormen nur etwa zwei Drittel der in Deutschland erlaubten N-Düngung zu (Richner und Sinaj, 2017). Ein Problem der Düngeverordnung (DüV) sind die Berechnungsgrundlagen für die N-Düngebedarfsermittlung, die nur sehr begrenzt wissenschaftlich nachvollziehbar sind. So stehen die Zahlen in der Kritik, weil sie z.B. für Mais als zu hoch (Wiesler et al., 2016; Möller, 2018), oder z. B. für Raps oder Weizen als zu niedrig angesehen werden (Kage et al., 2022). Auch bestehen teils starke Abweichungen der regionalen Empfehlungswerte und Berechnungsweisen der Landesanstalten für Landwirtschaft und der Kammern von den Zahlen aus der DüV (Taube, 2018). Aus wissenschaftlicher Sicht ist daher die Veröffentlichung der Daten und Methoden zu fordern, die der DüV zugrunde liegen (Kage et al., 2022).

Grünlandbasierte Tierhaltung weist eine große Bandbreite auf, die von fast ganzjähriger Weidehaltung bis zu ganzjähriger Stallhaltung, basierend auf schnittgenutztem Grünland, Silomais und Kraftfutter, reicht. Im Rahmen der aktuellen Tierwohldebatte rückt Weidenutzung, die über Jahre einen steten Rückgang verzeichnete, wieder in den Fokus. Die begrenzte Energieversorgung der Tiere bei Beweidung limitiert jedoch ihre Milchleistung je Tier (Becker, 2018). Austragspfade für N-Emissionen in die Atmosphäre bzw. das Grundwasser unterscheiden sich zwischen den Nutzungssystemen. Das System Stallhaltung weist ein hohes Risiko für NH₃-Emissionen in Stall, Güllelager sowie bei der Ausbringung auf, das jedoch durch technische Lösungen oder Zusatzstoffe reduziert werden kann (Webb et al., 2010; Hou et al., 2017). In weidebasierten Systemen besteht hingegen ein höheres Risiko der N-Auswaschung, welches mit der Besatzdichte und der Höhe der N-Zufuhr in positiver Beziehung steht (Wachendorf et al., 2004). Bei ansonsten gleichen Bedingungen (die aber in der Realität kaum gegeben sind) führt Weidenutzung zu höheren N₂O-Emissionen als Schnittnutzung (Oenema et al., 1997).

Sowohl der konventionelle als auch der ökologische Landbau stehen vor Herausforderungen im Nährstoffmanagement, in beiden Anbausystemen werden in Ackerbaubetrieben häufig Defizite bei den P-Bilanzen festgestellt (Zorn und Schröter, 2014; Kolbe, 2015; Cooper et al., 2018), aber in beiden Anbausystemen sind auch Sparten mit hohen bis teilweise sehr hohen Nährstoffüberschüssen (Gemüsebau in beiden Systemen, Tierhaltungsbetriebe mit hoher Tierbesatzdichte oder sehr intensiv geführte Ackerbaubetriebe im konventionellen Landbau) vorhanden. Eine genauere und damit ggf. knappere N-Düngebemessung bedeutet allerdings, dass z. B. in Jahren mit sehr günstigen Wachstumsbedingungen das aktuelle Ertragspotenzial nicht erreicht wird. Zugleich bestehen höhere Risiken bei der Erreichung der Produktqualität im Sinne der Abnehmerbzw. Konsumentenansprüche (z. B. Rohproteingehalte bei Backweizen).

Die Steigerung der Nährstoffeffizienz wird als eine entscheidende Strategie angesehen, um schädliche Emissionen in die Umwelt wirksam zu vermindern und zugleich die Ertragssicherheit zu gewährleisten (Tilman et al., 2002; Hirel et al., 2007; Omara et al., 2019). Im Ackerbau bestehen zahlreiche Ansätze zur Optimierung der Düngung. Dazu gehört vor allem eine konsequente Ausrichtung der Obergrenzen für die Stickstoffdüngung an den Ergebnissen von N-Steigerungsversuchen, aber auch eine Veränderung der Qualitätskriterien bei Handel, Verarbeitung und Konsumenten. So wird Backweizen oder Gemüse teilweise sehr hoch gedüngt, nur um (eigentlich zu) hohe Rohproteingehalte zu erzielen (Zörb et al., 2018), oder um eine entsprechende Blattfarbe und Produktgröße bei Frischgemüse zu erreichen. Die eigentliche Herausforderung besteht darin, die Stickstoffnachlieferung aus dem Boden und die Ertragserwartung anhand der aktuellen Witterung und der Witterungsprognosen noch vor der Düngung abzuschätzen. Aufgrund der Komplexität der Nährstoffflüsse im System Boden – Pflanze – Umwelt, zahlreicher Interaktionen sowie der kleinräumigen Variabilität von Bodeneigenschaften ist eine exakte Düngebedarfsermittlung nach wie vor eine Herausforderung. Zur Optimierung der N-Düngung müssten die derzeitigen statischen Berechnungsverfahren zur N-Düngebemessung durch dynamische, modellgestützte Verfahren ersetzt oder ergänzt werden. Diese sollten anhand von Standortdaten, Bewirtschaftungsgeschichte (Vorfrucht, langjährige Düngung, etc.) und Witterungsdaten Düngereinsparungen über eine genauere Abschätzung der N-Nachlieferung aus dem Boden und des tatsächlich realisierbaren Ertrages ermöglichen (Beispiel Winterweizen in ISIP (Ratjen et al., 2016; Reinsdorf et al., 2016)).

Die Verminderung des N-Düngungsniveaus (z. B. durch Verzicht auf Sicherheitszuschläge, angemessenere Anrechnung des N-Nachlieferungspotenzials aus dem Boden, stärkere Berücksichtigung von Leguminosen in der Fruchtfolge, Verwendung N-effizienter Arten und Sorten etc.) kann jedoch geringere Proteingehalte in den Ernteprodukten, höheren Eiweißfutterbedarf in der Tierfütterung sowie eine mäßige Erhöhung der Ertragsrisiken nach sich ziehen.

Darüber hinaus können verschiedene strukturelle und pflanzenbauliche Maßnahmen Beiträge zur Problemlösung leisten wie

Chemisch-synthetische Pflanzenschutzmittel (csPSM) leisten einen wichtigen Beitrag zur Ertrags- und Qualitätssicherung. Dennoch muss konstatiert werden, dass ihre Verfügbarkeit der Vereinfachung der Anbausysteme inklusive der Etablierung stark einseitiger Fruchtfolgen in den vergangenen Jahrzehnten Vorschub geleistet hat (Barzman et al., 2015). Auch werden csPSM im Hinblick auf ihre human- und ökotoxikologischen Eigenschaften und damit in Zusammenhang stehenden möglichen negativen Wirkungen auf Umwelt und Biodiversität zunehmend kritisch gesehen (Szöcs et al., 2017; Wijewardene et al., 2021), so dass die politische Absicht besteht, ihren Einsatz und besonders das damit zusammenhängende Risiko zu reduzieren (European Commission, 2020). Zwar ist die Anwendung von csPSM im ökologischen Landbau nicht erlaubt, es werden jedoch auch intensive direkte Pflanzenschutzmaßnahmen mit Pflanzenschutzmitteln auf naturstofflicher Basis durchgeführt, besonders im Kartoffelanbau und beim Anbau von Sonderkulturen (Speiser et al., 2019).

