Technische Universität München

Pressure- und State-Indikatoren zur Biodiversität

und ihre Einbindung in betriebliche

Nachhaltigkeitsmanagementsysteme

K.-J. Hülsbergen, N. Siebrecht & S. Wolfrum

Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme

Gliederung

Systemebene Betrieb

Modellierung von Betriebssystemen

Agrobiodiversität

Indikatoren, Bewertungsfunktionen, Einbindung in Managementsysteme

Ergebnisse und Anwendungsgebiete

Betriebsanalysen, Nachhaltigkeitsmanagement

Schlussfolgerungen und Ausblick

Weiterentwicklung und Validierung des Modells

Modell eines hierarchisch organisierten Systemsmit drei Integrationsebenen (nach ODUM)

InputsOutputsInputsOutputs

Nitrogen cycle of the organic farming system Scheyern(kg N ha-1 a-1) Küstermann, Christen & Hülsbergen (2010): Agric., Ecosys.& Environm. 135, 70-80.

Inputs OutputsOn-farm nitrogen fluxes

151

N removal

Plant18

Straw / Green manure

91

FYM, slurry

Yield

N2 fixation

N deposition

60

16

4

Animals

Forage, straw

34

138

Forage, straw

20

Soil

Δ SON

24N surplus Leaching

4

Denitrification

9

NH3

11

24

Cash products

9

Conservation lossesConservation losses

9

19

9

Cash products

NH3

10

Conservation losses

FYM/slurry

5

Tier

124

Bewertungsfunktion des Indikators „N-Saldo“

Leistung

1,00

0,75

0,50

0,25

0

-50 150

N-Saldo (kg N ha-1)

0 50 100

Hydrologische Modellierung

Versuchsstation Scheyern (Siebrecht 2010)

Potenzielle Bodenabträge durch Wassererosion

Versuchsstation Scheyern (Siebrecht 2010)

Nachhaltige landwirtschaftliche Produktion

Zertifikat der Deutschen Landwirtschafts-Gesellschaft (DLG)

Umstellung auf Ökolandbau und zu erwartende EffekteBetriebliche Fallstudie: Ökohof Seeben (nördlich von Halle/Saale)

Pflanzenschutz

keine chemisch-synthetischen PSM

Unkrautregulierung

keine Herbizide, mechanische Verfahren

Bodenbearbeitung

strukturschonende Bearbeitung

Pro

du

ktio

nsv

erfah

ren

Stoffkreislauf

kein Mineral-NPK, gute Humusversorgung

Tierhaltung

artgerechte Haltung,optimaler Tierbesatz

Fruchtfolge

hohe Fruchtartendiversität, Leguminosen

Flurgestaltung

verkleinerte Schläge, Anlage von HeckenBetrieb

sstruk

tur

artenreiche Zoozönose

erhöhte Diversität und Abundanz

vielfältige Segetalflora

erhöhte Diversität und Abundanz

erhöhte Selbstregulation

Nützlingsschonung

bio

tische R

essou

rcen

geringerer Energieeinsatz

verminderte CO2-Emission

reduzierte Emissionen

geringe NO3--, CH4-, NH3-Emissionen

verminderte Erosion

reduzierte Wind- und Wassererosion

ab

iotisch

e Resso

urcen

hohe Bodenfruchtbarkeit

optimale Humusgehalte, biolog. Aktivität

Artenspektrum und Abundanz adulter Regenwürmer (1994)auf Testflächen des Ökohofes Seeben (PAPAJA & HÜLSBERGEN 2000)

1 2 3 4 5 6 9 12 16 17 18 7 8 10 11 13 14 15 19 20 22 23 240

20

40

60

80

100

120

140

160

A.chlorotica A.rosea A.caliginosa L.terrestris O.cyaneum O.tyrtaeum

Adulte Individuen/m²

Ehemalige Obstflächen Langjährige Ackerflächen Grünland

1 2 3 4 5 6 9 12 16 17 18 7 8 10 11 13 14 15 19 20 22 23 240

20

40

60

80

100

120

140

160

A.chlorotica A.rosea A.caliginosa L.terrestris O.cyaneum O.tyrtaeum

Adulte Individuen/m²

Ehemalige Obstflächen Langjährige Ackerflächen Grünland

Artenspektrum und Abundanz adulter Regenwürmer (1998)auf Testflächen des Ökohofes Seeben (PAPAJA & HÜLSBERGEN 2000)

