Melina und Isabell haben beim Bundesumweltwettbewerb den Bundessieg errungen und beim Tuttlinger Klimapreis 2021 gewonnen.
Beim Jugend forscht Wettbewerb 2021 haben sie in der Sparte Geo- und Raumwissenschaften den ersten Platz auf Landesebene belegt, haben im Bundesfinale den zweiten Platz gewonnen und eine Einladung zum International Water Prize in Stockholm im August erhalten, bei dem sie Deutschland vertreten durften. Die haben den Nachhaltigkeitswettbewerb "Future made by you!" der Uni Hohenheim gewonnen und dürfen Deutschland 2022 bei der ISEF, dem größten weltweiten Nachwuchsforscherwettbewerb in den USA vertreten.
Landwirtschaft auf Kosten der Umwelt?
Basierend auf den Erkenntnissen des letzten Projektes, bei dem verschiedene Gründüngungspflanzen und im Speziellen die Rhizobien bei Leguminosen auf deren Potenzial im Kontext des Klimawandels untersucht wurden, und aufgrund der in den Medien aktuell diskutierten Themen Bodengesundheit, Biodiversität, CO2-Zertifikate für Landwirte und Düngemanagement, wurden im neuen Projekt der landwirtschaftlich genutzte Boden, dessen Gesundheit und verschiedene Energiepflanzen mit unterschiedlicher Anbaurhythmik (Durchwachsene Silphie und Mais) wissenschaftlich untersucht. Diese Thematik hat uns vor allem deshalb interessiert, weil Biogasanlagen zwar als sehr grüne, umweltfreundliche Energiegewinnungsformen angepriesen werden, allerdings der Mais als Pflanze durchaus nicht nur positive Aspekte aufweist. Außerdem wurde auch durch unser letztjähriges Projekt das Interesse an landwirtschaftlichen Themen sowie der Bodengesundheit geweckt. Oder um es mit den Worten unserer Familien auszudrücken: „Ihr arbeitet nun mal gerne mit Dreck“.
Auf der Basis unserer Ergebnisse haben wir außerdem ein Spiel mit dem Titel "Simaland" entwickelt und ein Kinderbuch geschrieben, um nachfolgenden Generationen einen Einstieg in die Thematik zu bieten.
Energiepflanzen und die Umwandlung derselben in Strom, Wärme und Kraftstoffe ermöglichen Landwirten neue Perspektiven. Der hohe Energiegehalt von Mais führte in der Vergangenheit zu einem steigenden Einsatz für die Biogasproduktion, was zur Folge hatte, dass in vielen Regionen massiv Mais angebaut wurde, der allerdings als Windbestäuber nicht insektenfreundlich ist und durch späte Saat, ein langsames Jugendwachstum, einen weiten Reihenabstand und eine erst spät schützende Bodenbedeckung zu starker Erosion sowie zum Eintrag von Bodenmaterial in Fließgewässern führen kann. Aus diesem Grund haben es sich die Metzler und Brodmann GmbH zum Ziel gesetzt, mit der Durchwachsenen Silphie (Silphium perfoliatum L.) eine Energiepflanze auf dem Markt zu etablieren, die als blühende Dauerkultur die Biodiversität in der Energielandwirtschaft erhöht und vor dem Hintergrund der notwendigen Rohstoff- und Energiesicherung für die Gesellschaft sowie des Klimawandels Böden schonend, effizient und nachhaltig bewirtschaften lässt.[1] Im vorliegenden Projekt wurde untersucht, welchen Einfluss der Mais und die Durchwachsene Silphie jeweils auf die Bodengesundheit haben. Dazu wurde der Humusgehalt von zwei nebeneinander liegenden landwirtschaftlich genutzten Flächen in Frittlingen untersucht, da dieser ein guter Indikator für die Fruchtbarkeit eines Bodens ist und zudem viel Kohlenstoff speichert, welcher somit nicht in die Atmosphäre entlassen wird. Deswegen wirken sich humusreiche Böden positiv auf das Klima aus, was auf die jetzige Situation bezogen ein Vorteil für die Energiepflanzen wäre, die den Humusgehalt im Boden erhöhen. Als zweiter Faktor wurde der Einfluss der Pflanzen auf den Nitratgehalt des Bodens untersucht, da bei der Düngung viel Nitrat in den Boden eingelagert wird, welches bei unzureichender Notwendigkeit oder durch Erosion in die Umwelt und das Grundwasser abgetragen wird und dort fatale Folgen nach sich zieht. Da Pflanzen unterschiedlich viel Nitrat für ihr Wachstum benötigen und auch ein sich unterscheidendes Maximum an Nitrataufnahmekapazität haben, war es interessant, auch diesen Aspekt vergleichend zu betrachten. Der dritte Aspekt, der für die Pflanzen im Kontext des Klimawandels und auch für die Bodengesundheit eine entscheidende Rolle spielt, ist die Wasserretention. Wenn ein Boden eine geringe Wasserrückhaltefähigkeit besitzt, führt das dazu, dass zum Beispiel bei Starkregenereignissen die oberen Bodenschichten sowie die darin enthaltenen Nährstoffe ausgespült werden. Dies schadet dem Boden, dessen Lebewesen und den darin wachsenden Pflanzen nachträglich und verlangt eine Regeneration.