Der integrierte Pflanzenschutz (IPS) ist in Deutschland gesetzlich verankert und zielt darauf ab, die Anwendung von csPSM auf das (betriebswirtschaftlich) notwendige Maß zu begrenzen, die entsprechenden Risiken für Mensch und Umwelt zu minimieren und dabei Erträge und Qualität zu sichern (Bundesministerium der Justiz und für Verbraucherschutz, 2012; Barzman et al., 2015). Er fordert, vorbeugende anbau- und kulturtechnische Maßnahmen sowie biologische, biotechnische und pflanzenzüchterische Optionen vorrangig zu nutzen, und den Einsatz von csPSM auf das notwendige Maß zu beschränken. Trotz der fortwährenden Propagierung und Förderung des IPS wurde die Anwendung von csPSM in den vergangenen Jahrzehnten jedoch nicht wesentlich reduziert (Möckel et al., 2015; Dachbrodt-Saaydeh et al., 2021). Eine gelegentlich geforderte stärkere Operationalisierung der Prinzipien des IPS ist sehr herausfordernd. So werden mögliche vorbeugende pflanzenbauliche Maßnahmen zur Reduzierung des Schaderregerdrucks, wie hohe Anbaudiversität und weite Fruchtfolgen, in der Praxis häufig unzureichend umgesetzt, da sie nur schwer mit den ökonomischen und betriebsspezifischen Zielen in Einklang zu bringen sind

Der Nutzung von Pflanzenschutzreduktionspotentialen stehen eine aufwändigere Bewirtschaftung und das erhöhte Risiko von Ertragsverlusten als größte Hindernisse entgegen (Chèze et al., 2020). Ein zusätzliches Hemmnis für die Reduktion von csPSM ist die zunehmende Ausbildung von Wirkstoffresistenzen, besonders bei Unkräutern (Ulber und Rissel, 2018), aber auch bei tierischen (Tebbe et al., 2016) und pilzlichen (Klink et al., 2021) Schadorganismen. Zur Vermeidung der Ausbildung von Resistenzen ist es sinnvoll, die empfohlene Aufwandmenge nicht (gegen tierische Schaderreger) oder nur leicht (gegen pilzliche Schaderreger im Getreide) zu reduzieren (Thate, 2014), und eine termingerechte Applikation sicherzustellen. Die Resistenzproblematik wird durch den zunehmenden Ablauf oder Widerruf der Zulassungen von Pflanzenschutzmitteln und der damit einhergehenden Einengung des Wirkstoffspektrums verschärft. Der konsequente Wechsel der Wirkmechanismen im Sinne eines effektiven Resistenzmanagements zur Vermeidung von Wirkstoffresistenzen ist somit für bestimmte Schadorganismen kaum noch möglich (Lamichhane et al., 2015).

Weitere Zielkonflikte ergeben sich unter anderem zwischen der Reduzierung der Anwendungen von Herbiziden und dem Boden- sowie Klimaschutz. Direktsaatverfahren und reduzierte Bodenbearbeitung sind meist mit einer höheren Intensität an Herbizidanwendungen verbunden. Bei der Reduktion des Herbizideinsatzes ist es daher umso wichtiger, bodenschonende und erosionsmindernde Anbauverfahren zu erhalten, die zudem einen geringeren Dieselverbrauch und damit geringere Klimawirkungen aufweisen (Prager et al., 2011; Feike et al., 2020). Des Weiteren trägt die ertragssichernde Wirkung von csPSM direkt zum Ressourcen- und Klimaschutz bei. Ertragsverluste müssen daher bei einer Reduktion der Anwendung von csPSM möglichst geringgehalten werden. Im Hinblick auf die möglichen negativen Wirkungen von csPSM auf die Biodiversität sind die Wirkstoffgruppen differenziert zu betrachten. So sind negative Wirkungen der Anwendung von Fungiziden auf die Biodiversität kaum bekannt, jedoch zahlreiche für Insektizide und Herbizide (Dudley et al., 2017; Brühl und Zaller, 2019). In der gesellschaftlichen Diskussion um die Reduktion der csPSM Anwendungen werden häufig Wirkstoffmengen als Referenz verwendet. Hierbei ist jedoch zwingend zu beachten, dass sich die verschiedenen Wirkstoffe sehr stark in ihrem Risiko unterscheiden (Gutsche und Strassemeyer, 2007), weshalb Risikoindikatoren wie SYNOPS (JKI, 2022) bei der Bewertung der Anwendung von csPSM eindeutig in den Vordergrund zu stellen sind.

Zur Weiterentwicklung von zeitgemäßen Pflanzenschutzstrategien ist eine gesellschaftliche Auseinandersetzung über das anzustrebende Intensitätsniveau im Zielkonflikt zwischen Pflanzenschutzintensität und Ertragshöhe im Kontext der N-Düngungsintensität unerlässlich. Einerseits kann eine Erhöhung der N-Düngung zu einem höheren Pflanzenschutzbedarf führen (Olesen et al., 2003; Hossard et al., 2016), andererseits können bei Reduzierung der Anwendung von csPSM die Ertragsrisiken ansteigen.

Ergebnisse aus langjährigen Exaktversuchen weisen auf ein recht hohes Reduktionspotential bei der Anwendung von csPSM hin. In einem 13-jährigen Feldversuch in Brandenburg führte eine um 50% reduzierte Behandlungsintensität betrachtet über alle Jahre zu keinen negativen Effekten hinsichtlich Erträgen und Wirtschaftlichkeit des Weizenanbaus in einer sechsfeldrigen Fruchtfolge, wohingegen der komplette Verzicht zu ertraglichen und ökonomischen Einbußen führte (Saltzmann und Kehlenbeck, 2018; Schwarz et al., 2018). Ähnliche Ergebnisse zeigten sich in einem dreijährigen Feldversuch zu Getreide-Zuckerrüben-Fruchtfolgen in Niedersachsen. Der komplette Verzicht auf csPSM führte zu erheblichen Einbußen, während eine Reduktion um 35% im Getreide keine, in der Zuckerrübe jedoch signifikante Einbußen nach sich zog (Busche, 2008). In einer übergreifenden Auswertung von multifaktoriellen Versuchen in Frankreich kommen Hossard et al. (2014) zur Schlussfolgerung, dass eine Reduzierung der Pflanzenschutzmittelanwendungen bei Winterweizen um 50% eine Ertragsreduktion von 5 bis 13% nach sich zieht, mit negativen betriebswirtschaftlichen Folgen. In einer Metastudie basierend auf europäischen und nordamerikanischen Anbausystemversuchen zeigten extensive Bewirtschaftungssysteme mit reduzierter PS-Intensität und N-Düngung keine Ertragsunterschiede zu konventionellem Anbau bei Mais, jedoch bei Weizen (Hossard et al., 2016). Eine weitere französische Analyse basierend auf betriebsspezifischen PSM-Anwendungs- und Ertragsdaten (n = 946) zeigt auf, dass 77% der untersuchten französischen Gemischtbetriebe die Pflanzenschutzmittelanwendungen ohne wirtschaftliche Einbußen reduzieren könnten (Lechenet et al., 2017).

