Rolle der Nährstoffnutzungseffizienz in der verantwortungsvollen Pflanzenernährung

Die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE) ist ein entscheidendes Konzept in der modernen Landwirtschaft und spielt eine Schlüsselrolle bei der Förderung des Pflanzenwachstums und der Optimierung des Gesamtertrags. Da die Weltbevölkerung weiter wächst, verschärft sich die Nachfrage nach Nahrungsmittelproduktion, was es für Landwirte zwingend erforderlich macht, nachhaltige und effiziente Anbaumethoden anzuwenden.

Nährstoffe sind für das Wachstum, die Entwicklung und den Stoffwechsel von Pflanzen unerlässlich. Sie spielen wichtige Rollen bei verschiedenen physiologischen Prozessen wie Photosynthese, Atmung, Enzymaktivität, Zellteilung, Signaltransduktion und Stressreaktion.

Pflanzen benötigen je nach Art, Wachstumsstadium und Umweltbedingungen unterschiedliche Mengen und Arten von Nährstoffen. Einige Nährstoffe werden in großen Mengen benötigt (Makronährstoffe), wie Stickstoff (N), Phosphor (P) und Kalium (K) usw. Andere werden in geringen Mengen benötigt (Mikronährstoffe), wie Eisen (Fe), Zink (Zn) und Kupfer (Cu) usw.

Was ist Nährstoffnutzungseffizienz?

Es bezieht sich auf die Fähigkeit einer Pflanze, Nährstoffe effektiv für Wachstum und Entwicklung zu nutzen. Einfacher ausgedrückt ist es ein Maß dafür, wie effizient Pflanzen essentielle Elemente aus Boden, Wasser und Luft aufnehmen und verwerten.

Seine Verwertung zielt darauf ab, Verluste zu minimieren und die Aufnahme und Nutzung von Nährstoffen durch Pflanzen zu maximieren, was letztendlich zu einer verbesserten Ernteleistung beiträgt. Es kann als Verhältnis von Pflanzenbiomasse oder Ertrag zur Nährstoffaufnahme oder -einbringung ausgedrückt werden.

Ein hoher NUE bedeutet, dass Pflanzen mehr Biomasse oder Ertrag mit geringerer Nährstoffaufnahme oder -zufuhr produzieren, während ein niedriger NUE bedeutet, dass Pflanzen mehr Nährstoffe benötigen, um das gleiche Wachstums- oder Produktionsniveau zu erreichen.

Darüber hinaus kann NUE je nach Fragestellung und verfügbaren Daten auf unterschiedliche Weise definiert werden. Einige gebräuchliche Begriffe, die zur Beschreibung von NUE verwendet werden, sind:

• Partielle Faktorproduktivität (PFP)die Menge der Ernteerträge pro Einheit des zugeführten Nährstoffs
• Agroökonomische Effizienz (AE)die Steigerung des Ernteertrags pro Einheit des zugeführten Nährstoffs
• Teil-Nährstoffbilanz (PNB): die Nährstoffaufnahme pro Einheit des zugeführten Nährstoffs
• Scheinbare Erholungseffizienz (RE)Der Unterschied in der Nährstoffaufnahme zwischen gedüngten und ungedüngten Kulturen pro Einheit des zugeführten Nährstoffs
• Interne Nutzungseffizienz (IE)die Höhe des Ernteertrags pro Einheit der Nährstoffaufnahme
• Physiologische Effizienz (PE): die Zunahme des Ernteertrags pro Einheit des Unterschieds in der Nährstoffaufnahme zwischen gedüngten und ungedüngten Kulturen

Globale Reaktion auf seine Bedeutung

Laut der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation (FAO) ist der weltweite Düngemittelverbrauch seit 1961 um mehr als 500% gestiegen und erreichte 2023 mehr als 200 Millionen Tonnen Nährstoffe. Dies hat zu einer erheblichen Steigerung der Nahrungsmittelproduktion und der Lebensmittelverfügbarkeit beigetragen, aber auch zu erheblichen Nährstoffverlusten in die Umwelt.

Weiterhin schätzt die FAO, dass weltweit nur 42% Stickstoff (N) und 15% Phosphor (P), die als Dünger ausgebracht werden, von den Pflanzen aufgenommen werden, während der Rest durch Auswaschung, Oberflächenabfluss, Erosion, Verflüchtigung, Denitrifikation oder Immobilisierung verloren geht.