Mit dem Projekt sollen folgende Fragen durch wissenschaftliche Forschungen beantwortet werden:
1. Wie wachsen Silphie und Mais unter verschiedenen Bedingungen?
2. Wie unterscheiden sich die Böden benachbarter Felder in ihrem Nähr- und Mineralstoffangebot bei Dauerkultur Silphie und Mais?
3. Gibt es Unterschiede bei der Wasserrückhaltefähigkeitdes Bodens bei den beiden Kulturen und wenn ja, welche?
4. Können Silphie und Mais auch unter definierten Bedingungen in selbst gebauten Boxen wissenschaftliche Ergebnisse hinsichtlich der Wasserhaltefähigkeit liefern und wenn ja, welche?
5. Inwieweit unterscheidet sich das Wachstum von Silphiensetzlingen, Silphiensaat und Silphiensaat mit Gründüngung im Unterwuchs im ersten Vegetationsjahr auf einem schlechten Boden?
6. Wie viel/wenig Nitrat können die jeweiligen Pflanzen aus dem Boden filtern und aufnehmen und von welchen Faktoren ist das abhängig?
7. Wie unterscheiden sich die Böden, auf denen der Mais beziehungsweise die Silphie angebaut wurde, im Hinblick auf den vorhandenen Humusgehalt bzw. weitere wichtige Mineral- und Nährstoffe?
8. Welche Anbauform ist im Kontext des Klimawandels aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse zu empfehlen?
[1] Koch, Erich: Die Silphie, ein ökologischer „Allrounder“ für die Biogas Gewinnung, 2016.
Die Durchwachsene Silphie
Die Durchwachsene Silphie (Silphium perfoliatum) gehört zur Familie der Asteraceae (Korbblütler), blüht gelb und stammt aus den gemäßigten Breiten Nordamerikas, wo ähnliche Klimabedingungen herrschen wie in Deutschland.[1] Sie wird als Biogassubstrat eingesetzt, wobei ihre Methanausbeute 15 – 25% unter der von Mais liegt.[2] Die Silphie gedeiht auf den meisten Böden sehr gut und überdauert auch längere Kälteperioden ohne Schaden zu nehmen, da die Wurzelstöcke frosthart sind, was sie für die Bedingungen auf der Schwäbischen Alb attraktiv macht. Für einen hohen Ertrag sind humose Böden mit guter Wasserführung notwendig.[3] Sie erreicht eine Wuchshöhe von zwei bis vier Metern. Die Blätter stehen einander gegenüber. Sie sind am Blattgrund miteinander verwachsen, bilden kleine Becher und können so Tau und Regenwasser sammeln. Sie können die Funktion von Insektentränken übernehmen. Ihre pollenreichen Blüten werden von verschiedensten Insekten angeflogen, Silphienhonig wird bereits verkauft. Als ausdauernde Landwirtschaftspflanze stabilisiert sie Nutzflächen dauerhaft, verhindert so die Störung und Erosion des Bodens durch Perioden, in denen der Boden brach liegt, bewirkt ein aktives Bodenleben und durch die Vermehrung von Regenwürmern auch eine sehr gute Durchlüftung des Bodens.[4] Außerdem sind weniger Bearbeitungsdurchgänge nötig, da sie nicht jedes Jahr erneut angesetzt werden muss, was den Boden auch hinsichtlich weiterer Verdichtung schont.