Sämtliche Studien weisen darauf hin, dass die ermittelten Werte das theoretisch mögliche Reduktionspotential darstellen. So basieren die Ergebnisse aus Brandenburg (Saltzmann und Kehlenbeck, 2018; Schwarz et al., 2018) auf einer sechsfeldrigen „Gesundfruchtfolge“, in der ein sehr intensives Schaderregermonitoring unter konsequenter Beachtung der Bekämpfungsrichtwerte erfolgte. Des Weiteren weisen die Studien auf die Notwendigkeit der Diversifizierung des Anbauspektrums und einen konsequenten Fruchtwechsel mit einem regelmäßigen Wechsel von Sommerungen und Winterungen (Hossard et al., 2014; Lechenet et al., 2017), die konsequente Nutzung von Prognosemodellen und intensives Monitoring der Bestände sowie die fortwährende Züchtung und konsequentere Nutzung resistenter Sorten (Lechenet et al., 2017; Schwarz et al., 2018; Laidig et al., 2021) hin.

Um die notwendige Reduzierung der Anwendung von csPSM ohne starke Produktionsrückgänge zu realisieren, sind präventive pflanzenbauliche Maßnahmen daher dringend stärker zu berücksichtigen und in der Praxis umzusetzen. Die Erweiterung enger Fruchtfolgen mit einem konsequenten Wechsel von Sommerungen und Winterungen sowie von Blatt- und Halmfrüchten kann entscheidend dazu beitragen, den Druck durch Schadorganismen zu reduzieren. Längere Anbaupausen helfen u.a., Halm- und Fußkrankheiten im Getreide und Raps, Fusarium in Weizen und Mais, sowie Nematoden in Rüben und Kartoffeln zu kontrollieren. Auch im Hinblick auf das Unkrautmanagement ist es sinnvoll, winterungs- und getreidelastige Fruchtfolgen durch Sommerungen und Blattfrüchte aufzulockern. Herausforderungen bei der Diversifizierung des Anbauspektrums in der Praxis wie fehlende Technik, Anbauerfahrung und besonders Absatzmöglichkeiten dürfen dabei jedoch nicht ignoriert werden. Ebenfalls hilfreich wäre die verstärkte Nutzung von Maschinenringen und die Entwicklung eines verbesserten Wissenstransfers und von effizienten Absatzstrukturen. Zudem könnten weitere Fruchtfolgen durch zusätzliche Förderprogramme verstärkt umgesetzt werden, die Mindestanteile an Fruchtartengruppen oder eine Fruchtartendiversifizierung mit nachfolgenden Wertschöpfungsketten fördern.

Ein weiterer pflanzenbaulicher Baustein für einen effektiven IPS ist die Optimierung der Saattermine. So kann eine nicht zu frühe Aussaat im Herbst hilfreich sein, um Ackerfuchsschwanzpopulationen im Wintergetreide zu vermindern, das Überwachsen der Bestände zu verhindern und generell Herbizidanwendungen im Herbst einzusparen (Hüwing, 2008; Voßhenrich et al., 2018). Auch können so Blattläuse als Vektoren sowie Probleme mit Fritfliegen minimiert werden.

Die Landwirte sollten zudem noch stärker auf den Anbau resistenter Sorten setzen. So wird der Züchtungsfortschritt, den es gegen die meisten Pilzkrankheiten im Weizen gibt, bisher unzureichend genutzt. Zum einen stellt weiterhin meist die Ertragsleistung das wichtigste Auswahlkriterium dar. Zum anderen ist ein mangelndes Vertrauen der Landwirte in die Resistenzeigenschaften der Sorten zu beobachten, so dass resistente Sorten letztlich ähnlich intensiv behandelt werden wie anfällige (Klocke und Dachbrodt-Saaydeh, 2016). Hier bedarf es fortwährender Überzeugung und Aufklärung durch Beratung. Der Anbau multi-resistenter Sorten, die gut wirksame Resistenzen gegen die wichtigsten pilzlichen Schaderreger aufweisen, sollte deutlich erhöht werden. Deren Nutzung und die Diversifizierung des Sortenspektrums hinsichtlich der eingekreuzten Resistenzgene ist wichtig, um den Krankheitsdruck abzufedern und den Selektionsdruck zu minimieren.

Pflanzenschutz und Stickstoffdüngung sollten in Zukunft auch viel stärker als korrespondierend betrachtet werden, denn ein hohes N-Düngungsniveau erhöht die Notwendigkeit von Pflanzenschutzmaßnahmen nahezu linear (Olesen et al., 2003). Auf der anderen Seite ermöglicht ein Pflanzenschutz erst eine ausreichende Ertragssicherheit und wirkt damit häufig positiv auf die Stickstoffeffizienz und die THG-Bilanz. Wenn die Vereinbarungen zwischen den Interessenvertretungen des Umweltschutzes und dem Landwirtschaftssektor zur Reduzierung der Nährstoffüberschüsse (Deutsche Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung) und des Pflanzenschutzmitteleinsatzes (z.B. in Bayern und Baden-Württemberg) ernst genommen werden, müsste (jeweils im Durchschnitt) der Einsatz chemisch-synthetischer Pflanzenschutzmittel um ca. 50% und das N-Düngungsniveau um ca. 30% gesenkt werden. Ein Pflanzenbau 2030 könnte anstreben, im konventionellen Landbau etwa 90% der heutigen Erträge mit etwa 70% des heute erlaubten N-Düngungsniveaus und ca. 50% der heute üblichen Pflanzenschutzintensität zu erreichen. Aber auch ein solches Konzept wäre mit relevanten Zielkonflikten verbunden, die aus etwas niedrigeren Erträgen und aus der Veränderung der Zusammensetzung der Ernteprodukte resultieren: Ein um 10% niedrigeres Ertragsniveau würde in Deutschland allein im Ackerbau eine zusätzliche Fläche von über 1 Mio. ha erfordern.