Daher hat die FAO als Ziel gesetzt, die globale durchschnittliche Nährstoffnutzungseffizienz (NUE) von 42%auf 52% bis 2030 zu steigern. Dies würde eine Reduzierung des N-Düngerverbrauchs um 20% und eine Steigerung der N-Aufnahme der Pflanzen um 10% erfordern. Ähnlich hat das Scientific Panel on Responsible Plant Nutrition eine Vision für die Erreichung einer naturpositiven Pflanzenernährung bis 2050 vorgeschlagen. Diese Vision umfasst fünf Ziele:

1. Halbierung der Nährstoffabfälle im Lebensmittelsystem durch verantwortungsvollen Konsum, verstärktes Recycling und bessere Managementpraktiken.
2. Bodennaehrstoffverarmung und Kohlenstoffverlust gestoppt, was zu einer verbesserten Bodengesundheit und organischen Substanz fuehrte.
3. Nährstoffverluste in Gewässer um 75%reduziert, wodurch Eutrophierung und Algenblüten verhindert wurden.
4. Lachgasemissionen aus der Landwirtschaft um 50%reduziert, was zur Minderung von Treibhausgasemissionen und Klimawandel beiträgt.
5. Ernteerträge und -qualität stiegen um 50%, was die Ernährungssicherheit und die Nährstoffversorgung verbesserte.

Die globale durchschnittliche N-Nutzungs-Effizienz (NUE) von Getreide betrug 33%, die von Ölsaaten 48%, die von Wurzeln und Knollen 62%, die von Hülsenfrüchten 64%, die von Obst 66%, die von Gemüse 68%und die von Zuckerkulturen 69%im Jahr 2018/19.

In China zeigte ein groß angelegtes partizipatives Experiment mit mehr als 20 Millionen Landwirten, dass die Reduzierung der N-Düngung um durchschnittlich 14n Weizenertrag um durchschnittlich 10%steigerte, was zu einer Steigerung der partiellen Faktorproduktivität um durchschnittlich 29% führte.

Während in Indien ein Feldversuch mit verschiedenen Reissorten zeigte, dass die Anwendung des standortspezifischen Nährstoffmanagements auf der Grundlage von Bodenuntersuchungen den Kornertrag um durchschnittlich 17%, die Ressourceneffizienz um durchschnittlich 22%und die Rentabilität pro Nährstoffbilanz um durchschnittlich 28%steigerte, verglichen mit der Praxis der Landwirte. .

Ebenso zeigte ein Feldversuch in Kenia mit verschiedenen Mais-Leguminosen-Mischkultursystemen, dass die Anwendung von Mikrodosen Dünger zusammen mit organischem Dünger den Kornertrag um durchschnittlich 79%, die agronomische Effizienz um durchschnittlich 86%, die Ressourceneffizienz um durchschnittlich 51%und die Rentabilität pro Nährstoffbilanz um durchschnittlich 50%im Vergleich zur Einzelkultur ohne Düngung steigerte.

Diese Beispiele zeigen das Potenzial zur Verbesserung der Nährstoffaufnahmeeffizienz (NUE) durch verschiedene Strategien und Praktiken, die die Pflanzenproduktion steigern und gleichzeitig Nährstoffverluste und Emissionen reduzieren können.

Wie ist es wichtig für das Pflanzenwachstum?

NUE ist aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen wichtig, da sie die Kosten der Pflanzenproduktion und das Risiko von Nährstoffverlusten in die Umwelt verringern kann. Hier sind jedoch einige wichtige Aspekte des Pflanzenwachstums, die eng damit verbunden sind.

Verbesserte Photosynthese

Einer der Hauptfaktoren, die die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE) beeinflusst, ist die Photosynthese, der Prozess, bei dem Pflanzen Lichtenergie in chemische Energie umwandeln. Die Photosynthese hängt von der Verfügbarkeit von Nährstoffen ab, insbesondere von Stickstoff (N), der ein Hauptbestandteil von Chlorophyll ist, dem Pigment, das Licht absorbiert.

N spielt eine Rolle bei der Synthese von Aminosäuren, Nukleotiden und anderen Molekülen, die für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen unerlässlich sind. Phosphor ist ebenfalls für den Energietransfer unerlässlich, während Kalium die Öffnungs- und Schließbewegungen der Spaltöffnungen reguliert und damit die Aufnahme von Kohlendioxid beeinflusst.

Daher beeinflusst eine effiziente Nährstoffnutzung direkt die Photosyntheserate, was zu einer erhöhten Energieproduktion für das Pflanzenwachstum führt.

2. Zelluläre Struktur und Funktion

Ein weiterer Faktor, den es beeinflusst, ist die Zellstruktur und -funktion, die bestimmt, wie Nährstoffe in den Pflanzenzellen aufgenommen, transportiert, gespeichert und genutzt werden. Zellstruktur und -funktion hängen von der Verfügbarkeit von Nährstoffen ab, insbesondere von Phosphor (P), Kalium (K), Kalzium (Ca) und Magnesium (Mg) usw.