Entwicklung von Regenwurmpopulationen auf

Praxisschlägen (PAPAJA & HÜLSBERGEN 2000)

Schlag Nr. 19 (Gasthofsbreite, oben)

0

30

60

90

120

150

180

0

100

200

300

400

500

600

94 F 94 H 95 F 95 H 96 F 96 H 97 F 97 H 98 F

Abundanz

Biomasse

Ab

un

dan

z(I

ndiv

iduen/m

2)

Bio

masse (

g/m

2)

Verteilung von Brutpaaren der Feldlerche Alauda arvensis

auf Flächen des Ökohofes Seeben (FUCHS 2000)

1994

1998

Verteilung von Brutpaaren des Neuntöters Lanius collurio

auf Flächen des Ökohofes Seeben (FUCHS 2000)

1994

1998

Beispiel für eine „reich strukturierte“ Agrarlandschaft

Beispiel für eine „ausgeräumte“ Agrarlandschaft

Indikatoren der Biodiversität

Die Verwendung von State-Indikatoren zur

Biodiversität ist mit methodischen Problemen verbunden:

Einflüsse der Landwirtschaft auf die Biodiversität zeigen sich

erst mit Zeitverzug und werden durch natürliche Schwankungen,

Jahres- und Witterungseinflüsse überlagert.

Einmalige Untersuchungen von Indikatorarten sind daher

wenig aussagefähig.

Lokale Besonderheiten und die Bewirtschaftungsvorgeschichte

beeinflussen in hohem Maße die Ergebnisse. So kann in

klimatischen Gunstlagen bzw. in einer reich strukturierten

Landschaft eine hohe Biodiversität auftreten, die an anderen

Standorten auch bei optimaler Flächennutzung nicht erreichbar ist.

Pressure-Indikator

Maßnahmen

Schnittanzahl

Überrollhäufigkeit

Strukturen

Sortendiversität

Fruchtartendiversität

Fruchtgr.diversität

Anteil biod. Fr.arten

Durchs. Schlaggröße

Randlängendichte

Inputs

Anteil LF o. PS-Maßn.

Durchs. Gefahrenkl.

Düngungsniveau

Anteil org. Dünger

Fauna (Taxa Klassen)

Amphibia

Reptilia

Aves

Mammalia

Insecta

Coleoptera

Hymenoptera

Lepidoptera

…

Gastropoda

Arachnida

Collembola

Flora (Taxa Klassen)

Dicotyledoneae

Monocotyledoneae

Ranunculidae

Caryophyllidae

…

Orchidales

Lillidae

…

State-Indikator

AF mit Klärschlamm

Abiot. Wirkungen

Verdichtung

Phys. Beeinträchtig.

Störungen

Flächenbedarf

Flächenzerschneidung

Versauerung

Eutrophierung

Toxizität

Emissionen

Desertifikation

Erosion

Versalzung

Vitalität

Nahrungsangebot

Habitatgröße

Habitatqualität

Population

Abundanz

Konkurrenz

Prädation

Migration/Immigration

Natalität/Mortalität

Biotische Wirkungen

Nahrungsqualität

Energieinput

Wirkungen?

Maßnahmen

Schnittanzahl

Überrollhäufigkeit

Strukturen

Sortendiversität

Fruchtartendiversität

Fruchtgr.diversität

Anteil biod. Fr.arten

Durchs. Schlaggröße

Randlängendichte

Inputs

Anteil LF o. PS-Maßn.

Durchs. Gefahrenkl.

Düngungsniveau

Anteil org. Dünger

Fauna (Taxa Klassen)

Amphibia

Reptilia

Aves

Mammalia

Insecta

Coleoptera

Hymenoptera

Lepidoptera

…

Gastropoda

Arachnida

Collembola

Flora (Taxa Klassen)

Dicotyledoneae

Monocotyledoneae

Ranunculidae

Caryophyllidae

…

Orchidales

Lillidae

…

State-IndikatorAbiot. Wirkungen

Verdichtung

Phys. Beeinträchtig.

