In Zeiten des Klimawandels und vor dem Hintergrund intensiver Tierhaltung und Biogasproduktion in Deutschland gewinnen Treibhausgas (THG)-Emissionen und Stickstoff (N)-Verluste in der Silomaisproduktion, insbesondere beim Einsatz organischer Düngemittel zunehmend an Bedeutung. Ziel dieser Studie war es daher, den THG-Ausstoß für die Silomaisproduktion in einer Region Südwestdeutschlands auf einem für diese Region typischen mittelschweren Boden zu quantifizieren und anhand unterschiedlicher Düngungsstrategien klimafreundliche Methoden mit möglichst geringem CO2-Fußabdruck herauszustellen. Zur Quantifizierung der THG-Bilanzen von Silomais mit unterschiedlichen Reduktionsansätzen, wurden durchgehend über zwei Jahre hinweg mindestens einmal wöchentlich Lachgas (N2O)- und Methan (CH4)-Flüsse gemessen. Zudem wurden indirekte N2O Emissionen (Ammoniak (NH3), Nitrat (NO3-)) erfasst oder geschätzt sowie Silomaiserträge und N-Abfuhren ermittelt. Jedes der beiden Versuchsjahre beinhaltete folgende Basis-Behandlungen: ungedüngte Kontrolle (CON), mineralische Düngung (MIN), Rindergülleapplikation mittels Schleppschlauch und anschließender Einarbeitung (INC) und Rindergülleinjektion (INJ). Im Gegensatz zur oberflächigen Gülleapplikation mit breitflächiger Einarbeitung ist die Gülleinjektion dafür bekannt, NH3-Verluste durch die direkte Platzierung in den Boden effektiver zu mindern, im Gegenzug allerdings die N2O-Bildung zu erhöhen. Um die vermehrte N2O-Produktion dieser Applikationstechnik zu vermindern, wurde der Einsatz sechs verschiedener Nitrifikationsinhibitoren (NIs) zur strategischen THG-Minderung zusätzlich untersucht. Abgesehen von einer INJ-Variante mit NI, die im zweiten Jahr durch eine zusätzliche INC-Variante mit NI ersetzt wurde, wurden alle übrigen Behandlungen in beiden Jahren untersucht. Für die abschließende Bewertung der getesteten Düngungsstrategien wurden die zur THG-Bilanz beitragenden Posten in CO2-Äquivalente umgewandelt und auf Flächen- oder Ertragseinheiten bezogen. Hierbei wurden direkte und indirekte N2O-Emissionen (NH3, NO3-), CH4-Budget, Vorketten-Emissionen für die Mineraldüngerbereitstellung und der Dieselverbrauch für Feldmaßnahmen berücksichtigt. Die Höhe der NH3-Emissionen der INC-Behandlung (12-23 % des gedüngten NH4+-N) war stärker von den Witterungsverhältnissen abhängig als die der INJ-Behandlung (12-15 % des gedüngten NH4+-N). Kumulative N2O-Emissionen der Gülleinjektion betrugen im Mittel über beide Jahre 13.8 kg N2O-N ha-1 Jahr-1 und lagen damit signifikant über dem Mittel der CON-, MIN-, oder INC-Behandlung, die Emissionen in Höhe von 2.8, 4.7 und 4.4 kg N2O-N ha-1 Jahr-1 verzeichneten. Der Einsatz von NIs reduzierte die jährlichen N2O-Emissionen der Gülleinjektion im Durchschnitt über alle NIs und Jahre um 36 % und machte die Gülleinjektion mit der INC-Behandlung somit vergleichbar. Innerhalb dieser Studie konnten die verwendeten NIs tendenziell in zwei Gruppen eingeteilt werden. Eine Gruppe mit vermeintlich geringerer Persistenz und früherem Inhibierungsmaximum im Boden und eine Gruppe, deren Substanzen ihre volle Wirkung erst zu einem späteren Zeitpunkt entfalteten. Welche Gruppe eine vermeintlich höhere Inhibierungswirkung aufwies, hing stark von den Umweltbedingungen des jeweiligen Versuchsjahres ab. Die INJ-Variante, die sowohl ein NI mit früherem und späterem Inhibierungsmaximum enthielt, verzeichnete tendenziell das höchste N2O-Reduktionspotential. Für die zusätzliche INC-Behandlung mit NI, wurde ebenfalls diese Wirkstoffkombination angewendet, sie erzielte eine N2O-Reduktion von 20 % im Vergleich zur Gülleeinarbeitung ohne Hemmstoff. Der Einsatz von NIs