Zum Beispiel ist Kalzium an der Entwicklung von Zellwänden beteiligt und sorgt für Zellintegrität und -festigkeit. Magnesium ist ein zentraler Bestandteil von Chlorophyllmolekülen und unterstützt die Photosynthese. Eine effiziente Nährstoffnutzung gewährleistet daher die ordnungsgemäße Funktion von Zellen und Geweben und fördert die allgemeine Pflanzengesundheit.

3. Widerstandsfähigkeit gegen Stress und Krankheiten

Ein weiterer Faktor, den sie beeinflusst, ist die Widerstandsfähigkeit gegen Stress und Krankheiten, die das Pflanzenwachstum und den Ertrag beeinträchtigen können, indem sie verschiedene physiologische und biochemische Prozesse beeinflussen. Stress und Krankheiten können durch verschiedene Faktoren verursacht werden, wie z. B. Dürre, Salzgehalt, extreme Temperaturen, Nährstoffmangel oder -toxizität, Schädlinge, Krankheitserreger, Unkräuter usw.

Eine angemessene Nährstoffversorgung stärkt Pflanzen und macht sie widerstandsfähiger gegen Umweltstress und Krankheiten. Gut ernährte Pflanzen können widrigen Bedingungen wie Trockenheit oder Schädlingsbefall besser standhalten. Darüber hinaus zeigen nährstoffeffiziente Pflanzen eine verbesserte Stresstoleranz, was unter schwierigen Umständen zu anhaltendem Wachstum und höheren Ernteerträgen beiträgt.

Welche Faktoren beeinflussen es und wie kann man sie kontrollieren?

NUE in der Landwirtschaft ist kein Konzept, das für alle passt; vielmehr wird es von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst, die die Art und Weise, wie Pflanzen wichtige Nährstoffe aufnehmen, nutzen und darauf reagieren, komplex gestalten. Zu den Faktoren, die sie beeinflussen, gehören Bodeneigenschaften, klimatische Bedingungen, Kulturarten und -sorten, Managementpraktiken und Wechselwirkungen zwischen diesen Faktoren.

1. Bodeneigenschaften

Bodeneigenschaften wie Textur, Struktur, pH-Wert, organisches Material und mikrobielle Aktivität haben einen erheblichen Einfluss auf die NUE. Bodentextur und -struktur beeinflussen die Wasserspeicherkapazität, Belüftung, Drainage und Wurzeldurchdringung des Bodens.

Diese Faktoren beeinflussen die Verfügbarkeit und Mobilität von Nährstoffen in der Bodenlösung und die Aufnahme durch Pflanzenwurzeln. Beispielsweise haben Sandböden eine geringe Wasserspeicherfähigkeit und ein hohes Auswaschungspotenzial, was die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE) von Stickstoff (N) und Kalium (K) verringern kann.

Lehmböden haben eine hohe Wasserspeicherkapazität und geringe Belüftung, was die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE) von Phosphor (P) und Mikronährstoffen einschränken kann.

Ferner beeinflusst der pH-Wert des Bodens die Löslichkeit und Verfügbarkeit von Nährstoffen im Boden. Die meisten Nährstoffe sind in leicht sauren bis neutralen Böden (pH 6-7) besser verfügbar, während einige Mikronährstoffe wie Eisen (Fe), Mangan (Mn), Zink (Zn) und Kupfer (Cu) in sauren Böden (pH < 6) besser verfügbar sind.

Bodenorganische Substanz und mikrobielle Aktivität beeinflussen den Kreislauf und die Umwandlung von Nährstoffen im Boden. Organische Substanz liefert eine Quelle für Kohlenstoff (C) und Energie für Bodenmikroorganismen, die organische Nährstoffformen in anorganische Formen umwandeln können, die für die Pflanzenaufnahme verfügbar sind.

Mikroorganismen können Nährstoffe auch immobilisieren, indem sie diese in ihre Biomasse einbauen oder Komplexe mit organischen Molekülen bilden.

2. Klima-Bedingungen

Klimatische Bedingungen wie Temperatur, Niederschlag, Sonneneinstrahlung und Wind beeinflussen die Nährstoffeffizienz (NUE) durch ihre Auswirkungen auf Bodenprozesse, Pflanzenwachstum und Nährstoffverluste. Die Temperatur beeinflusst die Geschwindigkeit chemischer und biologischer Reaktionen im Boden sowie die Stoffwechselaktivität und Entwicklung von Pflanzen.

Höhere Temperaturen erhöhen im Allgemeinen die Mineralisierung organischer Substanz und die Verfügbarkeit von Nährstoffen im Boden, können aber auch die Verflüchtigung von Ammoniak (NH3) aus Harnstoff- oder Dunganwendungen oder die Denitrifikation von Nitrat (NO3-) zu Distickstoffoxid (N2O) oder Stickstoff (N2)-Gasen steigern.

Höhere Temperaturen können auch das Pflanzenwachstum und den Nährstoffbedarf beschleunigen, aber sie können auch die Wasseraufnahme und Transpiration der Pflanzen verringern, was den Nährstofftransport innerhalb der Pflanze beeinflussen kann.

