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Schlussbericht: DeltAdapt – Nachhaltige Anpassung küstennaher Agrar-Ökosysteme an zunehmende Versalzung – TP FZJ

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Verbundvorhaben

Bioökonomie International: DeltAdapt – Nachhaltige Anpassung küstennaher Agrar-Ökosysteme an zunehmende Versalzung

TP FZJ

Schlussbericht

Förderkennzeichen: 031A287C Zuwendungsempfänger: Forschungszentrum Jülich GmbH 52425 Jülich Ausführende Stelle: Forschungszentrum Jülich GmbH Institut für Bio- und Geowissenschaften Agrosphäre (IBG-3) Wilhelm-Johnen-Straße 52425 Jülich Projektleiter: Prof. Dr. Nicolas Brüggemann [email protected] 02461-61-8643 (Telefon) 02461-61-1970 (Fax) Laufzeit & Berichtszeitraum: 01.10.2014 – 30.09.2017

Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „Bioökonomie International“ innerhalb der Nationalen Forschungsstrategie Bioökonomie 2030 des BMBF.

mailto:[email protected]



I. Kurzdarstellung

I.1 Aufgabenstellung

Die beiden Untersuchungsgebiete des Vorhabens (Red River und Mekong Delta) stellen für Vietnam volkswirtschaftlich und ökologisch sehr bedeutende Regionen dar, da sie einen erheblichen Beitrag zur Nahrungssicherung und zum Export des Landes sowie zur Reinhaltung küstennaher Gewässer leisten. Ziel des Verbundvorhabens waren Untersuchungen zur sozio-ökologisch nachhaltigen Bewirtschaftung küstennaher Agrarökosysteme in den Deltas des Mekong und des Red River, Vietnam, und die Suche nach Anpassungsmöglichkeiten an zunehmende Salinität, Klimawandel und Bevölkerungswachstum. Der Fokus lag auf Veränderungen der Bewirtschaftung von reinem Reisanbau zu Reis-Krabben-Wirtschaft bis hin zur reinen Aquakultur, die erhebliche Auswirkungen auf Bodenqualität, Biodiversität, Klima und die Lebensgrundlage der Menschen haben. Insbesondere war es das Ziel, Managementoptionen zu entwickeln, die es den Bauern ermöglichen, den anhaltenden Verlust von Oberboden und Bodenfruchtbarkeit aufzuhalten und umzukehren.

Das spezifische Ziel des Teilprojektes FZJ war es, die Gesamt-THG-Flüsse (CO2, N2O, CH4) und Nitratausträge sowie deren Veränderungen als Reaktion auf Landnutzungs-, Management- und Bodenabbaumaßnahmen sowie zunehmenden Salzwassereinfluss in den beiden Zielgebieten (Deltagebiete des Mekong und des Red River) zu quantifizieren. Die Arbeiten in diesem Teilprojekt zielten darauf ab, die derzeitige Bewirtschaftung hinsichtlich ihrer Nachhaltigkeit und ihrer Klimawirksamkeit zu bewerten und zukünftige Bewirtschaftungsstrategien bei gleichzeitiger langfristiger Sicherung der Bodenfruchtbarkeit sowie der Minimierung der Nährstoffüberschüsse und des Treibhausgasausstoßes zu optimieren, um die Lebensgrundlage der Bevölkerung in dieser Region dauerhaft zu sichern und die Rückwirkung auf das globale Klima zu minimieren.

I.2. Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde

Die Gesamt-THG-Bilanz des jeweiligen Systems ermöglicht eine Einschätzung, ob ein spezifisches System eine negative oder positive Rückkopplung auf den Klimawandel hat. Die THG-Emissionen in den Untersuchungsgebieten wurden mit der statischen Kammertechnik mit anschließendem Probentransport nach Deutschland und gaschromatographischer Analyse im Labor gemessen. Der Nitrataustrag wurde über in den Boden unter der Wurzelzone der Pflanzen eingebrachte Ionentauscher quantifiziert. Zusätzlich wurden in begleitenden Gewächshaus- und Laborexperimenten die Wechselwirkungen des Bodens und der Pflanzen (Reis) mit unterschiedlichen Umweltbedingungen (Wasser- und Salzgehalt, Temperatur, Düngeranwendung) genauer untersucht.

Zu Beginn des Projekts waren in den Untersuchungsgebieten weder die notwendige Geräteausstattung und Infrastruktur, noch das erforderliche Knowhow zur Durchführung von THG- und Nitrataustragsmessungen vorhanden. Daher musste das dafür erforderliche Material entweder in Deutschland beschafft und nach Vietnam verbracht werden, oder – wie im Falle der für die THG-Messungen verwendeten statischen Messkammern – in Vietnam beschafft bzw. zusammengebaut werden, bevor es in den Felduntersuchungen eingesetzt werden konnte. Die umfangreichen Messungen erforderten auch eine intensive Einarbeitung von vietnamesischen Doktoranden und Hilfskräften, um eine zeitlich zusammenhängende Messreihe von THG-Flüssen über einen längeren Zeitraum zu gewährleisten. Damit trug das Projekt auch in erheblichem Maße zum Knowhow-Transfer und Capacity Building bei.



I.3. Planung und Ablauf des Vorhabens

Das Teilprojekt FZJ bearbeitete in Gänze das Arbeitspaket 5 (WP 5) „Feedback to the Climate System“ des Gesamtvorhabens DeltAdapt. Das WP5, und damit das TP FZJ, gliederte sich in drei Aufgabenbereiche mit jeweils mehreren Aktivitäten, die in Abb. 1 schematisch dargestellt sind.

Der zeitliche Ablauf der Arbeiten in den zwei Untersuchungsgebieten des Projekts (Abb. 3) orientierte sich am untenstehend dargestellten Zeitplan (Abb. 2):

Abbildung 2. Zeitplan der Projektarbeiten.