stellte sich auch für das CH4-Budget als vorteilhaft heraus. Die Behandlungen CON, MIN und INC zeigten in beiden Jahren eine Netto-CH4-Aufnahme mit durchschnittlich 460, 127 und 793 g CH4-C ha-1 Jahr-1. Im Gegensatz dazu führte eine Gülleinjektion in beiden Jahren zu Netto-CH4-Emissionen mit durchschnittlich 3144 g CH4-C ha-1 Jahr-1. Der Einsatz von NIs reduzierte die Höhe dieser CH4-Emissionen allerdings um rund die Hälfte. Außerdem führte eine inhibierte Nitrifikation bei breitflächiger Gülleeinarbeitung tendenziell zur Erhöhung der CH4-Aufnahme um 20 %. Die direkten N2O-Emissionen hatten, unabhängig von Behandlung oder Jahr, den größten Anteil an der THG-Bilanz. Die geringste ertragsbezogene THG-Bilanz ergab sich für die Variante CON, gefolgt von INC oder MIN, die höchste ergab sich für die INJ-Variante. Allerdings konnten die rein auf die Düngungsmaßnahme bezogenen THG-Emissionen der Gülleinjektion durch den Einsatz von NIs im Mittel über beide Jahre auf ein THG-Niveau abgesenkt werden, das mit der breitflächigen Gülleeinarbeitung vergleichbar war. Somit stellte sich neben einer mineralischen oder oberflächigen Gülleapplikation mit möglichst zeitnaher Einarbeitung, auch die Gülleinjektion als vergleichsweise THG-freundliche Applikationstechnik heraus, vorausgesetzt einer der empfohlenen NIs wurde vorab zugegeben.

Lachgas ist nach Kohlendioxid und Methan das drittwichtigste klimawirksame Spurengas in der Atmosphäre. N2O ist am Treibhauseffekt, sowie am Ozonabbau beteiligt. Der größte Anteil der anthropogenen N2O-Emissionen wird durch die Landwirtschaft verursacht, hier hauptsächlich durch den Einsatz von Stickstoffdüngern. Stickstoff (N) in unterschiedlichen Verbindungen, ist das Ausgangssubstrat aller N2O bildenden Prozesse in Böden. Die wichtigsten Prozesse sind hierbei die Nitrifikation und die Denitrifikation. Verschiedene Steuergrößen wie beispielsweise die Niederschlagsintensität, Bodenart, Bodenbearbeitung, sowie Ernterückstände, beeinflussen die Größenordnung der gebildeten N2O-Emissionen. Die Bewirtschaftung beeinflusst jedoch nicht nur die Bildung von N2O während der Vegetationsperiode, sondern hat auch Auswirkungen auf die drauffolgenden Nachernteemissionen. In Deutschland können Winteremissionen bis zu 50 % der gesamten N2O-Jahresemission betragen. Dies macht deutlich, wie bedeutend ganzjährige Messkampagnen für eine aussagekräftige Klimawirksamkeit von Anbausystemen sind. Winterraps (Brassica napus L.) ist der wichtigste Rohstoff für die Biodieselproduktion in Deutschland. Die im Jahr 2009 von der Europäische Union verabschiedete Richtlinie für erneuerbare Energie (Renewable Energy Directive; RED, 2009), zählt zu den wichtigsten Nachhaltigkeitsbestimmungen rund um die Produktion von Biokraftstoffen. In dieser Richtlinie erfolgte unter anderem die Festlegung, dass Biodiesel ab 2018 gegenüber fossilen Brennstoffen ein Treibhausgasminderungspotential von mind. 50 % aufweisen muss. Mehr als die Hälfte der Treibhausgase in der Biodieselherstellung entstehen während der Rohstoffproduktion in der Landwirtschaft, N2O kann bis zu 88 % daran beteiligt sein (Hoefnagels et al., 2010). Winterraps ist im Vergleich zu anderen Kulturpflanzenarten durch einen hohen Stickstoffbedarf charakterisiert. Durch eine ungünstige N–Ausnutzung besteht überdies ein besonderes Risiko von Umweltbelastungen durch N–Austräge in die Umwelt. In der Literatur werden von Stickstoffüberschüssen bis zu 90 kg N ha-1 berichtet, welche ein hohes Potential für N2O– Emissionen, sowie Nitratauswaschung darstellen. Eine weitere potenzielle Quelle für Lachgasemissionen bilden die auf dem Feld zurück belassenen Ernterückstände.