Ebenso beeinflusst Regen den Wasserhaushalt und die Nährstoffdynamik im Boden-Pflanzen-System. Ausreichender Niederschlag ist unerlässlich für die Aufrechterhaltung der Bodenfeuchte und der Nährstoffverfügbarkeit für die Pflanzenaufnahme, aber übermäßiger Niederschlag kann zu Auslaugung oder Abfluss von Nährstoffen aus der Bodenoberfläche oder den Unterschichten führen.

Regen kann auch den Zeitpunkt und die Häufigkeit von Bewässerungs- und Düngemaßnahmen beeinflussen, was sich auf die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE) auswirken kann. Sonneneinstrahlung beeinflusst die photosynthetische Aktivität und die Biomasseproduktion von Pflanzen, die ihre Nährstoffnachfrage und -aufnahme bestimmen.

Darüber hinaus beeinflusst Wind die Nuteffizienz (NUE) auch durch Beeinflussung von Bodenerosion, Verdunstung und Verflüchtigung. Wind kann Bodenerosion verursachen, indem er Nährstoff-haltige Bodenpartikel ablöst und von einem Ort zum anderen transportiert.

Wind kann auch die Verdunstung von der Bodenoberfläche oder dem Blätterdach von Pflanzen erhöhen, was die Bodenfeuchtigkeit und die Nährstoffverfügbarkeit für die Pflanzenaufnahme verringern kann.

3. Pflanzeneigenschaften und Sorten

Die Nutzpflanzenarten und -sorten unterscheiden sich in ihrem genetischen Potenzial für die Nährstoffeffizienz (NUE) sowie in ihrer Reaktion auf Umwelt- und Managementfaktoren. Einige Kulturen weisen aufgrund ihrer physiologischen Merkmale wie Wurzelmorphologie, Nährstoffaufnahmekinetik, Translokationseffizienz, Assimilationskapazität, Remobilisierungseffizienz, Ernteindex usw. eine höhere inhärente NUE auf als andere.

Zum Beispiel weisen Getreide im Allgemeinen eine höhere NAE auf als Hülsenfrüchte, da sie einen höheren Erntefaktor (das Verhältnis von Kornertrag zu Biomasse) und eine geringere Nährstoffkonzentration in den Körnern aufweisen.

Darüber hinaus können auch verschiedene Sorten innerhalb einer Pflanzenart Unterschiede in ihrem NUE aufweisen, die auf genetische Merkmale oder Züchtungsbemühungen zurückzuführen sind. Beispielsweise haben einige Reissorten aufgrund ihrer Fähigkeit, alternative Stickstoffquellen (N) wie Ammonium (NH4+) oder die atmosphärische N2-Fixierung durch symbiontische Bakterien zu nutzen, einen höheren NUE als andere.

Einige Weizensorten weisen aufgrund ihrer Fähigkeit, Phosphor (P) effizienter zu nutzen, indem sie organische Säuren oder Phosphatasen absondern, die P aus dem Boden mobilisieren, eine höhere NUE auf als andere. Einige Maissorten weisen aufgrund ihrer Fähigkeit, Kalium (K) effizienter zu nutzen, indem sie die K-Auswaschung aus den Wurzeln verringern oder die K-Aufnahme bei geringer K-Verfügbarkeit erhöhen, eine höhere NUE auf als andere.

4. Managementpraktiken

Managementpraktiken wie Bodenbearbeitung, Fruchtfolge, Mischkulturen, Untersaaten, Bewässerung, Düngung, Unkrautbekämpfung, Schädlingsbekämpfung und Erntemanagement können die NÜE beeinflussen, indem sie das Bodenmilieu, das Pflanzenwachstum und die Nährstoffverluste verändern.

Bodenbearbeitung

Bodenbearbeitung beeinflusst die physikalischen und biologischen Bodeneigenschaften wie Bodenstruktur, organische Substanz, mikrobielle Aktivität und Nährstoffverteilung. Sie kann die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE) verbessern, indem sie die Bodenbelüftung und -entwässerung erhöht, was die Verfügbarkeit und Aufnahme von Nährstoffen durch Pflanzenwurzeln verbessern kann.

Es kann jedoch auch die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE) verringern, indem es Bodenerosion und Nährstoffverluste verstärkt oder die Menge an organischer Bodensubstanz und mikrobieller Aktivität reduziert, was den Nährstoffkreislauf und die Verfügbarkeit verringern kann.

Fruchtfolge

Fruchtfolge entwickelt sich zu einer Strategie zur Verbesserung der Nährstoffnutzungseffizienz (NUE) durch Diversifizierung der Nährstoffnachfrage und -versorgung zwischen den Kulturen. Über Nährstoffaspekte hinaus erweist sie sich auch als wirksames Mittel zur Unterbrechung von Schädlings- und Krankheitszyklen und trägt so zur Verbesserung der NUE bei.