Treten Schadorganismen trotz vorbeugender Maßnahmen dennoch auf, gilt es zuerst abzuwägen, ob eine Behandlung notwendig und betriebswirtschaftlich sinnvoll ist. Im positiven Fall wäre dann der optimale Zeitpunkt für die PSM-Behandlung zu finden, um deren Wirksamkeit zu maximieren. Dabei ist die konsequente Nutzung von Prognosemodellen, die für einige relevante Schaderreger in Deutschland bereitgestellt werden (ISIP, 2022), in Kombination mit einem fachgerechten Monitoring der Bestände zur optimalen Terminierung der Behandlungen nach Bekämpfungsrichtwertüberschreitung essentiell (Busche, 2008; Schwarz et al., 2018). In diesem Zusammenhang müssen die Möglichkeiten der Digitalisierung weiterentwickelt werden und vermehrt in die Praxis gelangen. Gerade beim Monitoring können drohnenbasierte Sensoren helfen, die Informationsdichte in Raum und Zeit zu erhöhen, um die PSM-Anwendung auch teilflächenspezifisch zu optimieren. Hierbei können auch unlängst entwickelte teilflächenspezifische Prognosemodelle (Herrmann et al., 2021) und Web-Services zur Bereitstellung teilflächenspezifischer ökologischer und ökonomischer Kennzahlen (Rajmis et al., 2021; Sinn et al., 2021) helfen, die Präzision im Pflanzenschutz zu erhöhen und die Anwendungen auf das tatsächlich notwendige Maß zu minimieren. Da nicht jeder Betrieb die Kapazität hat, die notwendige Expertise für die Nutzung der sich ständig weiterentwickelnden digitalen Technologien aufzubauen, könnte die Entscheidungsunterstützung im Pflanzenschutz zukünftig vermehrt durch innovative Beratungsunternehmen erfolgen. Auch hier ist eine Ausweitung der öffentlichen Beratung, sowie Förderung der privaten IPS-Beratung durch öffentliche Gelder erstrebenswert. Hierbei sollten auch Überlegungen zur Finanzierung der Unterstützung der Landwirte bei der effektiven Umsetzung des IPS über PSM-Steuern nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden (Böcker und Finger, 2016). Nicht zuletzt könnte die konsequente Anwendung und Weiterentwicklung des Konzepts der Bekämpfungsrichtwerte, bei dem nicht die Ertragsmaximierung, sondern vorrangig eine Grundabsicherung des Ertrages im Vordergrund steht, helfen, das Risiko für Mensch und Natur bei der Anwendung von csPSM weiter zu reduzieren. Auch die Option von Ertragsverlustversicherungen sollte in diesem Zusammenhang weiter untersucht und entwickelt werden (Norton et al., 2016).

Der Boden als Standortelement für den Pflanzenbau ist nicht nur Wasser- und Nährstoffspeicher für die Kulturpflanzen, sondern auch Lebensraum für Tiere, Wildpflanzen und Mikroorganismen. Gefährdungen der Bodenfunktionen entstehen durch Schadstoffeinträge, Schadverdichtungen und Erosion.

Grundlegende Maßnahmen des Pflanzenbaus wie Bodenbearbeitung, mechanische Unkrautbekämpfung, Düngung und Bewässerung sind auf die Erhaltung und Verbesserung der Standortfunktion für die Kulturpflanzen ausgerichtet. Den für die Produktivität der Kulturpflanzenbestände erwünschten Wirkungen pflanzenbaulicher Maßnahmen stehen oft unerwünschte Wirkungen im Hinblick auf andere Ökosystemfunktionen wie die Habitatfunktion für Bodenlebewesen und Wildpflanzen gegenüber. Auch kann intensive Bodenbearbeitung den Humusabbau fördern und das Erosionsrisiko erhöhen (Klik und Rosner, 2020). Mit mittleren potenziellen Bodenabträgen zwischen 5 und mehr als 100 t/ha pro Jahr wird die Wassererosion insbesondere in den deutschen Mittelgebirgen als hoch bis sehr hoch eingestuft (Wurbs und Steininger, 2011). Aufgrund der zu erwartenden Klimaänderungen mit einerseits Trockenheit und andererseits Starkregen ist damit zu rechnen, dass die Wassererosion deutlich zunimmt (Wurbs und Steininger, 2011).

Infolge intensivierter Bodenbearbeitung sowie der zunehmenden Masse von Erntemaschinen könnten anthropogen bedingte Bodenschadverdichtungen zunehmend ein Problem werden, insbesondere im Unterboden (Schneider und Don, 2019). Bodenschadverdichtungen wird zwar durch immer ausgefeiltere Technik entgegengetreten, jedoch zwingen die ökonomischen Rahmenbedingungen die Betriebe zur Steigerung der Flächenleistung pro Arbeitskraft. Dies führt dazu, dass der Vorteil, den Maschinen mit großer Flächenleistung in Bezug auf die zeitgerechte Durchführung von Feldarbeiten theoretisch haben, in der Praxis nicht immer erzielt wird und schwere Maschinen zum falschen Zeitpunkt, nämlich bei zu feuchtem, nicht tragfähigem Boden eingesetzt werden (Schneider et al., 2017).

Der Einsatz von Totalherbiziden wie Glyphosat vor der Saat erlaubt es, die Bodenbearbeitungsintensität zu reduzieren und damit das Erosionsrisiko, den Eintrag von Nährstoffen und Pflanzenschutzmitteln in Oberflächengewässer, die Verdichtungsgefährdung sowie den Energieverbrauch zu vermindern. Zudem spart eine reduzierte Bearbeitungsintensität deutlich Kosten für Arbeitszeit und Maschineneinsatz ein. Es ist zu erwarten, dass das in der Gesellschaft diskutierte Glyphosatverbot zu intensiverer Bodenbearbeitung führen und somit auch die genannten positiven Effekte rückgängig machen wird (Petersen, 2018; Steinkellner, 2019). Es besteht zudem die Gefahr, dass der infolge zunehmender Anwendung reduzierter Bodenbearbeitungsverfahren beobachtete Rückgang von Pflugsohlenverdichtungen (Brunotte et al., 2008) wieder umgekehrt wird. Neben den Zielkonflikten zwischen Biodiversitätsförderung durch Reduktion der mechanischen Unkrautregulation und der kurzfristigen Produktivität ist vor allem ein Konflikt zwischen Herbizdeintrag und Bodenschonung gegeben.