Dabei wurden folgende Meilensteine festgelegt (in Klammern Monat der Projektlaufzeit):

MS 51A (6): Equipment for GHG field measurements installed, tested and calibrated. MS 51B (12): First maps of spatial variability of soil respiration ready for both study regions. MS 51C (18): One year of field GHG flux data at the different field sites available. MS 51D (24): Final maps of spatial variability of sol respiration ready for both study regions. MS 51E (30): Two years of field GHG flux data at the different field sites available. MS 52A (18): GHG emissions from soil cores parameterized. MS 52B (24): Full N budgets for the different land use and farming systems in both deltas. MS 52C (30): Effect of antibiotics on microbial C and N turnover processes quantified. MS 53A (36): Results on total GHG emission and fate of nitrogen scaled up to the whole delta regions of Mekong and Red River.

X XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII I II III IV V VI VII VIII IX1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

Task 5100

A 5110 Monitoring total GHG fluxes in the Red River coastal delta region

51A 51C 51E

A 5120 Monitoring GHG fluxes in the Mekong coastal delta region

51A 51C 51E

A 5130 Determination of spatio-temporal variability of soil respiration fluxes

51B 51D

Task 5200

A 5210 Parameterization of total GHG fluxes at different environmental and management conditions

52A

A 5220 Tracing the fate of fertilizer nitrogen in plant–soil system

52B

A 5230 Analysis of the effect of antibiotics from shrimp farming on soil microbial C and N turnover processes

52C

Task 5300

A 5310 Upscaling of results to the Mekong and Red River Delta regions

53A

10/2016 - 09/2017

Quantification of total GHG emissions of the different land uses at different climatic, hydrological and management conditions in the field

Elucidation of C and N loss pathways

Upscaling of results to the Mekong and Red River Delta regions

Task Activity

10/2014 - 09/2015 10/2015 - 09/2016

Abbildung 1. Schematische Darstellung der Aufgaben und Aktivitäten im Teilprojekt FZJ (und damit im Arbeitspaket 5 des Gesamtvorhabens).



Abbildung 3. Übersichtskarte und Detailansichten der beiden Untersuchungsgebiete (Red-River- und Mekong-Delta).

I.4. Wissenschaftlicher und technischer Stand, an den angeknüpft wurde

Die Deltagebiete des Mekong und des Red River sind Beispiele für fruchtbare Regionen, die durch den Anbau von Reis, Gemüse und Obst sowie im großen Umfang betriebener Aquakultur eine erhebliche Bedeutung für die vietnamesische Wirtschaft haben. Bislang wurden 63% des Mekong-Deltas und 38% des Red-River-Deltas landwirtschaftlich genutzt (GSO, 2011). Reis ist immer noch die Hauptanbaufrucht in beiden Deltas (GSO, 2011) und trägt entscheidend zum vietnamesischen Reisexport bei (FAOSTAT, 2013). Die Reisproduktion wird jedoch immer stärker durch Salzintrusion bedroht. Obwohl in beiden Regionen stromaufwärts gelegene Staudämme für die Erzeugung von Wasserkraft errichtet und Seedeiche und Schleusentore installiert wurden, um Hochwasser sowie das Eindringen von Salz in das Delta kontrollieren zu können (Kuenzer et al., 2012), kann die Salzintrusion noch nicht vollständig mit technischen Mitteln kontrolliert werden. Aus diesem Grund haben die Landwirte begonnen, sich anzupassen. Intensive kommerzielle und familieneigene Shrimp-Farmen sind zunehmend neben ausgedehnteren Brackwasser-Polykulturen und Reis-Shrimp-Farmen in ehemals Reis-dominierten Gebieten zu finden (Joffre und Bosma, 2009). Saline Aquakultur ist heute einer der am dynamischsten wachsenden Sektoren in Vietnam. Mit einer jährlichen prozentualen Wachstumsrate für den Export von Fisch und Fischereierzeugnissen von 21% (FAO, 2008) wurde Vietnam zu einem der größten Fischereiexportländer der Welt (FAOSTAT, 2013). Beide Deltas liefern zusammen den überwiegenden Anteil der Produktion von Zuchtgarnelen (81%) und Zuchtfischen (89%) in Vietnam (GSO, 2010), wobei das Mekong-Delta das Hauptproduktionsgebiet ist. Diese Art der Landwirtschaft ist jedoch wegen der hohen Investitionsanforderungen und ihrer Anfälligkeit gegenüber Krankheiten, Marktpreisschwankungen und unterschiedlichen Salzgehaltsniveaus riskant. So wurden 2012 etwa 100.000 ha Brackwassergarnelenkultur in Küstenprovinzen des Mekong-Deltas durch eine Kombination aus (z. B. mit dem Insektizid Cypermethrin) verschmutztem Wasser, infizierter Fischbrut und verschiedener Auswirkungen des Klimawandels geschädigt (Nhung, 2012).



Die Anpassungsstrategien sind allerdings sozial und ökonomisch differenziert, da wohlhabendere Bauern dazu neigen, die natürlichen Ressourcen in einer guten Saison übermäßig zu nutzen, d.h. sie intensivieren die Landwirtschaft mit geringer Kontrolle über die resultierenden Düngerverluste und Kontamination mit Pestiziden (Toan et al., 2013). Im gesamten Mekong-Delta reagieren hingegen viele arme Bauern in schlechten Jahren auf den zunehmenden wirtschaftlichen Druck mit dem Verkauf ihres fruchtbaren Ober- oder Unterbodens an Ziegelfabriken (Guong et al., 2011). Diese Praxis ist, obwohl sie zunehmend zu beobachten ist, nicht nachhaltig, da sie mit einem Verlust an Bodenfruchtbarkeit einhergeht, die aber für die Produktion von Nassreis in Perioden mit hoher Frischwasserverfügbarkeit unabdingbar ist. Allerdings wurden bisher nur wenige, auf die Wiederherstellung der Bodenfruchtbarkeit der betroffenen Flächen abzielende Forschungsarbeiten durchgeführt.