Zum Beispiel können rotierende Getreide mit Hülsenfrüchten die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE) verbessern, indem sie die N-Versorgung aus der biologischen N₂-Fixierung durch Hülsenfrüchte erhöhen oder die N-Nachfrage von Getreide aufgrund ihres geringeren N-Bedarfs reduzieren.

Mischkultur

Der Mischfruchtanbau, der den gleichzeitigen Anbau von zwei oder mehr Kulturen auf derselben Fläche beinhaltet, wird für seine positiven Auswirkungen auf die N-Nutzungseffizienz (NUE) gefeiert. Dies wird durch die Förderung von Komplementarität und Synergie zwischen den Kulturen bei der Nährstoffnutzung erreicht. Beispielsweise verändert der Mischfruchtanbau von Getreide mit Leguminosen die N-Versorgungsmuster und beeinflusst die NUE positiv.

Zwischenfruchtanbau

Zwischenfruchtanbau, eine Praxis, bei der eine Kulturpflanze zwischen zwei Hauptkulturen angebaut wird, um die Bodenoberfläche zu bedecken und Erosion zu verhindern, hat zweifache Auswirkungen auf die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE). Einerseits trägt sie durch erhöhte organische Substanz, mikrobielle Aktivität und Nährstoffkreisläufe positiv zur Steigerung der NUE bei.

Andererseits entstehen Herausforderungen, da Zwischenfrüchte um Nährstoffe, Wasser und Licht konkurrieren und potenziell die NUE beeinträchtigen können.

Bewässerung

Bewässerung verbessert, wenn sie umsichtig angewendet wird, die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE), indem sie optimale Bodenfeuchtigkeits- und Nährstoffverfügbarkeit aufrechterhält. Eine schlecht durchgeführte Bewässerung kann die NUE jedoch durch Nährstoffauswaschung oder Oberflächenabfluss verringern.

Befruchtung

Die Düngung, wenn sie zeitlich richtig abgestimmt und angewendet wird, verbessert die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE), indem sie die Nährstoffverfügbarkeit für Pflanzenwurzeln erhöht. Dennoch können übermäßige Anwendungen zu Nährstoffverlusten führen, was die empfindliche Balance bei der Düngung unterstreicht.

Unkrautbekämpfung

Unkrautbekämpfung verbessert die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE), indem sie die Nährstoffkonkurrenz und Verluste durch Unkraut reduziert. Ihr Einfluss auf Bodeneigenschaften muss jedoch sorgfältig geprüft werden, da dies die N-Verfügbarkeit und -Aufnahme beeinflussen kann.

Schädlingsbekämpfung

Schädlingsbekämpfung wirkt sich positiv auf die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE) aus, indem sie Nährstoffverluste durch Schädlingsbefall reduziert. Ähnlich wie bei der Unkrautbekämpfung kann sich ihr Einfluss auf Bodeneigenschaften jedoch auf die Nährstoffverfügbarkeit und den Nährstoffkreislauf auswirken.

Erntemanagement

Das Erntemanagement, das Entscheidungen darüber umfasst, wann und wie Ernteerträge geerntet werden, spielt eine entscheidende Rolle bei der Beeinflussung der N-Nutzungseffizienz (NUE). Positiv wirkt es sich auf die NUE aus, indem es den Ertrag optimiert und die Nährstoffkonzentration in den geernteten Teilen reduziert. Eine unzureichende Ernteverwaltung kann jedoch Nährstoffe in Restteilen hinterlassen, was sich auf die NUE auswirkt.

Was sind die Hauptindikatoren für die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE) für verschiedene Systeme?

Es misst, wie gut ein Anbausystem die verfügbaren Nährstoffe zur Erzeugung von Feldfrüchten nutzt. Die NUE ist jedoch kein einfacher oder einheitlicher Indikator. Sie kann je nach berücksichtigten Ein- und Ausgaben, dem Maßstab und den Grenzen des Systems sowie dem Zweck der Bewertung variieren. Daher ist es wichtig, geeignete Indikatoren zu verwenden, die die Ziele einer verantwortungsvollen Pflanzenernährung widerspiegeln.

Düngemittelindikatoren

Diese Indikatoren konzentrieren sich auf die Effizienz der Nährstoffverwertung aus Düngemitteln. Sie zeigen, wie effektiv ausgebrachte Nährstoffe in den Ernteertrag umgewandelt werden, was Entscheidungen über ein optimales Nährstoffmanagement und die Ressourcenallokation informieren kann. Einige der gängigen Düngemittelindikatoren sind:

1. Partielle Faktorproduktivität (PFP): Dies ist das Verhältnis des Ernteertrags zum aufgebrachten Düngemittel-Nährstoff. Es gibt die Produktivität pro Einheit des Düngemitteleinsatzes an. Eine hohe PFP bedeutet einen hohen Ertrag bei geringem Düngemitteleinsatz. Sie berücksichtigt jedoch keine anderen Nährstoffquellen oder Verluste in die Umwelt.