Bodenbearbeitung hat in der Landwirtschaft eine pflanzenbauliche, bodenökologische und ökonomische Bedeutung. Neben den klassischen Pflugverfahren gibt es verschiedene Formen der konservierenden Bodenbearbeitung bis hin zu Direktsaatverfahren. Studien zeigen, dass Mulch- und Direktsaatverfahren sehr effiziente Maßnahmen des Bodenschutzes vor Erosion und der damit einhergehenden Phosphorabträge darstellen (Erlach et al., 2008). Zudem verringern sie den Energie- und Arbeitsbedarf der Bewirtschaftung, sie sind jedoch oft mit etwas niedrigeren und stärker variierenden Erträgen verbunden (Berner et al., 2008; Dieckmann, 2008; Morris et al., 2010; van den Putte et al., 2010; Appel, 2012; Pittelkow et al., 2015; Seiter et al., 2017). Ökonomische Vorteile ergeben sich bei der Direktsaat eher durch die Kostenreduktion bei der Arbeitserledigung als durch höhere Erträge (Pittelkow et al., 2015). Die Wirkungen auf den Humushaushalt wurden oben bereits erwähnt. Allerdings bestehen auch zahlreiche Zielkonflikte: Bei konservierender Bodenbearbeitung scheinen die N-Verluste höher (s.o.) und die N-Effizienz etwas geringer zu sein, so dass in den Jahren der Umstellung auf ein System mit verringerter Bodenbearbeitung zumindest in der Anfangsphase etwas höhere N-Düngegaben notwendig sein können (Claupein und Ehlers, 1994; Lipiec und Stępniewski, 1995; Malhi et al., 2001; Soane et al., 2012). Direktsaatverfahren führen zu einer Schichtung von Nährstoffen und Humus mit Anreicherung im Oberboden zu Lasten der unteren Krumenbereiche (Chervet et al., 2016; Seiter et al., 2017; Neugschwandtner et al., 2022). Diese Schichtung kann langfristig zu erhöhten Phosphorverlusten über abfließendes Oberflächenwasser führen, so dass die P-Verluste in Form gelöster P-Verbindungen im Boden sogar höher als durch Bodenerosion sein können (Gaynor und Findlay, 1995; Dodd und Sharpley, 2016; Daryanto et al., 2017). Da die Bodenbearbeitung eine wichtige Maßnahme gegen Unkräuter und Krankheiten darstellt, ist vor allem bei Direktsaatverfahren die Abhängigkeit von externen Betriebsmitteln höher (Arnold-Reimer, 1994; Voss, 1998; Sievert, 2000; van den Putte et al., 2010). Insbesondere wird sich die ökonomisch wie ökologisch sinnvolle Ausweitung von Verfahren reduzierter Bodenbearbeitung ohne die Verfügbarkeit von Totalherbiziden wieder umkehren. Besonders problematisch sind Ungräser und Fusarium spec. im Getreide (Yi et al., 2001) sowie Maiszünsler (Ostrinia nubilalis) im Mais. Mäuse und Nacktschnecken können erheblich zunehmen (Jordan et al., 1997). Andere bodenbürtige Schaderreger werden unter Umständen reduziert, z. B. parasitärer Halmbruch (Pseudocercosporella herpotrichoides) (Tebrügge, 1990).

Das System des Konservierenden Ackerbaus (Conservation Agriculture) stellt eine Weiterentwicklung konservierender Bodenbearbeitungssysteme dar (Hobbs et al., 2008; Kassam et al., 2009) und beinhaltet neben konservierender Bodenbearbeitung oder Direktsaat eine weite Fruchtfolge sowie kontinuierliche Bodenbedeckung durch möglichst umfassenden Anbau von Zwischenfrüchten. In diesem System sollen somit die negativen Effekte einer verminderten Bodenbearbeitungsintensität durch Erhöhung der Diversität ausgeglichen werden.

Nachwachsende Rohstoffe (NaWaRo) werden in Deutschland auf ca. 2,5 Mio. Hektar angebaut, dies entspricht 14% der landwirtschaftlichen Nutzfläche (FNR, 2022). Wichtige Kulturen in diesem Segment sind Silomais zur Biogasproduktion, Winterraps zur Biodieselerzeugung sowie Getreide zur Bioethanolgewinnung. Der Anbau von nachwachsenden Rohstoffen hat Anfang des Millenniums durch die veränderten Rahmenbedingungen (z. B. Novellierung des EEG) eine starke Ausdehnung erfahren (Bosch und Peyke, 2011). Die politische Erwartung war, die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern zu verringern und zugleich neue Einkommensquellen für die Landwirtschaft zu erschließen. Darüber hinaus bieten Raps und Silomais pflanzenbaulich erwünschte Möglichkeiten zur Auflockerung getreidereicher Fruchtfolgen. Der Anbau nachwachsender Rohstoffe war anfangs gesellschaftlich positiv konnotiert. Allerdings führten die veränderten Rahmenbedingungen nicht nur zu einer erheblichen Intensivierung der Landwirtschaft (z. B. durch Umbruch von Dauergrünland zum Anbau von Silomais, Peters et al., 2008), sondern zugleich zur weiteren Ausdehnung des Anbaus von Mais und Raps in Regionen mit ohnehin hoher Anbaukonzentrationen dieser Kulturen (Kruska und Emmerling, 2008). Mit der Ausdehnung des NaWaRo-Sektors wurden auch relativ bald die sog. „Flächenstilllegungen“ aufgegeben, Flächen die zuvor Rückzugsraum für Insekten und andere Tiere in Agrarökosystemen boten. Nach der Novellierung des EEG entzündete sich eine „Tank-Teller“-Debatte, die auf Zielkonflikte zwischen Lebensmittel- und Energieproduktion hinweist. Zudem war lange bekannt, dass Biomasse nur einen sehr überschaubaren Beitrag zur Deckung des Energiebedarfs leisten kann, da die Energiegewinnung pro Flächeneinheit deutlich geringer als bei anderen Konversionsverfahren für Sonnenenergie ist. Zum Beispiel sind Photovoltaik(PV)-Module in der Lage, den 15bis 40-fachen Nettoenergieertrag pro Flächeneinheit im Vergleich zu Biogasmais zu erbringen. Die solare Konversionseffizienz durch Nutzpflanzenbestände liegt bei globaler Betrachtung sowohl in gemäßigten als auch tropischen Zonen in der Regel < 1% (Blankenship et al., 2011). Photovoltaikmodule sind selbst bei einer Konversion in lagerbare chemische Energie energieeffizienter als Bioenergie (Blankenship et al., 2011) und ließen sich mit einem effizienten Ackerbau zur Biomasseoder Fleischproduktion (Agro-PV) verbinden.

Eine ausgewogene Bioökonomiestrategie muss die Zielkonflikte zwischen Lebensmittelproduktion, Flächenbedarf für Naturschutz und Flächeneffizienz verschiedener Ansätze des Anbaus nachwachsender Rohstoffe im Kontext der jeweiligen Flächenproduktivität im Blick behalten (Diakosavvas und Frezal, 2019; Braun, 2018). Vermutlich können die Zielkonflikte durch Nutzung von Koppelprodukten aus der Landwirtschaft oder von Gehölzstreifen in der Agrarlandschaft (Agroforstsysteme) vermindert werden.

Ein Ziel der Förderung von Bioenergie in Deutschland und international ist die CO₂-Vermeidung gegenüber fossilen Energieträgern (Tilman et al., 2009). Die mittlere CO₂-Äq-Vermeidungsleistung der Bioenergielinien in Deutschland beträgt etwa 4.000 kg ha^-1 a^-1 (Wissenschaftlicher Beirat Agrarpolitik, 2007). Nach Auffassung des Wissenschaftlichen Beirats werden in Deutschland die Bioenergielinien (z. B. Raps – RME) mit den geringsten CO₂-Vermeidungsleistungen und höchsten CO₂-Vermeidungskosten gefördert. Andere Bioenergielinien, z. B. Holz – Hackschnitzel-Verbrennung, würden wesentlich höhere CO₂-Vermeidungsleistungen (bis 12.000 kg ha^-1 a^-1) erzielen. Das höchste Flächenpotenzial zur Energiegewinnung besitzen allerdings Photovoltaik und Windkraft. Nach Auffassung der Leopoldina (Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina, 2012) sollte kein weiterer Ausbau der Bioenergienutzung in Deutschland erfolgen, denn andere erneuerbare Energien sind wesentlich flächen- und energieeffizienter. Vielmehr sollte sich die Förderung von Bioenergie auf Formen beschränken, die nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion stehen (z.B. Gülle, pflanzliche Reststoffe, Nahrungsmittelabfälle). Bei der Produktion von Bioenergie oder anderen bioökonomischen Ansätzen ist zudem zu berücksichtigen, dass sie zu einer Intensivierung der Landwirtschaft führen und Zielkonflikte mit dem biotischen und abiotischen Ressourcenschutz bestehen.