Die in den vergangenen Jahren erfolgten und immer noch andauernden drastischen Veränderungen der Landnutzung und Landnutzungsintensität in den beiden Untersuchungsregionen und die damit einhergehende Veränderung des Wasserhaushalts und des Redoxstatus‘ des Bodens, der dadurch bedingte unterschiedliche Eintrag von nährstoffreichem organischem und anorganischem Material sowie die zunehmende Salzintrusion verändern die Bedingungen für die Entstehung von Treibhausgasen und damit die Rückkopplung der Landnutzung auf das Klimasystem. Die Auswirkungen dieser Änderungen der Landnutzung und des Salzgehalts auf die THG-Flüsse waren vor Beginn des Projektes jedoch völlig unklar, da bis zum Beginn des Projektes keine systematischen, repräsentativen Messungen in den unterschiedlichen Landnutzungen im Red-River- und im Mekong-Delta verfügbar waren, die eine Aussage zum Effekt unterschiedlicher Landnutzungen und zunehmender Salinität auf biogeochemische Prozesse, Nitratausträge und THG-Emissionen und damit zur Nachhaltigkeit unterschiedlicher Landnutzungssysteme ermöglicht hätten. Erst durch die im Rahmen dieses Vorhabens durchgeführten Arbeiten wurde die Basis einer wissenschaftlichen Bewertung der Auswirkungen des Landnutzungswandels und der zunehmenden Versalzung geschaffen.

I.4.1 Verwendete Literatur

FAO, Food and Agriculture Organization of the United Nations (2008): The state of world fisheries and aquaculture. Retrieved from ftp://ftp.fao.org/docrep/fao/011/i0250e/i0250e.pdf. Accessed 28 March 2011.

FAOSTAT (Food and Agriculture Organization of the United Nations, Statistics Division) (2013): Retrieved from http://faostat.fao.org/, accessed: 30 January 2013.

GSO (General Statistics Office of Vietnam) (2010): Statistical Publishing House, Hanoi, Vietnam. Retrieved from http://www.gso.gov.vn/default_en.aspx?tabid=466&idmid=3&ItemID=859, accessed: 30 January 2013.

GSO (General Statistics Office of Vietnam) (2011): Statistical Publishing House, Hanoi, Vietnam. Retrieved from http://www.gso.gov.vn/default_en.aspx?tabid=466&idmid=3&ItemID=859, accessed: 30 January 2013.

Guong, V.T., Khanh, N.N., Thy, C.T.A, Tran, V.T. (2011): Effect of topsoil removal on soil physio-chemical properties and rice yield in Tra Vinh province. (In Vietnamese). Can Tho University Science Journal. 19b. 225-231.

Joffre, O.M., Bosma, R.H. (2009): Typology of shrimp farming in Bac Lieu Province, Mekong Delta, using multivariate statistics. Agr. Ecosyst. Environ., 132, 153-159.

Kuenzer, C., Campbell, I., Roch, M., Leinenkugel, L., Vo Quoc, T., Dech, S. (2012): Understanding the Impacts of Hydropower Developments in the context of Upstream-Downstream Relations in the Mekong River Basin. Sustainability Science 8, 565–584.

Nhung, N. (2012): Big challenge for shrimp culture in the year 2013. Voice of Vietnam online. Retrieved from http://www.baomoi.com/Home/KinhTe/vov.vn/Thach-thuc-lon-doi-voi-nganh-tom-trong-nam-2013/10067202.epi. Accessed on 27/12/2012.

Toan, P.V., Sebesvari, Z., Bläsing, M., Rosendahl, I., Renaud, F.G. (2013): Pesticide management and their residues in sediments and surface and drinking water in the Mekong Delta, Vietnam. Science of the Total Environment 452–453, 28–39.



I.5. Zusammenarbeit mit anderen Stellen

Aufgrund der Komplexität der Fragestellung erfolgte eine enge Zusammenarbeit mit allen Partnern des Verbundvorhabens, insbesondere mit der Universität Bonn/Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES), United Nations University/ Institute for Environment and Human Security, TerrAquat, der Can Tho University und der Hanoi University of Agriculture (mittlerweile umbenannt zu: Vietnamese National University of Agriculture). Darüber hinaus wurde mit dem Karlsruhe Institut für Technologie/Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU) in Garmisch-Partenkirchen im Bereich der Abschätzungen regionaler N-Bilanzen zusammengearbeitet.

II. Eingehende Darstellung

II.1. Verwendung der Zuwendung und des erzielten Ergebnisses im Einzelnen, mit Gegenüberstellung der vorgegebenen Ziele

II.1.1 Task 5100 – Quantifizierung von Gesamt-THG-Flüssen

Ziel von Task 5100 war, die Flüsse der Treibhausgase (CO2, N2O und CH4) mithilfe der statischen Kammermethode mit anschließender Analyse per Gaschromatographie (GC) zu quantifizieren und den Effekt von Salzintrusion und landwirtschaftlicher Managementpraxis in den Deltagebieten von Red River und Mekong in Vietnam zu untersuchen. Vom 17. bis 26. März 2015 führten wir erste Erkundungstouren im Red-River- und Mekong-Delta durch, um geeignete Untersuchungsorte auszuwählen. Im Red-River-Delta wählten wir schließlich in der Provinz Nam Định, Distrikt Giao Thủy, fünf Feldversuchsstandorte mit vier verschiedenen Landnutzungen aus – Nassreisanbau, rotierender Nassreis-Gemüse-Anbau, permanenter Gemüseanbau und Fischzucht. Beim Nassreisanbau konnten wir zusätzlich von durch Salzintrusion betroffenen und nicht betroffenen Nassreisanbau untersuchen (Abb. 4).

Abbildung 4. Überblick der im Red-River-Delta in der Provinz Nam Định, Distrikt Giao Thủy, ausgewählten Messstandorte.



Die zur Bestimmung der Gesamt-THG-Flüsse eingesetzten statischen Messkammern wurden in Vietnam nach unseren Vorgaben gebaut. Dabei handelte es sich um transparente Kammern mit einem Rahmen aus Aluminium und Wänden aus Plexiglas (Abb. 5). Dabei wurden für die Messungen auf Reisfeldern Kammern der Maße 50 cm × 50 cm × 100 cm (L×W×H) und für die Messungen auf Gemüsefeldern Kammern mit den Maßen 50 cm × 50 cm × 50 cm (L×W×H) eingesetzt.