In dieser Studie wird der Einfluss der Stickstoffdüngung (mineralisch und organisch), Nitrifikationsinhibitoren (zu mineralischem und organischem N-Dünger), Ernterückständen und Bodenbearbeitung auf direkte N2O-Emissionen, Ertrag und der Bodenstickstoffdynamik im Rapsanbau untersucht. Über drei Jahre hinweg wurden in mindestens wöchentlichen Abständen an fünf verschiedenen Standorten in Deutschland N2O-Flussraten in Winterraps, so wie in den Folgekulturen Winterweizen und Wintergerste, gemessen. An den jeweiligen Standorten wurde ein Parzellenversuch mit einheitlichen Versuchsvarianten angelegt, an welchen der Einfluss von unterschiedlicher Stickstoffmenge als Mineraldünger auf annuelle N2O–Emissionen untersucht wurde. Zusätzlich wurden Untersuchungsvarianten zur organischen Düngung (Gärsubstrat) mit und ohne Nitrifikationshemmstoff (NI) angelegt. Am Standort Hohenheim (Versuchsstation Ihinger Hof) wurden ergänzend Versuche mit Ernterückständen mittels 15N-Isotopentracer durchgeführt. Zudem wurde der Einfluss eines NI zur mineralischen Düngung und der Einfluss der Bodenbearbeitung auf N2O–Emissionen untersucht.

Die N2O–Flussraten der Standorte zeigten über die Studie hinweg eine hohe räumliche und zeitliche Variabilität. Erhöhte Flüsse wurden häufig nach der Düngung in Zusammenhang mit Niederschlagsereignissen gemessen. Auch in den ersten sechs Wochen der Nachernteperiode wurden vielfach erhöhte N2O-Raten nach Niederschlag gemessen. Während dieses Zeitraums waren die Nitratgehalte des Oberbodens allgemein erhöht. Innerhalb der Projektlaufzeit wurden an keinem Standort nennenswerte Frost-Tau-induzierte N2O–Emissionen beobachtet. Allgemein waren die gemessenen N2O–Flussraten der gesamten Studie niedrig. Über alle Standorte hinweg konnte ein Effekt der Düngung nachgewiesen werden. Am Standort Merbitz (toniger Boden) wurden die höchsten, an den sandigen Standorten Berge und Dedelow die niedrigsten Flussraten gemessen. Eine Ausnahme stellte der Standort Hohenschulen, welcher trotz hohem Sandanteil, deutlich höhere N2O–Emissionen aufwies als die übrigen sandigen Standorte. Die erhobenen düngerinduzierten N2O-Emissionen wurden in ein bestehendes Modell (Walter et al. 2015) implementiert, wodurch ein neuer Emissionsfaktor für Winterraps berechnet werden konnte. Bei einer Düngermenge von 200 kg N ha-1 ermittelte das Exponentialmodell einen düngerbezogenen Emissionsfaktor von 0,6 %. Dieser Wert liegt innerhalb des Unsicherheitsbereichs (0,3 % – 3,0 %) des IPCC Emissionsfaktor EF1, liegt jedoch 40 % niedriger als der vom IPCC ausgegebene Standardwert von 1 %.