Zum Beispiel liegt die übliche PFP (Partial Factor Productivity) für den Kornertrag pro Kilogramm appliziertem Stickstoff bei gut gepflegten Getreidekulturen im Bereich von 50 bis 100 Kilogramm.

2. Agronomische Effizienz (AE): Dies ist die Steigerung des Ernteertrags pro Einheit des aufgebrachten Düngernährstoffs. Sie gibt die Grenzerträge des Düngerinputs an. Ein hoher AE bedeutet eine große Ertragssteigerung bei geringem Düngereinsatz. Sie berücksichtigt jedoch nicht die anfängliche Bodenfruchtbarkeit oder Verluste an die Umwelt.

Am Beispiel von Stickstoff zeigt sich, dass in gut gepflegten Getreidesystemen die Ausbeute (AE) typischerweise bei etwa 20-30 Kilogramm Getreide pro Kilogramm zugeführtem Stickstoff liegt. Manchmal kann sie aber auch noch höher sein.

3. Rückgewinnungseffizienz (RE)Dies ist der Anteil des ausgebrachten Düngemittels, der von der Pflanze aufgenommen wird. Er gibt die Wirksamkeit der Nährstoffaufnahme aus Düngemitteln an. Ein hoher RE bedeutet einen geringen Verlust von Dünger an die Umwelt. Er berücksichtigt jedoch nicht den Ertrag oder die Qualität der Ernte.

Zum Beispiel, laut einer globalen Analyse von Zhang et al. (2015), waren die durchschnittlichen PFP, AE und RE von Stickstoffdüngern (N) für Getreidekulturen 42 kg Korn/kg N, 15 kg Korn/kg N und 0,33 kg N-Aufnahme/kg N-Anwendung. Diese Werte variierten stark je nach Region und Kulturpflanze, was Unterschiede in den Bodenbedingungen, dem Klima, den Anbausystemen und den Bewirtschaftungspraktiken widerspiegelt.

Anbauindikatoren

Diese Indikatoren definieren die Nährstoffverteilung in einer Pflanze und ihre Auswirkungen auf Ertrag und Qualität der Ernte. Sie zeigen, wie effizient eine Kultur die aufgenommenen Nährstoffe zur Produktion von Biomasse oder Wirtschaftsgütern nutzt. Einige der gängigen Kulturindikatoren sind:

1. Nährstoffnutzungsindex (NHI)Dies ist das Verhältnis des Nährstoffgehalts der geernteten Teile zur gesamten oberirdischen Nährstoffaufnahme. Es gibt den Anteil der aufgenommenen Nährstoffe an, der für ökonomische Produkte bestimmt ist. Ein hoher NHI bedeutet eine hohe Nährstoffentnahme durch die Ernte und eine geringe Nährstoffrückgabe an den Boden.

Typische Nährstoffentzugswerte für Mais liegen im Bereich von 59-70% für Stickstoff (N), 79-91% für Phosphor (P) und 13-19% für Kalium (K) (13). Ebenso umfassen die berichteten Werte für Reis 54-65% für N, 61-71% für P und 12-19% für K.

2. Interne Effizienz (IE): Dies ist das Verhältnis von Ernteertrag zu Nährstoffgehalt in geernteten Pflanzenteilen. Es gibt die Effizienz der wirtschaftlichen Produktbildung pro Einheit entzogenen Nährstoffs an. Ein hoher IE bedeutet einen hohen Ertrag bei geringer Nährstoffkonzentration in den geernteten Pflanzenteilen.

Zum Beispiel haben Verbesserungen in der Maiszüchtung die Stickstoffnutzungseffizienz von 45 kg pro kg Stickstoffaufnahme im Jahr 1946 auf 66 kg/kg im Jahr 2015 gesteigert.

3. Physiologische Effizienz (PE)Dies ist das Verhältnis von Ernteertrag zu Nährstoffgehalt in der oberirdischen Biomasse. Es gibt die Effizienz der wirtschaftlichen Produktbildung pro Einheit des gesamten Pflanzennährstoffgehalts an. Ein hoher PE bedeutet einen hohen Ertrag bei geringer Nährstoffkonzentration in der Biomasse.

4. Nährstoffkonzentration (NK)Dies ist die Menge an Nährstoffgehalt pro Einheit Trockenmasse in der geernteten Ernte oder oberirdischen Biomasse. Sie gibt die Qualität oder den Nährwert des Ernteprodukts oder Rückstands an.