Die Silphie ist bei der Bestandsetablierung zunächst arbeits- und kostenintensiver als der Mais und benötigt ein feinkrümeliges, unkrautfreies Saat- bzw. Pflanzbett.[1] Silphien können über vorbehandeltes Saat- oder Pflanzgut alleine etabliert werden oder als Untersaat zu Mais, wobei die Aussaat zwischen Mitte April und Mitte Juni erfolgen sollte.[2] Im ersten Jahr kann es durch Schneckenverbiss und Konkurrenzschwäche zu Unkräutern zu Ausfällen von Setzlingen kommen, was sich auch im Feldversuch gezeigt hat und mehrfaches Unkrautjäten notwendig machte. In der Landwirtschaft wird ebenfalls eine mechanische Unkrautkontrolle durchgeführt, weiterhin ist eine chemische Unkrautkontrolle mit zugelassenen Bodenherbiziden unmittelbar nach der Saat möglich. Ist der Bestand ab dem zweiten Vegetationsjahr geschlossen, kann auf Unkrautbekämpfungsmaßnahmen verzichtet werden. Herr Benne befreit pro Jahr seit 2013, dem zweiten Jahr des Anbaus der Silphie in Frittlingen, zweimal im Jahr die Flächen mechanisch, Herbizide werden im Vergleich zum Mais keine eingesetzt. Pro Quadratmeter werden 15 – 25 keimfähige Samen angezogen, bei Setzlingen muss ein Reihenabstand von 38 – 50cm eingehalten werden. Die Pflanze bildet im ersten Jahr eine Blattrosette aus, die energetisch nicht genutzt werden kann. Ab dem zweiten Anbaujahr ist eine Ernte von Mitte August bis Mitte September möglich. Nach den Düngeverordnungen ist bei einer Etablierung als Reinsaat im Anlagejahr keine Düngung mehr möglich, als Mischsaat mit Mais ist eine Düngung erlaubt.[3] Herr Benne in Frittlingen düngt 170kg Gärreste auf 35t Frischmasse Silphie, ein mineralischer Dünger ist im Vergleich zum Mais nicht notwendig. In Deutschland werden derzeit etwa 3000 Hektar Silphie angebaut. Bisher treten keine Schädlinge auf, die den Ertrag der Pflanzen mindern.[4] Hinzu kommt, dass Landwirte gesetzlich ökologische Vorrangflächen ausweisen müssen, auf denen sie keine Pflanzenschutzmittel einsetzen. In diesem Kontext kann die Silphie eingesetzt werden. Darüber hinaus gibt es im Frühjahr auf den Feldern häufig Wassererosionen, die durch die Silphie deutlich gemindert werden, da sie den Boden gut durchwurzelt und festhält.
[1] Koch, Erich: Die Silphie, ein ökologischer „Allrounder“ für die Biogas Gewinnung, 2016.
[2] Gespräch mit Herrn Benne
[3] https://www.tfz.bayern.de/silphie (Zugriff: 04.11.2020)
[4] Genauere Informationen zum Thema Bodengesundheit, siehe Kapitel 2.4. und 2.5.
[1] https://www.tfz.bayern.de/silphie (Zugriff: 04.11.2020)
[2] Gespräch mit Frau Alexandra Kipp von der Metzler und Brodmann GmbH
[3] https://www.tfz.bayern.de/silphie (Zugriff: 04.11.2020)
[4] https://www.tfz.bayern.de/silphie (Zugriff: 04.11.2020)
Der Mais
Der Mais (Zea Mays L.) gehört zu den einjährigen Pflanzen aus der Familie der Süßgräser (Poaceae).[1] Er besitzt einen bis 4cm dicken, 1 – 2,5m langen Stängel. Die Blätter stehen zweizeilig und sind sehr lang. Das Wurzelwerk reicht weniger tief in den Boden als das der Silphie und bildet an den ersten oberirdischen Halmknoten Stelzwurzeln zur Stabilisierung der Pflanze. Der Mais ist einhäusig mit endständigen männlichen Rispen und weiblichen Kolben in den Blattachseln. Er gehört zu den C4-Pflanzen und kann Sonnenenergie sehr effektiv nutzen. Der Mais bevorzugt warme, gut drainierte Böden. Staunässe verträgt er ebenso wenig wie Moorböden.