Im Red-River-Delta wurden die Messungen der Gesamt-THG-Flüsse über einen Zeitraum von insgesamt etwas mehr als einem Jahr von Januar 2016 bis Februar 2017 zweiwöchentlich durchgeführt. Die Ergebnisse der kumulativen GHG-Flüsse sind in Abb. 5 dargestellt. Die Reis-Gemüse-Rotation und der kontinuierliche Gemüseanbau zeichneten sich durch ca. 17,3- bzw. 3,4-mal höhere N2O-Emissionen aus im Vergleich zum Doppel-Reis-System, während Fischteiche signifikant (um 88%) niedrigere N2O-Emissionen aufwiesen (Abb. 6). Der reine Reisanbau wies die höchsten CH4-Flüsse aller Anbausysteme auf, die signifikant höher waren als beim Reis-Gemüse- bzw. kontinuierlichen Gemüseanbau sowie aus den Fischteichen. Es konnten keine signifikanten Auswirkungen von Salzintrusion auf die N2O-Emissionen im reinen Reisanbau gefunden werden. Im Gegensatz dazu führte ein erhöhter Salzgehalt zu einer Erhöhung der CH4-Emissionen um 170% im reinen Reisanbausystem im Vergleich zum nicht salzbeeinflussten Reisanbau. Die Messungen des Netto-Ökosystemaustausches von CO2 zeigten, dass der kontinuierliche Gemüseanbau und die Fischteiche als Netto-CO2-Quellen fungierten, während Reis- und Reis-Gemüse-Rotationssysteme Nettosenken von CO2 im Untersuchungsgebiet im Red-River-Delta waren.

Abbildung 5. Schematische Darstellung des Kammeraufbaus und Bilder vom Einsatz der Mess-kammern (Gemüse, links; Reis, links unten; beide Red-River-Delta; Intensive Garnelenzucht, Mekong-Delta).



In der Mekong-Delta-Region wurden die statischen Messkammern zur Quantifizierung der Gesamt-THG-Emissionen in der Provinz Sóc Trăng installiert in (i) drei Landnutzungen mit unterschiedlichen Gradienten der Salzintrusion (Frischwasser-Reis-Reis, Reis-Garnelen-System und Intensiv-Garnelen-System) und (ii) in Frischwasser-Reis-Reis-Systemen nach vorheriger Entnahme des Oberbodens mit verschiedenen Gradienten der Entnahmegeschichte (Kontrolle mit Oberboden, Oberbodenentfernung vor einem Jahr und vor acht Jahren) sowie unterschiedlichen Bewirtschaftungsmethoden für Standorte mit einem Jahr zurückliegender Oberbodenentnahme (lokal übliche Bewirtschaftung [CP], lokal empfohlene Praxis [RP], Reisstroh-Inkorporation [RS], Abb. 7). Wir fanden signifikante Unterschiede in NEE- und CH4- und N2O-Flüssen in den verschiedenen Landnutzungen (Abb. 7). Wie zu erwarten war, lagen die N2O-Emissionen sowohl im Frischwasser-Reis-Reis- als auch im Reis-Garnelen-Rotationssystem relativ niedrig, wohingegen die CH4-Emissionen hoch lagen. Interessanterweise konnte im Reis-Reis-System mit acht Jahre zurückliegender Oberbodenentfernung sowie im Reis-Garnelen-System sogar eine N2O-Aufnahme beobachtet werden (Abb. 8), die auf eine starke N-Limitierung des Systems als Folge der Entfernung des Oberbodens hindeutet.

Abbildung 6. Kumulative Flüsse von Lachgas (N2O), Methan (CH4) und des Nettoökosystemaustauschs von CO2 (NEE) für die unterschiedlichen Landnutzungen im Red-River-Delta (RR = nicht salzbeeinflusster Reis-Anbau (zwei Reisanbausaisons pro Jahr); RRS = salzbeeinflusster Reis-Anbau; RV = Reis-Gemüse-Anbau; AV = Kontinuierlicher Gemüse-anbau; FP = Fischzucht).



Abbildung 7. Bilder vom Einsatz der Messkammern im Mekong-Delta in der Provinz Sóc Trăng (Frischwasser-Reis-Reis-System, oben links, unten links, unten rechts; Reis-Garnelen-System, oben rechts; Reis-Reis-System nach vorheriger Entfernung des Oberbodens, Mitte rechts; Messkammer mit Schwimmrahmen im Grabenbereich eines Reis-Garnelen-Systems, Mitte links).

Abbildung 8. Flüsse des Netto-ökosystemaustauschs von CO2 (NEE), von Lachgas (N2O), Methan (CH4) für die unterschiedlichen Landnutzungen im Mekong-Delta (Control = nicht salzbeeinflusster Reis-Anbau (zwei Reisanbausaisons pro Jahr); 1year = Reis-Anbau mit einem Jahr zurückliegender Entfernung des Oberbodens; 8 year = Reis-Anbau mit acht Jahre zurückliegender Entfernung des Oberbodens; rice-shrimp = Reisanbaufläche im kombinierten Reis-Garnelen-System; Ditch = Graben im kombinierten Reis-Garnelen-System).



Parallel zu den Feldmessungen von NEE, Methan (CH4) und Lachgas (N2O) aus verschiedenen Landnutzungen in der Delta-Region des Red River wurden bei jeder Durchführung von THG-Messungen auch die Bodenfeuchte und -temperatur, die elektrische Leitfähigkeit und die NH4

+- und NO3–-Dynamik des Bodens erfasst, da diese Umweltfaktoren

Schlüsselregulatoren der THG-Emissionen im Boden sind. Auf der Grundlage dieser Daten wurden die Zusammenhänge der THG-Emissionen und der Dynamik dieser Umweltfaktoren charakterisiert und die zugrundeliegenden Mechanismen untersucht. Dabei zeigte sich, dass die CH4-Emissionen im Reis-Gemüse-Rotationssystem signifikant mit der Bodentemperatur und im Doppelreis-System mit der Salinität korreliert war (Abb. 9). Es wurden auch signifikante Korrelationen zwischen den N2O-Emissionen und der Bodentemperatur in der Reis-Gemüse-Rotation, dem kontinuierlichen Gemüseanbau und dem Doppelreis-System mit Salzintrusion gefunden. Darüber hinaus zeigten sich signifikante Korrelationen zwischen den CH4-Emissionen und der Bodenfeuchte, dies galt jedoch nicht für die N2O-Emissionen. Die CH4-Emissionen stiegen mit steigendem Salzgehalt des Bodens exponentiell an, während zwischen den N2O-Emissionen und dem Salzgehalt des Bodens für die verschiedenen Landnutzungen lediglich eine inkonsistente Korrelation beobachtet wurde.