Störungen

Flächenbedarf

Flächenzerschneidung

Versauerung

Eutrophierung

Toxizität

Emissionen

Desertifikation

Erosion

Vitalität

Nahrungsangebot

Habitatgröße

Habitatqualität

Population

Abundanz

Konkurrenz

Prädation

Migration/Immigration

Natalität/Mortalität

Biotische Wirkungen

AF mit Klärschlamm

Versalzung

Nahrungsqualität

Energieinput

Durchs. Schlaggröße

Pressure-Indikator

Maßnahmen

Schnittanzahl

Überrollhäufigkeit

Strukturen

Sortendiversität

Fruchtartendiversität

Fruchtgr.diversität

Anteil biod. Fr.arten

Durchs. Schlaggröße

Randlängendichte

Inputs

Anteil LF o. PS-Maßn.

Durchs. Gefahrenkl.

Düngungsniveau

Anteil org. Dünger

Fauna (Taxa Klassen)

Amphibia

Reptilia

Aves

Mammalia

Insecta

Coleoptera

Hymenoptera

Lepidoptera

…

Gastropoda

Arachnida

Collembola

Flora (Taxa Klassen)

Dicotyledoneae

Monocotyledoneae

Ranunculidae

Caryophyllidae

…

Orchidales

Lillidae

…

State-IndikatorAbiot. Wirkungen

Verdichtung

Phys. Beeinträchtig.

Störungen

Flächenbedarf

Flächenzerschneidung

Versauerung

Eutrophierung

Toxizität

Emissionen

Desertifikation

Erosion

Vitalität

Nahrungsangebot

Habitatgröße

Habitatqualität

Population

Abundanz

Konkurrenz

Prädation

Migration/Immigration

Natalität/Mortalität

Biotische Wirkungen

AF mit Klärschlamm

Versalzung

Nahrungsqualität

Energieinput

Schnittanzahl

Pressure-Indikator

Maßnahmen

Schnittanzahl

Überrollhäufigkeit

Strukturen

Sortendiversität

Fruchtartendiversität

Fruchtgr.diversität

Anteil biod. Fr.arten

Durchs. Schlaggröße

Randlängendichte

Inputs

Anteil LF o. PS-Maßn.

Durchs. Gefahrenkl.

Düngungsniveau

Anteil org. Dünger

Fauna (Taxa Klassen)

Amphibia

Reptilia

Aves

Mammalia

Insecta

Coleoptera

Hymenoptera

Lepidoptera

…

Gastropoda

Arachnida

Collembola

Flora (Taxa Klassen)

Dicotyledoneae

Monocotyledoneae

Ranunculidae

Caryophyllidae

…

Orchidales

Lillidae

…

State-IndikatorAbiot. Wirkungen

Verdichtung

Phys. Beeinträchtig.

Störungen

Flächenbedarf

Flächenzerschneidung

Versauerung

Eutrophierung

Toxizität

Emissionen

Desertifikation

Erosion

Vitalität

Nahrungsangebot

Habitatgröße

Habitatqualität

Populationsgröße

Abundanz

Konkurrenz

Prädation

Migration/Immigration

Natalität/Mortalität

Biotische Wirkungen

AF mit Klärschlamm

Versalzung

Nahrungsqualität

Energieinput

Pressure-Indikator

Biodiversitätspotenzial und Landschaftspflegeleistung

Gute fachliche Praxis Honorierbare Leistungen

Betriebsstruktur

Inputs

Verfahrensgestaltung

Potenzielle Wirkungen

auf die Biodiversität

Wirkungen landwirtschaftlicher Produktionssysteme

Biodiversitätsfördernde Maßnahmen

(z.B. Grünlandextensivierung

und Vertragsnaturschutz)

Orientierung an

Agrarumweltprogrammen

Biodiversitätspotenzial und Landschaftspflegeleistung

Biodiversitätspotenzial Landschaftspflegeleistung

Betriebsstruktur

Inputs

Verfahrensgestaltung

Potenzielle Wirkungen

auf die Biodiversität

Wirkungen landwirtschaftlicher Produktionssysteme

Biodiversitätsfördernde Maßnahmen

(z.B. Grünlandextensivierung

und Vertragsnaturschutz)

Orientierung an

Agrarumweltprogrammen

Biodiversitätspotenzial – Parameter

Strukturen Inputs Maßnahmen

Betriebsstrukturen

- Nutzungsstruktur

Biotop- und Nischen-

angebot

- Anbaustruktur

Anbauspektrum und

Kulturarteneinflüsse

- Flächenstruktur

Vorkommen von

Restflächen / Ökotonen

Stoffeinträge

- Intensität der Düngung

(Eutrophierung)