Weiterhin fanden Dobermann (2007) in einer Meta-Analyse durchschnittliche Werte für NHI, IE, PE und NC von N in Getreidekulturen von 0,67 kg N/kg N-Aufnahme, 90 kg Korn/kg N im Korn, 134 kg Korn/kg N in der Biomasse und 1,5% N im Korn.

Systemindikatoren

Diese Indikatoren betrachten das gesamte Anbausystem, einschließlich des Bodens, der Kulturpflanzen und der Umwelt. Sie zeigen, wie effizient ein System die verfügbaren Nährstoffe aus allen Quellen nutzt und Verluste an die Umwelt minimiert. Einige der gängigen Systemindikatoren sind:

1. Systemgrenze NUE (SB-NUE): Dies ist das Verhältnis der gesamten N-Ausgabe zur gesamten N-Aufnahme innerhalb einer definierten Systemgrenze. Es gibt die allgemeine N-Bilanz des Systems an. Eine hohe SB-NUE bedeutet eine hohe N-Ausgabe bei geringer N-Aufnahme. Sie berücksichtigt jedoch nicht die räumliche und zeitliche Variabilität der N-Flüsse innerhalb des Systems.

2. Partialer Nährstoffbilanzierungskoeffizient (NUEPB): Dies ist die Differenz zwischen der Nährstoffzufuhr durch Düngemittel und der Nährstoffabfuhr in geernteten Erntegütern. Sie zeigt die Nettoveränderung des Nährstoffgehalts im Boden aufgrund der Düngung. Ein positives PNB bedeutet einen Überschuss an Düngernährstoffen im Boden, während ein negatives PNB ein Defizit bedeutet. Globale NUEPB-Durchschnittswerte, einschließlich Dünger, Mist, Fixierung und Deposition, zeigen Zuwächse auf 55% für Stickstoff und 77% für Phosphor.

Für die meisten Getreidesorten, wie Weizen und Mais, ist der natürliche Prozess der Stickstoffgewinnung (N) aus der Luft (biologische Fixierung) normalerweise nicht sehr hoch, weniger als 10 Kilogramm pro Hektar. Aber für Kulturen wie Reis und Zuckerrohr kann es etwas mehr sein, etwa 15-30 Kilogramm pro Hektar.

Und bei einigen Hülsenfrüchten wie Sojabohnen, Erdnüssen, Leguminosen und Futterleguminosen kann dieser Wert sogar noch höher sein und von 100 bis 300 Kilogramm pro Hektar reichen. Manchmal, wenn wir die Pflanzen bewässern (Bewässerung), werden auch Nährstoffe eingebracht, was in bestimmten Situationen wichtig sein kann.

3. Nährstoffbilanzverhältnis ab Hof (NUEFG)

Es erweitert die Systemgrenze über die Bodenoberfläche hinaus und berücksichtigt Betriebe mit integrierter Pflanzen- und Tierproduktion. Die Einbeziehung von Nutztieren reduziert die Nährstoffnutzungseffizienz (NUEFG) oft aufgrund zusätzlicher Komplexität. Die Verbesserung der NUEFG umfasst die Optimierung des Nährstoffverbrauchs im gesamten Betrieb, die Bewirtschaftung von Wirtschaftsdüngern und die Minimierung externer Nährstoffzufuhr.

Die Nährstoffnutzungseffizienz der Nahrungsmittelkette (NUEFC) bewertet die Nährstoffverfügbarkeit für den menschlichen Verzehr im Verhältnis zum gesamten Nährstoffeinsatz im gesamten Lebensmittelsystem. Für Stickstoff liegen die NUEFC-Schätzungen in europäischen Ländern zwischen 10% und 40%. Aufgrund der Komplexität der Nahrungsmittelproduktionskette bleiben praktische Anwendungen und aussagekräftige Bewertungen jedoch eine Herausforderung.

4. Nährstoffüberschuss (NU): Dies ist die Differenz zwischen dem gesamten Nährstoffeintrag und dem gesamten Nährstoffaustrag innerhalb einer definierten Systemgrenze. Es zeigt den potenziellen Verlust von Nährstoffen an die Umwelt. Ein hoher NS bedeutet ein hohes Risiko für Umweltverschmutzung.

Zum Beispiel zeigten die durchschnittlichen Werte für SB-NUE, PNB und NS für N in der pflanzlichen Produktion gemäß einer globalen Analyse von Lassaletta et al. (2014) 0,42 kg N/kg N-Einsatz, 65 kg N/ha bzw. 65 kg N/ha.

Wie verbessert man die Nährstoffnutzungseffizienz für bessere Ergebnisse?