Abbildung 9. Korrelation zwischen den Emissionen von Lachgas (N2O) und Methan (CH4) mit der Bodentemperature, Bodenfeuchte und dem Salzgehalt des Bodens in den unterschiedlichen Landnutzungen im Red-River-Delta (RR = Frischwasser-Reis-Reis-System; RRS = Salzbeeinflusstes Reis-Reis-System; RV = Rice-Gemüse-Rotation; AV = kontinuierlicher Gemüseanbau).



II.1.2 Task 5200 – Aufklärung der C- und N-Verlustpfade

Ziel von Task 5200 war die Aufklärung der C- und N-Verlustpfade. Um die Stickstoffausträge mit dem Sickerwasser aus den besonders stark mit Stickstoff gedüngten Reis-Gemüse- und kontinuierlichen Gemüseanbausystemen quantifizieren zu können, wurden diese im Red-River-Delta im Jahr 2016 ein ganzes Jahr lang mit sogenannten Selbstintegrierenden Akkumulatoren (SIA) auf Anionen- und Kationenaustauscherbasis erfasst. Dazu wurden diese vor Beginn der Messungen über zuvor aufgegrabene Bodenprofile unter die Wurzelzone eingebracht, danach wurde die Bodenprofile wieder geschlossen (Abb. 10).

Abbildung 10. Einbau der Selbstintegrierenden Akkumulatoren (SIA) zur Erfassung der Ammonium- und Nitratausträge mit dem Sickerwasser im Reis-Gemüse- und im kontinuierlichen Gemüseanbausystem im Red-River-Delta, Provinz Nam Định, Distrikt Giao Thủy. Im Bild rechts ist Andreas Schwarz vom Projektpartner TerrAquat zu sehen, mit dem diese Messungen in enger Zusammenarbeit ausgeführt wurden.

Nach sechs Monaten wurden die SIA wieder entnommen und durch die gleiche Anzahl neuer SIA ersetzt, die dann erneut für ca. sechs Monate im Boden unterhalb der Wurzelzone verblieben. Am Ende des jeweiligen Expositionszeitraums wurden die SIA wieder ausgebaut, die Ionentauscherfüllung entnommen und nach Rücktransport nach Deutschland auf den Ammonium- und Nitratgehalt analysiert. Diese Arbeiten wurden in Zusammenarbeit mit dem Verbundpartner TerrAquat durchgeführt.

Abbildung 11. Ergebnisse der mittels der Selbstintegrierenden Akkumulatoren ermittelten Ammonium- und Nitratausträge im Reis-Gemüse- und im kontinuierlichen Gemüseanbausystem im Red-River-Delta, Provinz Nam Định, Distrikt Giao Thủy. In der zweiten Messperiode konnten die N-Austräge im Reis-Gemüse-Rotationssystem aufgrund von Stauwassereinfluss nicht erfasst werden.



Die Analyse der SIA ergab, dass sowohl im ersten als auch im zweiten Messzeitraum 2016 sehr hohe Nitratausträge gemessen wurden, wohingegen der N-Austrag in Form von Ammonium quantitativ keine Rolle spielte (Abb. 11). Im zweiten Messzeitraum (Juni-November 2016), d.h. in der Regenzeit, lagen die Nitratausträge aus dem kontinuierlichen Gemüseanbausystem bei über 200 kg N ha–1! Im Reis-Gemüse-Rotationssystem konnten in diesem Zeitraum die SIA-Messungen leider nicht ausgewertet werden, da diese stark durch den ansteigenden Stauwasserstand beeinträchtigt worden waren. Dennoch kann angenommen werden, dass es auch in diesem System zu sehr hohen Nitratausträgen kam, da diese in der trockeneren ersten Jahreshälfte 2016 im Rotationssystem höher lagen als im reinen Gemüseanbau (Abb. 11, links).

Um uns zunächst einen Überblick über die Auswirkungen der Versalzung von Böden auf Stickstoffpools, N-kreisläufe und -flüsse in Küstenökosystemen zu verschaffen, führten wir eine umfangreiche Literaturstudie durch und analysierten 938 Zeitschriftenpublikationen zu diesem Thema. Aus diesen wählten wir schließlich 21 Arbeiten aus, die geeignete Daten in ausreichender Qualität zum Thema aufzuweisen hatten. Aus diesem kombinierten Datensatz konnten wir den Effekt der Versalzung auf die verschiedenen Boden-Stickstoff-Pools, Prozesse und Flüsse analysieren, die in Abb. 12 zusammengefasst sind.

Hierbei zeigte sich, dass insbesondere der Fluss von Nitrit und die N2O-Emissionen durch zunehmenden Salzeinfluss stark gesteigert werden, was auf einen engen Zusammenhang zwischen dem Nitritgehalt des Bodens und der N2O-Emission hindeutet. Die Ergebnisse wurden hochrangig publiziert (Zhou et al., 2017, A meta-analysis of soil salinization effects on nitrogen pools, cycles and fluxes in coastal ecosystems. Global Change Biology 23, 1338–1352. doi:10.1111/gcb.13430).

Um diese Effekte im Projekt systematisch näher untersuchen zu können, entwickelten wir eigens dazu ein automatisches Inkubationssystem, mit dem bis zu 24 intakte Bodenkerne gleichzeitig unter kontrollierten Temperatur- und Bodenfeuchtebedingungen sowie unterschiedlichen Salzgehalten mit hoher Zeitauflösung untersucht werden können. Das System besteht aus einer Reihe von Drei-Wege-Ventilen vor und hinter den Bodensäulen, einer Luft- und Referenzgasversorgung, Durchflussreglern, Messgeräten für CO2, CH4, N2O, NO und NO2 sowie einer Computersteuerung (Abb. 13).