- Intensität des

Pflanzenschutzmittel-

einsatzes

- Biotopqualität und

Standortveränderung

Mechanisch-physikalische

Effekte, Störungen und

Nischenangebote

- Maßnahmenhäufigkeit

und -intensität

- Gleichförmigkeit von

Maßnahmen

- Biotop- und

Nischenangebot

Biodiversitätspotenzial – Nutzungs- und Anbaustruktur

I

II

III

IV

Analyse (Nutzungs- und Anbaustruktur)

Betriebsfläche

Ackerland Grünland

Getreide Leguminosen

Hafer Winterweizen

CapoBussard …

SHI

0,6

0,9

2,2

0,4

x 0,4

x 0,3

x 0,2

x 0,1

W WE

0,24

0,27

0,44

0,99Indikatorwert:

… …

… …

… … 0,04

%

60/40

90/10

1/5/..

5/7/..

+

+

+

Detaillierte Analyse der Anbaustruktur (Fruchtartendiversität)

Biodiversitätspotenzial – Nutzungs- und Anbaustruktur

I

II

III

IV

Analyse (Nutzungs- und Anbaustruktur)

Betriebsfläche

Ackerland Grünland

Getreide Leguminosen

Hafer Winterweizen

CapoBussard …

SHI

0,6

0,9

2,2

0,4

x 0,4

x 0,3

x 0,2

x 0,1

W WE

0,24

0,27

0,44

Indikatorwert:

… …

… …

… … 0,04

%

60/40

90/10

1/5/..

5/7/..

+

+

+

Detaillierte Analyse der Anbaustruktur (Fruchtartendiversität)

1,51,00,50

Nutzungs- und Anbaudiversität (Index)

1

0,75

0,5

0

0,25

Leistung

0,99

Dependence of the carabid population on the number of cultivated crops

Heyer, Hülsbergen, Wittmann, Papaja, Christen (2003): Agric., Ecosys.& Environm. 98, 453-461.

Number of species

Number of cultivated crops

best case

worst case

Gewinn aus der Pflanzenproduktion in Abhängigkeit von

der Zahl der Früchte in einer Fruchtfolge (KUHLMANN 1990)

Gewinn

Zahl der Früchte in der Fruchtfolge

-10 0 10 20 30 40 50 60 70

Winterweizen (% der Ackerfläche)

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

Fru

ch

tart

en

div

ers

ität

(In

de

x) Konventioneller Landbau

Ökologischer Landbau

Fruchtartendiversität von Betriebssystemen

-10 0 10 20 30 40 50 60 70

Winterweizen (% der Ackerfläche)

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

Fru

ch

tart

en

div

ers

ität

(In

de

x) Konventioneller Landbau

Ökologischer Landbau

Fruchtartendiversität von Betriebssystemen

Fruchtartendiversität von Betriebssystemen

-10 0 10 20 30 40 50 60 70

Winterweizen (% der Ackerfläche)

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

Fru

ch

tart

en

div

ers

ität

(In

de

x) Konventioneller Landbau

Ökologischer Landbau

Root distribution pattern of species used in a grass-clover mixture

_________________________________________________

Braun M., Schmid H., Grundler T. & Hülsbergen, K.-J. (2010):

Plant Biosystems 144, 414-419.

Biodiversitätspotenzial, Betriebsvergleich

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

SI SO Duo Tho Hao Vho

Be

we

rtu

ng

Nutzungs- u. Anbaudiversität

Schlaggröße

Randlänge

Variationskoeffizient Schlaggr.

Anteil der LF o. PSM

Düngungsintensität

Gesamtbehandlungsindex

VerfahrensdiversitätBodenbearbeitung

Verfahrensdiversität Ernte

Nutzungshäufigkeit

Überrolläufigkeit

Landschaftspflegeleistung, Betriebsvergleich

0,40

0,070,03

0,390,40

0,40

0,02

0,10

0,10

0,04

0,050,05

0,04

0,06

0,06

0,08

0,090,06

0,08

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

SI SO Duo Tho Hao Vho

Be

we

rtu

ng

Anteil ÖLV (%)

Anteil pfluglose Bodenbearbeitung (%)

Anteil Ackerrandstreifen und Brache (%)

Anteil extensiv bewirtschaftete Fläche (% LN)

Pressure- und State-Indikatoren, Versuchsgut ScheyernEntwicklung nach der Umstellung auf ökologischen Landbau