Bis heute spiegelt die Agrarforschung weitgehend eine an Mengenertrag und Verkaufswert orientierte Betrachtung wider, obwohl nahezu die Hälfte der Betriebseinkommen in der Landwirtschaft aus öffentlichen Zuwendungen kommt (BMEL, 2020b). In der Gesellschaft werden Forderungen laut, diese Zuwendungen künftig an Gemeinwohlleistungen der Landwirtschaft zu knüpfen, zumal auch immer deutlicher wird, dass letztere für die Erhaltung unserer Kulturlandschaften und der mit ihnen geschaffenen biologischen Vielfalt und Ästhetik des Landschaftsbildes von zentraler Wichtigkeit sind (Dieker et al., 2021). Insofern wird eine wichtige Aufgabe der zukünftigen Agrarforschung auch darin bestehen, Gemeinwohlleistungen zu definieren, zu quantifizieren, Maßnahmen zur Zielerreichung sowie Förderstrategien zu entwickeln, welche ökonomische Treiber, die zu Fehlentwicklungen führen, außer Kraft setzen. Im Abschnitt „Nachwachsende Rohstoffe und Bioenergie“ wurde auf die Ineffizienz der Bereitstellung von Bioenergie hingewiesen. Daher ist zu erwarten, dass sich der landwirtschaftliche Pflanzenbau weiter auf Nahrungs- (und Futter-) mittel fokussieren wird. Eine an gesunder Ernährung orientierte, konsumentennahe Produktion hätte vermutlich auch positive Auswirkungen auf die Fruchtartenvielfalt (Nicholson et al., 2021). Dies erfordert in der Pflanzenbauforschung eine stärkere Integration von landwirtschaftlichem und gartenbaulichem Pflanzenbau, aber auch von Tier- und Pflanzenproduktion.

Forschungsbedarf besteht im Pflanzenbau in Bezug auf die Definition und Bewertung von Nachhaltigkeit. Dazu sind noch einige Wissenslücken im Kontext von systemischen Rückkopplungen zwischen biogeochemischen und sozioökonomischen Prozessen zu füllen, z. B. in Bezug auf die Minderungspotenziale von THG-Emissionen. Hier besteht Forschungsbedarf bei der Ableitung von realistischen und wissenschaftlich begründbaren Potenzialen zur THG-Minderung im Pflanzenbau im Kontext möglicher Kosten und Zielkonflikte. Dazu gehört auch die wissenschaftliche Bearbeitung von bestehenden Unsicherheiten bei der Quantifizierung von Emissionsfaktoren in Abhängigkeit bestimmter Einflussfaktoren (z. B. Bodengefüge, Bodenwasserhaushalt) oder Bewirtschaftungsweisen (z. B. Agroforstsysteme). Auch sind die Auswirkungen des Klimawandels auf die Kohlenstoffzufuhr durch Wurzeln und Wurzelexsudate weitgehend unerforscht (Bolinder et al., 2007). Computergestützte, dynamische Simulationsmodelle zur Bemessung des Betriebsmitteleinsatzes (z. B. Düngung, Pflanzenschutz) unter angemessenerer Berücksichtigung des N-Nachlieferungspotenzials des Bodens sollten als Entscheidungshilfen für die Landwirtschaft weiterentwickelt und implementiert werden. Durch Simulationsmodelle kann eine Nachhaltigkeitsbewertung auf multikriterielle Analysen aufgebaut werden, die entsprechende Rückkopplungseffekte offenlegt und adäquat berücksichtigt.

Forschungsbedarf hinsichtlich der Bewertung der Nachhaltigkeit von Pflanzenproduktionssystemen ergibt sich auch aus der bislang mangelnden Vergleichbarkeit der einzelnen Instrumente zur Nachhaltigkeitsbewertung. Diese ist größtenteils in den unterschiedlichen Stakeholder-Perspektiven und Leitbildern begründet, die den verschiedenen Ansätzen zugrunde liegen. Beobachten lässt sich jedoch eine zunehmende Bedeutung der Ansätze einiger international orientierter Multistakeholder-Initiativen, welche vorwiegend von Vertretern des Handels und der verarbeitenden Industrie getragen werden, z. B. die „Cool Farm Alliance“ (Kayatz et al., 2019), „Field to Market“ (Gillum et al., 2016), “SISC” (Konefal et al., 2019), sowie an vorderster Stelle die „Sustainable Agriculture Initiative Platform (Poetz et al., 2012), die mit inzwischen weit über 100 Mitgliedsorganisationen einen großen Teil der internationalen Ernährungsindustrie vertritt.

Um ihre Akzeptanz zu fördern, arbeiten alle genannten Organisationen an einer Kreuzreferenzierung ihrer Indikatoren und Bewertungsergebnisse, z. B. SAI-Plattform und Cool Farm Alliance. Darüber hinaus setzen sie auf eine Anbindung an Ackerschlagkartei-Systeme (z. B. AgriCircle, Muddy Boots, Xarvio), um die Nachhaltigkeitsanalyse weitestgehend zu automatisieren. Da sich diese privaten Nachhaltigkeitsstandards an den Richtlinien supranationaler Organisationen wie FAO oder WBCSD orientieren, ist davon auszugehen, dass durch diesen Trend eine tatsächlich nachhaltigere Pflanzenbaupraxis vorangetrieben wird. Dieser Trend bietet eine große Chance, die Skalierung nachhaltiger Praktiken für den deutschen Kontext im Sinne der SDGs (Sustainable Development Goals) voranzutreiben. Der Schlüssel für eine produktive Nutzbarmachung des oben skizzierten Trends hin zu einer flächendeckenden nachhaltigeren Produktion liegt in der Bildung eines Konsensus-Modells der wichtigsten relevanten Bewertungsschemata für den deutschen Kontext auf wissenschaftlicher Grundlage. Wichtig ist dabei, dass Bewertungstools, die eine steuernde Funktion bei der Vergabe von Fördergeldern übernehmen sollen oder zur Erzeugung von Labels für die Vermarktung genutzt werden können, für landwirtschaftliche Betriebe sowie die dahinter geschaltete Lebensmittelkette gut handhabbar und rechtssicher sind.