Maissamen benötigen ein gut vorbereitetes, rückverfestigtes Saatbett und müssen 4cm in den Boden eingebracht werden, um ein optimales Temperatur- und Lichtverhältnis zu schaffen.[1] Eine Aussaat ist bei Bodentemperaturen um 8°C möglich. Um Krähenverbiss zu verringern und Pilzkrankheiten sowie Schäden durch die Fritfliege zu verhindern, wird der Mais gebeizt, wobei es seit letztem Jahr eine neue Verordnung gibt, die den Landwirten dies verbietet. Die Landwirte greifen deshalb zum Teil auf eigene Beize mit Bier und Chili zurück.[2] Die Pflanzen müssen 25cm auseinander stehen. Zu große Trockenheit bei der Keimung führt zu erheblichen Ausfällen. In der Region Tuttlingen mussten verschiedene Landwirte im Jahr 2020 zweimal nachsähen.
Da der Mais als junge Pflanze gegen Unkraut sehr konkurrenzschwach ist, muss eine Unkrautbekämpfung möglichst früh erfolgen, wobei zunächst Boden- und Blattherbizide eingesetzt werden und im 5 bis 6-Blattstadium nochmals eine Nachbehandlung stattfindet. Punktuell werden auch im weiteren Verlauf Pflanzen wie der Storchenschnabel oder Hirsearten speziell bekämpft. Schädlinge wie Drahtwürmer können mit spezieller Genehmigung bekämpft werden, der Maiszünsler wird mit einem Insektizid bekämpft oder mit einem tiefen Schnitt bei früher Silomaisernte. Der Maiswurzelbohrer als Quarantäneschädling wird bei Auftreten gemeldet und bekämpft. Gegen ihn hilft ein Fruchtwechsel in der Fruchtfolge.[3] Herr Benne setzt für 35t Frischmasse Mais 190kg Dünger jährlich ein, wobei 95% Gärreste und 5% mineralische Dünger verwendet werden. Hinzu kommen jährliche Herbizideinsätze.
Mais wird in Deutschland auf etwa 2,5 Mio Hektar angebaut (20% der gesamten Ackerfläche). 80% wird als Silomais für Viehfutter und Biogasanlagen eingesetzt, 20% als Körnermais.[4]
Die Zunahme des Maisanbaus führte zu Kritik, wie der Verarmung der Anbauflächen durch einseitige Fruchtfolgen, Erosionsgefahr, Humusabbau und Rückgang der Biodiversität. Durch Maßnahmen wie Untersaaten, Zwischenfrucht- oder Mischanbau kann allerdings eine bessere Umweltverträglichkeit erreicht werden.[5]
[1] https://pflanzen.fnr.de/energiepflanzen/pflanzen/mais (Zugriff: 05.11.2020)
[1] https://www.landwirtschaftskammer.de/landwirtschaft/ackerbau/pdf/steckbriefe-energiepflanzen.pdf (Zugriff: 05.11.2020)
[2] Gespräch mit Hanna Mink vom Bertholdshof Seitingen-Oberflacht
[3] https://www.landwirtschaftskammer.de/landwirtschaft/ackerbau/pdf/steckbriefe-energiepflanzen.pdf (Zugriff: 05.11.2020)
[4] https://pflanzen.fnr.de/energiepflanzen/pflanzen/mais (Zugriff: 05.11.2020)
[5] https://www.landwirtschaftskammer.de/landwirtschaft/ackerbau/pdf/steckbriefe-energiepflanzen.pdf (Zugriff: 05.11.2020)
Silphie und Mais im Vergleich - Ein Fazit
Die Silphie ist im Vergleich zum Mais keine absolute Wunderpflanze, punktet aber vor allem in ihrer Eigenschaft als Dauerkultur, da sie dadurch den Wasserhaushalt der Böden, durch Rückhalt und Speicherung des Wassers, sowohl bei Trockenheit als auch bei Starkregenereignissen, positiv beeinflusst und die Nährstoffauswaschung, vor allem von Nitrat, verhindert. Der Mais hingegen erhöht das Risiko der Nitratauswaschung durch seine Wechselkultur, da in den Ernte- und vor den Anbauphasen, in denen durch Düngung und Zersetzung besonders viel Nitrat im Boden enthalten ist, auch die Gefahr der Erosion durch brach liegende Felder gegeben ist. Diese Erkenntnisse gehen sowohl aus den Feldversuchen als auch aus den Versuchen in den Boxen gleichermaßen hervor. Beim Anbau des Mais als Energiepflanze wird demnach zum Schutz der Umwelt vor einer zu hohen Nitratbelastung empfohlen, auf Gründüngung zurückzugreifen, da durch diese die Auswaschung aufgrund der Wurzeln zumindest teilweise verhindert werden kann und außerdem nicht zusätzlich übermäßig viel Nitrat durch synthetische Dünger in den Boden eingelagert wird, noch bevor die tatsächliche Nutzpflanze gesät wird.