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003

Pressure

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

State

Biodiversitätpotenzial Landschaftspflegeleistung Brutvögel Segetalflora

Ind

ikato

rwert

Re

lati

v z

um

Re

fere

nzzu

sta

nd

Klimawirkungen und Nachhaltigkeit von Landbausystemen

– Untersuchungen in einem Netzwerk von Pilotbetrieben

Pilotbetrieb, ökologischer Landbau

Pilotbetrieb, konventioneller Landbau

Versuchsstation

Prinzipskizze zur Lage benachbarter ökologischer und

konventioneller Testflächen in Pilotbetrieben

a b

c d

a b

c d

Konventionelle Fläche

Ökologische Fläche

Umweltmanagement in der Wertschöpfungskette Brot

Hofpfisterei

Betrieb 1

Betrieb 2

Betrieb ...

Betrieb 30

Meyermühle

Landshut

Filiale 1

Filiale 2

Filiale 3

Filiale n

Umweltbewertung landwirtschaftlicher Betriebe

im Rahmen der Produktökobilanz „Brot“

Biodiversität in Wertschöpfungsketten – Kooperationspartner

Hofpfisterei / Meyermühle / Naturland

REWE / Glockenbäckerei

HIPP

AOEL

…

Indikatoren der Biodiversität

Die Kenntnisse über Wechselbeziehungen zwischen

Bewirtschaftungsmaßnahmen abiotischer und biotischer Umwelt

sind nicht ausreichend, um die Folgen von Eingriffen auf die

Biodiversität in Modellen umfassend beschreiben zu können.

Die Erfassung von Indikatorarten setzt Spezialkenntnisse

voraus und erfordert erhebliche Aufwendungen; aus Zeit- und

Kostengründen kann dies nur in Ausnahmefällen erfolgen.

Für Indikatoren zur Biodiversität werden regionsbezogene

Zielwerte benötigt, wenn man eine Bewertung als SOLL-IST-

Vergleich vornehmen will. Es ist fraglich, ob für häufig verwendete

Indikatoren wie Laufkäfer oder Regenwürmer standortdifferenzierte

Zielwerte ableitbar sind.

Da Zielkonflikte auftreten können; muss eine Harmonisierung und

Wichtung der oft differenten Zielvorstellungen erfolgen.

N2O Emissionen im Energiepflanzen-Fruchtfolgeversuch

Viehhausen (Peter, Schmid, Munch & Hülsbergen 2010)

0

100

200

300

400

500

600

01.05.09 21.05.09 10.06.09 30.06.09 20.07.09 09.08.09 29.08.09

Messzeitpunkt

µg

N2O

-N m

-2 h

-1

Kleegras

Winterweizen mit Gülle

Winterweizen ohne Gülle

Wurzeln im Unterboden (100 cm Tiefe) an Klüften und

in Regenwurmröhren (M. Braun 2008)

Fruchtartendiversität beim Energiepflanzenanbau

Konzentrierter Maisanbau

Maissorten für Biogasnutzung

80 % Mais Anteil an den

NawaRos zur Biogaserzeugung

oder Artenreiche Biogas-Fruchtfolge

Konzept zur Weiterentwicklung und Validierung

BIOBIOPilotbetriebe

- 40 konv. + 40 ökol. Pilotbetriebe

- Detaillierte Bewirtschaftungsdaten

- Testflächen und Parameter

- 10 konv. + 10 ökol. Betriebe

- abgestimmte State-Indikatoren

- Definierte Methoden

BioVal

State-

Indikatoren

Driving-

Force-

Indikatoren

Ursache-

Wirkungsbeziehungen

Landwirtschaft & Biodiversität

Datensatz

Auswertung

Schlagkonturen, Versuchsstation Thalhausen der TUM

Schlagkonturen, Versuchsstation Viehhausen der TUM

Monitoringflächen in Pilotbetrieben

a b

c d

Messparameter Boden

Corg, Chwl, Cmik, P, bodenphys. Parameter

Messparameter Pflanzen

Ertrag, Bestandesparameter, Inhaltsstoffe

Bewirtschaftungsdaten

Modelldaten (Humus- und Nährstoffbilanzen)

AgrobiodiversitätIndikatoren, Bewertungsfunktionen, Einbindung in Managementsysteme

Räumliche Verteilung von Cirsium arvense

auf einem Ackerschlag (DAMMER & WITTMANN 2000)

Räumliche Verteilung von Cirsium arvense

auf einem Ackerschlag (DAMMER & WITTMANN 2000)