Abbildung 12. Ergebnis der Literaturmetaanalyse: Die mittleren Effektgrößen der Versalzung auf neunzehn Variablen (a) der Ökosystem-N-Flüsse und -Prozesse und (b) Ökosystem-N-Pools in Küstenökosystemen. Fehlerbalken repräsentieren Bootstrapped 95%-Konfidenz-Intervalle (KI). Die Anzahl der Beobachtungen für jede Variable ist neben den Fehlerbalken angeben. Die grau-gestrichelte Linie repräsentiert eine mittlere Effektgröße von Null. Der Effekt der Versalzung wurde als signifikant angesehen, wenn das 95%-KI der Effektgröße Null nicht überlagert.



Zur systematischen Untersuchung der Effekte von Bodentemperatur und -feuchte, Salzgehalt sowie Stickstoffdüngermenge und -form mit dem automatischen Messsystem wurden sowohl im Red-River- als auch im Mekong-Delta intakte Bodenkerne aus den Untersuchungsgebieten entnommen, in denen auch die THG-Feldmessungen durchgeführt wurden. Hierbei wurden im Red-River-Delta insgesamt 72, im Mekong-Delta insgesamt 132 intakte Bodenkerne (Durchmesser 15 cm, Höhe 20 cm) entnommen (Abb. 14), luftgetrocknet und dann nach Deutschland ans FZJ transportiert.

Abbildung 13. Schematische Übersicht über das im Rahmen des Projekts entwickelte automatische Messsystem (QCL = Analysator auf Basis von Quantenkaskadenlasern zur Messung von CO2, CH4, N2O; NOx = Chemilumineszenzanalysator zur Bestimmung von NO und NO2; Lab View = Computerprogramm zur Steuerung des Systems).

Abbildung 14. Bilder von der Entnahme von intakten Boden-kernen im Red-River-Delta (oben) und im Mekong-Delta (unten). Die Bodenkerne wurden anschließend an der Luft getrocknet und dann nach Deutschland transportiert.



Zusätzlich zu den intakten Bodenkernen wurden noch ca. 400 kg Oberboden aus einem der untersuchten Reisfelder im Red-River-Delta entnommen, um damit Mesokosmenversuche im Gewächshaus in Deutschland durchzuführen. Der Boden wurde ebenfalls luftgetrocknet und dann per Schiffsfracht nach Deutschland transportiert. Die Mesokosmenversuche wurden in enger Zusammenarbeit mit der Universität Bonn, INRES, durchgeführt. Dabei wurde der Boden in 50 cm lange PVC-Röhren gefüllt und zur Hälfte mit Reis bepflanzt. Die andere Hälfte blieb unbepflanzt, um auch den Effekt der Pflanzen auf die N-Dynamiken untersuchen zu können. Jeweils ein Drittel der Röhren mit und ohne Reispflanzen wurde dann auf verschiedene Salzgehalte eingestellt (0, 2 und 4 Gewichts-‰ Salzgehalt). Dünger wurde in Form von 15N-markiertem Harnstoff (δ15N = 4500 ‰) in drei Gaben appliziert (die gesamte applizierte Menge entsprach dabei 100 kg N ha–1). Während des ganzen Versuchs wurden die THG-Emissionen mit der statischen Kammermethode in mindestens wöchentlicher Auflösung gemessen. An den jeweiligen Messtagen wurden auch ausgewählte Bodensäulen vollständig beprobt (Pflanzenmaterial, Boden, Wasser) sowie zusätzliche Gasproben zur Analyse des 15N-Gehalts des emittierten N2O gemessen. Abbildung 15 zeigt den zeitlichen Verlauf der N2O-Emissionen ohne (oben) und mit (unten) Reispflanzen.

Abbildung 15. Zeitlicher Verlauf der N2O-Emissionen im Mesokosmenversuch mit Boden aus dem Red-River-Delta ohne (oben) und mit (unten) Reispflanzen.

In dem Versuch traten unter Salzeinfluss deutlich höhere N2O-Emissionen auf als in der Behandlung ohne Salzeinfluss, insbesondere in der Variante ohne Reispflanzen. Die 15N-Markierung im N2O erreichte kurz nach den jeweiligen Düngezeitpunkten δ15N-Werte bis zu 3200 ‰, was auf eine sehr schnelle Umsetzung des applizierten Harnstoffs hindeutet.



II.1.3 Task 5300 – Hochskalieren der Ergebnisse

Das Ziel von Task 5300 besteht in der Abschätzung der regionalen N-Budgets des Mekong- und Red-River-Deltas, basierend auf unseren eigenen Messungen, verfügbaren Datensätzen aus der FAOSTAT-Datenbank, Literaturquellen und öffentlich zugänglich Berichten. Diese Arbeit wurde zusammen mit Prof. Dr. Klaus Butterbach-Bahl vom Karlsruher Institut für Technologie und Dr. Timothy Robinson vom International Livestock Research Institute (ILRI) in Kenia initialisiert. Die vorhandenen Daten werden synthetisiert, um die regionalen N-Budgets der Wassereinzugsgebiete des Red River und des Mekong mit Hilfe des net anthropogenic nitrogen input (NANI)-Ansatzes zu entwickeln. Der konzeptionelle Rahmen von NANI ist in Abb. 16 dargestellt. Der NANI-Ansatz ist eine effektive Methode, um vom Menschen verursachte N-Einträge in die Landschaft und ihre möglichen Auswirkungen auf den N-Export aus großen Wassereinzugsgebieten zu bewerten. Der NANI-Ansatz beruht im Wesentlichen auf der Berechnung der Summe aus atmosphärischer N-Deposition, synthetischer N-Düngung, biologischer (landwirtschaftlicher) N2-Fixierung und Netto-Nahrungsmittel- und Futterimporten.