Fernerkundung mit bildgebenden Verfahren wird immer häufiger eingesetzt, um Pflanzenwachstumsparameter zerstörungsfrei und zeitlich hochaufgelöst zu erfassen (Yang et al., 2017). Großer Forschungsbedarf besteht jedoch in der Interpretation der Wachstumsmuster und Ableitung funktioneller Größen in Abhängigkeit von Witterung, Kulturart und Management. Auch die Überwindung unterschiedlicher räumlicher Skalen und Auflösungen von Drohnen bis hin zu Satelliten stellt eine große Herausforderung dar (Bukowiecki et al., 2021). Derzeit ist die schlageinheitliche und im Wesentlichen jahresunspezifische Düngung immer noch gängige landwirtschaftliche Praxis, auch auf heterogenen Schlägen mit differenziertem Ertragspotenzial. Zwar stehen sensor- und satellitengestützte Düngesysteme für die teilflächenspezifische Düngung zur Verfügung, sie haben sich jedoch aus Kosten- und Praktikabilitätsgründen noch nicht in der Praxis durchgesetzt. Auf gesamtbetrieblicher Ebene gibt es leistungsfähige digitale Tools zur Bilanzierung der Nährstoffflüsse im System Boden – Pflanze – Tier – Umwelt. Mit prozessbasierten Agrarökosystem-Modellen können der Stickstoffumsatz im Boden sowie umweltrelevante Stickstoffverluste im Kontext der jeweiligen Anbausysteme modelliert werden; die schlagbzw. teilschlagspezifische Parametrisierung stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar. Hier ist die Verschmelzung von fernerkundlichen Methoden (Satellitenund drohnengestützte Bildgebung) mit mechanistischen wie auch datengetriebenen Simulationsmodellen eine vielversprechende Methode, um auf der Teilflächen-Skala bessere Entscheidungsunterstützung anbieten zu können.

Forschungsbedarf besteht im Wesentlichen in der Interpretation der umfangreichen Daten, die durch die zunehmend eingesetzte Sensorik entstehen. Eine besondere Herausforderung besteht darin, die mit unterschiedlicher Zielsetzung entwickelten digitalen Systeme besser zu vernetzen und einen effizienten Datenaustausch zu ermöglichen. Für landwirtschaftliche Unternehmen ist es derzeit nahezu unmöglich, die in unterschiedlichen digitalen Nährstoffmanagement-Tools verwalteten Daten mit vertretbarem Aufwand zusammenzuführen. Damit bleiben wichtige Informationen in Entscheidungsprozessen ungenutzt. Zugleich steigt das Datenaufkommen rasant, da z. B. durch moderne Landtechnik immer mehr Prozessdaten gewonnen werden. Erforderlich ist daher Forschung zur Koppelung von Sensorik, Datenmanagement und Modellierung, z. B. zur Ableitung fruchtartenspezifischer Vegetationsindizes und wissenschaftlich begründeter Düngealgorithmen.

Die Vernetzung der verschiedenen Akteure (öffentliche geförderte Forschung, Industrie, Beratung) auf diesem Gebiet ist ungenügend. Seitens der Industrie wurden und werden ungenügend validierte Produkte bzw. Dienstleistungen mit vergleichsweise großem Werbeaufwand als Lösungen zum betrieblichen Management auf den Markt gebracht. Nur wenige Unternehmen betreiben ernsthafte Forschungs- und Entwicklungsarbeit, da digitale Dienstleistungen bisher auch aufgrund einer mangelnden Zahlungsbereitschaft der Landwirtschaft nur als Marketinginstrument für die eigentlichen Kernprodukte gesehen werden. Die angebotenen Produkte sind häufig rein von der Datenverfügbarkeit (z.B. Sentinel II) getrieben und haben meist keinerlei Fundierung in einem Systemverständnis des Ertragsbildungssystems.

Die Verknüpfung von Wetter-, Boden-, Ertrags-, Qualitäts- und Managementdaten birgt ein großes Potential zur weiteren Optimierung der pflanzenbaulichen Produktionsverfahren. Im Hinblick auf die Verfügbarkeit öffentlicher Wetter- und Bodendaten hat es – nach langer Verzögerung – in den letzten Jahren in Deutschland wichtige Fortschritte gegeben, es besteht aber weiterer Handlungsbedarf. Aus öffentlichen Mitteln finanzierte oder teilfinanzierte Daten von Feldversuchen und Ertragsdaten (z. B. Landessortenversuche, besondere Ernteermittlung) sollten mit standardisierten Schnittstellen zentral oder dezentral öffentlich verfügbar gemacht werden.

Trotz häufig noch unzureichender Datenqualität könnten auch betrieblich erhobene Daten einen Beitrag zur wissenschaftlichen Analyse der Interaktionen zwischen Umwelt, Management und Ertragsbildung leisten. Die betriebsspezifische Kalibrierung von Prozessmodellen wird wesentlich auf solche Daten zurückgreifen müssen. Ob es gelingen kann, mit datengetriebenen Modellen (Künstliche Intelligenz) wesentlich zur Präzisierung des betrieblichen Managements beizutragen, stellt eine spannende, zurzeit aber noch unbeantwortete Frage dar. Aus pflanzenbaulicher Sicht erscheint es jedoch unwahrscheinlich, dass dies allein mit Modellen ohne zugrundeliegendes Systemverständnis gelingen wird. Jedenfalls wären interdisziplinäre Projekte zwischen Pflanzenbauern und Informatikern an der Schnittstelle von Systemverständnis und Datenauswertungskompetenz sinnvoll. Leitbetriebe können einen wichtigen Beitrag zur Implementierung und Weiterentwicklung von betrieblichen Managementwerkzeugen leisten. Sie können jedoch im Wesentlichen nur Tools umsetzen, evaluieren und ggf. weiterentwickeln, die bereits vorhanden sind.

Die Auswirkungen der Anbaustruktur in ihrer räumlichen (Anbaudiversität) und zeitlichen (Fruchtfolge) Dimension, sowie von Landschaftselementen und Agroforstkompo - nenten beispielsweise auf die Populationsentwicklung von Schaderregern und Nützlingen sowie auf die Biodiversität, lassen sich nur großräumig auf Landschaftsebene untersuchen. Entsprechende Ansätze in der Pflanzenbauforschung müssen verstärkt, und Citizen Science Angebote (Ryan et al., 2018), z. B. für das Schaderregermonitoring, aufgebaut werden. Agroforstkomponenten werden eine wichtige Rolle spielen, in der Strukturierung und Differenzierung der Agrarlandschaft, in der Vermeidung von Wind- und Wassererosion und für den Landschaftswasserhaushalt. Hierbei ist die Integration des Obstbaus als Streuobstanbau in Agroforstsysteme zu berücksichtigen (Lauri et al., 2019) und im Hinblick auf das Auftreten von Obstschädlingen zu beforschen. Der Plantagenobstbau ist derzeit der pflanzenbauliche Sektor mit dem höchsten Einsatz an csPSM (Simon et al., 2011).

Züchterischer Fortschritt ist eine wichtige Komponente pflanzenbaulicher Innovation. Durch die Sequenzierung der Genome der meisten wichtigen Nutzpflanzen und Innovationen im Bereich der pflanzlichen Molekularbiologie sind in diesem Bereich auch in der Zukunft bedeutende Fortschritte zu erwarten. Die Pflanzenbauwissenschaft sollte daher einerseits Zuchtziele für Nutzpflanzen in modernen und nachhaltigen Anbausystemen definieren und andererseits züchterische Innovationen im Kontext des pflanzenbaulichen Systems bewerten. Dies gilt auch für neue Züchtungstechniken wie etwa Genomeditierung mittels CRISPR/Cas. Die pflanzenbauliche Forschung kann die gesellschaftspolitische Diskussion um die Regulierung dieser Züchtungstechniken bereichern und damit zu einem evidenzbasierten und innovationsoffenen politischen Umfeld beitragen.