Gründüngung hat auch einen positiven Effekt auf die Wirtschaftlichkeit der Silphie, wie aus den Versuchen auf dem Seitinger Feld hervorgegangen ist. So bildet die Silphie auf schlechtem Boden bei vorheriger Anzucht zwar die höchste Phytomasse, dies ist allerdings nur schwer in der tatsächlichen Landwirtschaft umsetzbar, da sonst das Kosten-Nutzen-Verhältnis des Silphienanbaus nicht mehr zu rechtfertigen wäre. Aus diesem Grund sind die Landwirte darauf angewiesen, die Silphie säen zu können und dies bringt bei einer Kombination mit Gründüngung durch die Luzerne den meisten Ertrag, gleichzeitig wird das Feld auch gedüngt.
Die Silphie benötigt für ihr Wachstum weniger Dünger und keinen Herbizideinsatz, wie es beim Mais der Fall ist, was sie umweltfreundlicher macht. Aus den Bodenanalysen geht hervor, dass die Silphie auf dem Frittlinger Feld einen höheren Humusgehalt, und damit auch eine bessere Grundlage für aktives Bodenleben, Wasserspeicherung und CO2-Speichermöglichekit aufweist, was im Zusammenhang mit dem Klimawandel positiv betrachtet werden muss.
Die Silphien leiden in längeren Trockenperioden genau wie der Mais unter Stress, allerdings können die Pflanzen im aktuellen Fall auch aufgrund der in den Bodenanalysen festgestellten Überversorgungen Stress ausgesetzt gewesen sein. Unter wirtschaftlichen Aspekten muss auch die teurere Anschaffung, eine geringere Energieausbeute sowie die Festlegung auf eine Pflanzenart bei der Silphie einberechnet werden. Außerdem kommt es bei den Silphien im ersten Jahr durch Schneckenverbiss und Unkrautkonkurrenz zu Ausfällen von Pflanzen. Dennoch ist im Hinblick auf die sich häufenden Starkregenereignisse, Dürren und die CO2-Problematik als Folgen und Auslöser des Klimawandels, zu empfehlen, mehr Felder auf Silphie umzustellen, um von ihrer Fähigkeit als Dauerkultur zu profitieren, die landwirtschaftlichen Böden zu schützen. Außerdem kann es auch besonders an Hanglagen sinnvoll sein, Silphie anzubauen, da sie die Abrutschung/Abtragung des Bodens verhindert und an diesen aufwendig zu bebauenden Stellen durch die Silphie weniger Arbeitsgänge nötig sind.
Für den beim Bundesumweltwettbewerb geforderten Handlungsteil durften die beiden einen Zeitungsartikel im Gränzboten veröffentlichen, dürfen im Haus der Natur in Beuron einen Informationsstand zu ihrem Projekt aufbauen, haben ein eigenes Spiel entworfen, das im Unterricht eingesetzt werden kann und schreiben aktuell an einem eigenen Kinderbuch.