Der NANI-Ansatz wurde bereits weltweit erfolgreich zur Schätzung regionaler N-Budgets verwendet, z.B. für das Wassereinzugsgebiet des Viktoriasees in Ostafrika (Zhou et al., 2014, Environmental Research Letters 9: 105009). Dieser Ansatz ist somit auch optimal für das Einzugsgebiet des Red-River- und des Mekong-Deltas geeignet.

Abbildung 16. Schematische Darstellung des net anthropogenic nitrogen input (NANI)-Ansatzes, der in diesem Projekt zur Kalkulation der regionalen N-Budgets des Red-River- und des Mekong-Deltas verwendet wird.



II.2. Wichtigste Positionen des zahlenmäßigen Nachweises

Knapp zwei Drittel der verausgabten Mittel (64%) wurden für Personal eingesetzt. Dies war erforderlich, um die anspruchsvollen Arbeiten im Projekt mithilfe eines Postdoktoranden (Dr. Minghua Zhou) durchzuführen. Die Arbeiten umfassten eine ausgedehnte Literaturrecherche einschließlich metaanalytischer Auswertung, die in zwei hochrangigen Veröffentlichungen mündete, Design und Aufbau des automatischen Inkubationssystems, Design und Installation der Messkammern für die THG-Messungen im Feld, Einweisung und Training der vietnamesischen Doktoranden/-innen und Hilfskräfte, Planung und Durchführung von Labor- und Gewächshausversuchen, Datenauswertung, Kommunikation mit den Projektpartnern, Vorbereitung von Projektpräsentationen und Erstellen von Zwischenberichten.

Ungefähr 12% der verausgabten Mittel wurden für die Beschaffung von Material eingesetzt. Dies war für die zahl- und umfangreichen Feld- und Laborversuche notwendig, insbesondere für den Bau der THG-Messkammern. Daneben wurden ca. 9% der Mittel für lokale Hilfskräfte vor Ort in Vietnam sowie für Probenanalysen und -transport ausgegeben. Dies war für die Durchführung der THG-Messungen sowie für die regelmäßige Entnahme von Bodenproben, deren Analyse und Transport nach Deutschland erforderlich. Gut 8 % der Mittel wurden für die Beschaffung des tragbaren CO2-Analysators zur Bestimmung der Boden-CO2-Flüsse aufgewendet. Schließlich wurden knapp 7 % für Reisen nach Vietnam sowie zu Projekttreffen innerhalb Deutschlands ausgegeben.

II.3. Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit

Die durchgeführten Arbeiten waren aufgrund der anspruchsvollen Aufgabenstellung des Projektes, der umfangreichen analytischen Erfordernisse sowie der logistischen Herausforderungen vor Ort allesamt notwendig und angemessen.

II.4. Voraussichtlicher Nutzen, insbesondere der Verwertbarkeit des Ergebnisses im Sinne des fortgeschriebenen Verwertungsplans

Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse werden sowohl in wissenschaftlich begutachteten Fachzeitschriften veröffentlicht als auch über Datenbanken öffentlich verfügbar gemacht und können dadurch einen maßgeblichen Beitrag zum besseren Verständnis dieser intensiv genutzten, aber auch gegenüber Umweltveränderungen sehr empfindlichen küstennahen Regionen leisten. Darüber hinaus sind die erzielten Ergebnisse den örtlichen Entscheidungsträgern auf einem Abschlussworkshop in Hanoi am 30.06.2017 verfügbar gemacht worden, um ihnen eine fundierte Entscheidung hinsichtlich zukünftiger Bewirtschaftungskonzepte zu ermöglichen (Abb. 17).

Abbildung 17. Bilder vom Stakeholder-workshop in Hanoi am 30.06.2017 mit Vertretern aus den Untersuchungs-gebieten des Projekts, mit denen die Ergebnisse und Handlungsempfeh-lungen diskutiert wurden.



Die Optimierung der Bewirtschaftungsstrategien erfolgte in enger Abstimmung und Zusammenarbeit mit den lokalen Behörden und Entscheidungsträgern sowie den ortsansässigen Bauern und dörflichen Kooperativen. Damit können die Untersuchungsgebiete dieses Projektes als Modellregionen für eine Vielzahl weiterer, ähnlich genutzter Gebiete, insbesondere in Schwellen- und Entwicklungsländern, dienen.

II.5. Während der Durchführung des Vorhabens dem ZE bekannt gewordenen Fortschritt auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen

Im Berichtszeitraum sind dem Zuwendungsempfänger keine vergleichbaren Ergebnisse oder Fortschritte auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen bekannt geworden. Allerdings ist eine für das Gesamtvorhaben relevante Arbeit im Jahre 2017 veröffentlicht worden (Minderhout et al., 2017, Environmental Research Letters 12, 064006), die klar herausarbeitet, dass das Eindringen von Salzwasser in das Mekong-Delta zu einem ganz erheblichen Teil durch das Absinken des Mekong-Deltas aufgrund exzessiver Grundwasserentnahme und nicht aufgrund des durch den Klimawandel hervorgerufenen Meeresspiegelanstieg verursacht wird, da die Absenkung der Landoberfläche in einigen Bereichen des Mekong-Deltas um eine Zehnerpotenz über der des Anstiegs des Meeresspiegels liegt. Diese Erkenntnis ist von ganz herausragender Bedeutung für zukünftige Anpassungs- und insbesondere für Vermeidungsstrategien für die Salinitätsproblematik im Mekong-Delta.

II.6. Erfolgte oder geplante Veröffentlichungen des Ergebnisses nach Nr.11

Veröffentlicht:

Zhou M, Butterbach-Bahl K, Vereecken H, Brüggemann N, 2017. A meta-analysis of soil salinization effects on nitrogen pools, cycles and fluxes in coastal ecosystems. Global Change Biology 23, 1338–1352. doi:10.1111/gcb.13430

Zhou M, Zhu B, Wang S, Zhu X, Vereecken H, Brüggemann N, 2017. Stimulation of N2O emission by manure application to agricultural soils may largely offset carbon benefits: a global meta-analysis. Global Change Biology 23, 4068–4083. doi:10.1111/gcb.13648

Geplant:

Li TTH, Zhou M, Ngo TA, Bischoff WA, Schwarz A, Brüggemann N. Greenhouse gas fluxes and nitrogen dynamics in rice, vegetable, rice–vegetable and fish production systems in the Nam Dinh Province of the Red River Delta, Vietnam.