Pflanzenbau ist eine wissenschaftliche Disziplin, die sich auch aus der praktischen Anwendung definiert und dabei viele Nachbardisziplinen aus Naturwissenschaften, Sozioökonomie und Technik integriert. Dies beinhaltet, dass Pflanzenbauforschung in engem Austausch mit der landwirtschaftlichen Praxis vorangetrieben wird. Dies umfasst gegenseitiges Anregen und die Überprüfung von Hypothesen in der praktischen Anwendung. Eine moderne pflanzenbauliche Forschung schließt auch die Interaktion mit Politik und Gesellschaft ein. Der Diskurs braucht dabei Plattformen, beispielsweise in Form von Feldtagen, Messen und öffentlichen Gesprächsrunden, aber auch die landwirtschaftliche Beratung. Kernelemente dieses Austausches sind Feldversuche (Demonstrationsversuche), Forschungs- und Demonstrationsbetriebe (Leitbetriebe) sowie Landschaftsexperimente und Living Labs. Insbesondere in den letztgenannten werden Landwirte wie auch andere Interessengruppen aktiv in die Forschung eingebunden und tragen in einem gemeinsamen Entwicklungsansatz (co-creation) dazu bei, dass die pflanzenbauliche Forschung (wie auch andere Forschungszweige) für Anwendungen auf allen Ebenen relevant bleibt. Andere partizipatorische Ansätze sowie die sogenannte Begleitforschung helfen, zusätzliche Interaktio - nen zwischen den genannten Akteursgruppen zu initiieren, wo große Landschaftslabore sich nicht umsetzen lassen. Der Living-Lab-Ansatz steckt dabei jedoch noch in den Kinderschuhen und bedarf noch der fundierten Umsetzung und damit verbundener Forschung.

Grundlegend für die weitere Entwicklung nachhaltiger und produktiver Pflanzenbausysteme ist die freie Zugänglichkeit zu Daten aus Wissenschaft, Forschung und Verwaltung. Dies trägt dazu bei, dass neues Wissen schneller generiert und verbreitet wird, erhöht die Sichtbarkeit, Transparenz und Vernetzung pflanzenbaulicher Forschung, und fördert damit deren Glaubwürdigkeit und Qualität. Die hierbei weltweit geforderten FAIR-Prinzipien besagen, dass Forschungsdaten auffindbar (findable), zugänglich (accessible), interoperabel (interoperable) und wiederverwendbar (re-usable) sein sollen. Diese Prinzipien sind die Grundlage für eine disziplin- und institutionenübergreifende Nachnutzung der Daten und Voraussetzung für den oben erwähnten Aufbau von Citizen-Science Initiativen. FAIR-Prinzipien werden auf alle digitalen Daten angewendet, sowohl auf qualitative und quantitative Forschungsdaten als auch auf Metadaten oder Software.

Die Umsetzung der FAIR-Prinzipien bedarf struktureller Unterstützung wie der Bildung von allgemein zugänglichen Datenplattformen, Simulationsinfrastrukturen und Repositorien, aber auch der Verfügbarmachung von hoheitlichen Daten für die Forschung. Dabei ist insbesondere ein konzertiertes und standardisiertes gemeinsames Vorgehen der Institutionen vonnöten, die Länder- und Zuständigkeitsgrenzen überwindet, wo sie derzeit noch hinderlich sind. Open-Data-Politik kann durch vorbildhaftes Voranschreiten angeregt und ihre Akzeptanz somit verbreitet werden.

Im Abschnitt „Weiterentwicklung von Entscheidungsunterstützungssystemen“ wurde bereits auf Forschungsbedarf zur verbesserten Nutzung und Vernetzung anfallender Daten, insbesondere auch auf die Verfügbarmachung von Daten aus Landessortenversuchen und der besonderen Ernteermittlung sowie auf die zu intensivierende Zusammenarbeit zwischen Pflanzenbau und Informatik hingewiesen. Hierzu zählt auch die Modernisierung und Weiterentwicklung von Software für Versuchsplanung und –auswertung im Hinblick auf die Nutzung einer aktualisierten technologischen Basis, insbesondere von Web-Technologien, auf (kosten-)freie Verfügbarkeit und Anpassbarkeit, sowie auf ein Ontologie-basiertes FAIRes Datenmanagement. Voraussetzung für das allgemeine (auch interdisziplinäre) Verständnis von Daten ist ihre ausreichende Beschreibung mit sog. Metadaten auf der Basis vereinbarter (und maschinenlesbarer) Vokabularien (z.B. AGROVOC, FAO, 2022) und Begriffssysteme (Ontologien, Arnaud et al., 2020). Standards wie z. B. MIAPPE (Minimum Information About a Plant Phenotyping Experiment, Papoutsoglou et al., 2020) und Ontologien wie Crop Ontologies (Bioversity International, 2011), Plant Ontology (Avraham et al., 2008), Environment Ontology (Buttigieg et al., 2013), u. a. haben Relevanz für die Pflanzenbauforschung. Die Herausforderung besteht darin, diese in einen offenen Softwareentwicklungsprozess für Anwendungen zur Datenakquise und –bereitstellung zu integrieren (Germeier und Unger, 2019) und somit den Bereitstellern und Nutzern von Daten verfügbar zu machen und ein zentrales integriertes Zugangsportal für pflanzenbauwissenschaftliche Daten aufzubauen. Entsprechende Initiativen im Rahmen der Nationalen Forschungsdaten Infrastruktur wie FAIRagro (FAIRagro, 2022) sollten unterstützt werden.

Auf der Ebene der Wissenschaft ist die Verfügbarmachung von Daten über Daten- und Berichtsveröffentlichungen bereits Usus, kann jedoch weiter ausgebaut werden. Insbesondere die Berücksichtigung und Wertschätzung von Datenveröffentlichungen in Bewertungssystemen von Wissenschaft und Forschung (Evaluierungen, individuelle Performanz-Indikatoren) kann weiter gesteigert werden. Dies senkt die Hemmschwelle bei der Verfügbarmachung von Forschungsdaten und fördert die Zugänglichkeit zu hochwertigen und qualitätsgesicherten Daten. Erstverwertungsrechte und Embargofristen können durch pre-print Veröffentlichungen sichergestellt werden. Im Zuge der Etablierung von internationalen Forschungsnetzwerken hat sich der Vorteil der öffentlichen Verfügbarmachung von Daten für die Forschungsgemeinde als vorteilhaft erwiesen, da dadurch weitere Quellen von Kreativität und Wissen angezapft und nutzbar gemacht werden. Die sich entwickelnde Kultur des Teilens zum Wohle aller sollte weiter gefördert werden.