Nguyen DCG, Tran HK, Do BT, Duong MV, Vo TG, Zhou M, Amelung W, Kruse J, Brüggemann N. Greenhouse gas fluxes and nitrogen dynamics in rice production systems after topsoil removal in Soc Trang Province, Mekong Delta, Vietnam.

Tran HK, Do BT, Nguyen DCG, Duong MV, Vo TG, Zhou M, Brüggemann N. Greenhouse gas fluxes and nitrogen dynamics in rice, rice–shrimp and intensive shrimp production systems along a salinity gradient in Soc Trang Province, Mekong Delta, Vietnam.

März S, Zhou M, Amelung W, Brüggemann N, Kruse J. Greenhouse gas and nitrogen dynamics in mesocosm experiments with rice affected by different levels of salinity.

BMBF-Vordr. 3831/03.07_2

Berichtsblatt

1. ISBN oder ISSN

2. Berichtsart (Schlussbericht oder Veröffentlichung) Schlussbericht

3. Titel Bioökonomie International: DeltAdapt – Nachhaltige Anpassung küstennaher Agrar-Ökosysteme an zunehmende Versalzung – TP FZJ

4. Autor(en) [Name(n), Vorname(n)] Brüggemann, Nicolas, Prof. Dr.

5. Abschlussdatum des Vorhabens 30.09.2017

6. Veröffentlichungsdatum 31.03.2018

7. Form der Publikation Schlussbericht

8. Durchführende Institution(en) (Name, Adresse) Forschungszentrum Jülich GmbH Institut für Bio- und Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Wilhelm-Johnen-Straße 52425 Jülich

9. Ber. Nr. Durchführende Institution

10. Förderkennzeichen 031A287C

11. Seitenzahl 20

12. Fördernde Institution (Name, Adresse) Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 53170 Bonn

13. Literaturangaben 9

14. Tabellen -

15. Abbildungen 17

16. Zusätzliche Angaben Keine.

17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum) Projektträger Jülich, Bioökonomie, Fachbereich Strategie und Kommunikation (BIO 1); Jülich, 31.03.2018

18. Kurzfassung Das Projekt untersuchte die sozio-ökologisch nachhaltige Bewirtschaftung küstennaher Agrarökosysteme in den Deltas des Mekong und des Red River, Vietnam, und suchte nach Anpassungsmöglichkeiten an zunehmende Salinität, Klimawandel und Bevölkerungswachstum. Der Fokus lag auf Veränderungen der Bewirtschaftung von reinem Reisanbau zu Reis-Krabben-Wirtschaft bis hin zur reinen Aquakultur, die erhebliche Auswirkungen auf Bodenqualität, Biodiversität, Klima und die Lebensgrundlage der Menschen haben. Insbesondere war es das Ziel, Managementoptionen zu entwickeln, die es den Bauern ermöglichen, den anhaltenden Verlust von Oberboden und Bodenfruchtbarkeit aufzuhalten und umzukehren. Die Arbeiten in diesem Projekt zielten darauf ab, die derzeitige Bewirtschaftung in beiden Untersuchungsgebiete des Vorhabens (Red River und Mekong Delta) hinsichtlich ihrer Nachhaltigkeit und ihrer Klimawirksamkeit zu bewerten und zukünftige Bewirtschaftungsstrategien bei gleichzeitiger langfristiger Sicherung der Bodenfruchtbarkeit sowie der Minimierung der Nährstoffüberschüsse und des Treibhausgasausstoßes zu optimieren, um die Lebensgrundlage der Bevölkerung in dieser Region dauerhaft zu sichern und die Rückwirkung auf das globale Klima zu minimieren.

19. Schlagwörter Küstenregionen, Reisanbau, Versalzung, Landnutzungswandel, Aquakultur, Treibhausgasemissionen

20. Verlag

21. Preis

BMBF-Vordr. 3832/03.07_2

Document Control Sheet

1. ISBN or ISSN

2. type of document (e.g. report, publication) Final report

3. title Bioeconomy International: DeltAdapt – Sustainable adaptation of coastal agro-ecosystems to increased salinity intrusion – TP FZJ

4. author(s) (family name, first name(s)) Brüggemann, Nicolas, Prof. Dr.

5. end of project 30. September 2017

6. publication date 31.03.2018

7. form of publication Final report

8. performing organization(s) (name, address) Forschungszentrum Jülich GmbH Institut für Bio- und Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Wilhelm-Johnen-Straße 52425 Jülich Germany

9. originator’s report no.

10. reference no. 031A287C

11. no. of pages 20

12. sponsoring agency (name, address) Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 53170 Bonn

13. no. of references 9

14. no. of tables -

15. no. of figures 17

16. supplementary notes None.

17. presented at (title, place, date) Projektträger Jülich, Bioökonomie, Fachbereich Strategie und Kommunikation (BIO 1); Jülich, 31 March 2018

18. abstract The project examined the socio-ecologically sustainable management of coastal agroecosystems in the deltas of the Mekong and the Red River, Vietnam, and looked for ways to adapt to increasing salinity, climate change and population growth. The focus was on changes in the management of pure rice cultivation to rice-shrimp economy to pure aquaculture, which have significant effects on soil quality, biodiversity, climate and livelihood of the people. In particular, the goal was to develop management options that would allow farmers to halt and reverse the continuing loss of topsoil and soil fertility. The work in this project aimed to assess the current management in both study areas of the project (Red River and Mekong Delta) in terms of sustainability and climate impact, and to support future management strategies while ensuring long-term soil fertility and minimizing nutrient surpluses and greenhouse gas emissions in order to secure the livelihood of the population in this region on a long-term basis and to minimize its repercussion on the global climate.

19. keywords Coastal regions, rice cultivation, salinisation, land use change, aquaculture, greenhouse gas emissions

20. publisher

21. price

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