Eine verantwortungsvolle Pflanzenernährung ist eine Strategie zur Sicherung der Ernährungssicherheit und des Umweltschutzes durch Optimierung der Nährstoffnutzung in landwirtschaftlichen Systemen. Daher ist es wichtig, die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE) mit geeigneten Werkzeugen zu überwachen und zu bewerten, die ihre Komplexität und Variabilität erfassen können. Hier sind einige wichtige Methoden das Landwirten und Forschern helfen kann, die NGE bei verantwortungsvoller Pflanzenernährung zu verbessern.

1. Nährstoffprüfung

Nährstofftests sind eine Methode zur Messung des Nährstoffgehalts von Boden- und Pflanzengewebeproben. Sie können wertvolle Informationen über die Verdaulichkeit und Aufnahme von Nährstoffen im Boden-Pflanzen-System liefern, sowie über das Potenzial für Nährstoffverluste oder -mangel. Nährstofftests können Landwirten und Forschern helfen:

• Identifizieren Sie den optimalen Typ, die Rate, den Zeitpunkt und die Platzierung von Nährstoffgaben, wie Dünger, Mist, Bewässerungswasser usw.
• Bewerten Sie die agronomische und ökonomische Leistung verschiedener Nährstoffmanagementpraktiken wie Fruchtfolge, Mischkultur, Zwischenfruchtanbau usw.
• Nährstoffungleichgewichte oder -störungen erkennen und korrigieren, die den Ernteertrag und die Qualität beeinträchtigen können, wie z. B. Stickstoffmangel, Phosphortoxizität, Mikronährstoffmangel usw.
• Überwachen Sie die Umweltauswirkungen von Nährstoffeinträgen wie Auswaschung, Oberflächenabfluss, Verflüchtigung, Treibhausgasemissionen usw.

Nährstofftests können mit verschiedenen Methoden durchgeführt werden, wie Bodentestkits, tragbaren Sensoren, Laboranalysen usw. Nährstofftests sind jedoch keine einmalige Angelegenheit. Sie sollten regelmäßig und häufig durchgeführt werden, um die dynamischen Veränderungen im Nährstoffgehalt während der Vegetationsperiode und über verschiedene Felder hinweg zu erfassen.

2. Fernerkundung und Technologie

Fernerkundung ist eine Technik zur Datenerfassung über Distanz mithilfe von Geräten wie Satelliten, Drohnen, Kameras usw. Sie kann räumlich und zeitlich kontinuierliche Informationen über verschiedene Aspekte des Pflanzenwachstums und der Entwicklung liefern, wie z. B. Biomasseproduktion, Blattflächenindex, Chlorophyllgehalt, Wasserstress usw. Fernerkundung kann Landwirten helfen:

• Schätzen Sie das Ernteertragspotenzial und die Variabilität über verschiedene Felder oder Regionen hinweg
• Bewertung der Reaktion der Pflanzen auf unterschiedliche Nährstoffeinträge oder Bewirtschaftungsmethoden
• Nährstoffmängel oder Stressfaktoren erkennen und diagnostizieren, die das Pflanzenwachstum und die Qualität beeinträchtigen können
• Optimieren Sie den Zeitpunkt und die Rate der Nährstoffanwendungen basierend auf dem Bedarf der Kulturpflanze
• Reduzieren Sie Kosten und Arbeitsaufwand für Feld- und Labortests

Fernerkundung kann mit verschiedenen Plattformen und Sensoren durchgeführt werden, wie z. B. optischen, thermischen, Radar-, Hyperspektralsensoren usw. Die Fernerkundung ist jedoch kein eigenständiges Werkzeug. Sie muss mit Geländedaten aus Feldmessungen oder Nährstoffanalysen kalibriert und validiert werden.

3. Pflanzenmodellierung

Die Modellierung von Kulturpflanzen ist eine Methode, bei der mathematische Gleichungen verwendet werden, um das Verhalten von Kulturpflanzen unter verschiedenen Bedingungen zu beschreiben und vorherzusagen. Sie können quantitative Informationen über die Wechselwirkungen zwischen Kulturpflanzen, Nährstoffen, Boden, Wasser, Klima und Bewirtschaftungsmethoden liefern. Die Modellierung von Kulturpflanzen kann helfen:

• Die zugrundeliegenden Mechanismen und Prozesse verstehen, die die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE) bei Pflanzen beeinflussen
• Bewerten Sie die Auswirkungen unterschiedlicher Szenarien oder Interventionen auf die NUE-Ergebnisse
• Optimierung des Designs und der Implementierung von Feldexperimenten oder -versuchen
• Die Ergebnisse von Feldmessungen oder Fernerkundung auf größere Maßstäbe oder Regionen extrapolieren oder hochskalieren

Pflanzenmodelle können mit verschiedenen Modelltypen, wie empirischen, mechanistischen oder hybriden Modellen, erstellt werden. Pflanzenmodelle sind jedoch kein einfaches Werkzeug.

Für die Kalibrierung und Validierung der Modelle sowie zur korrekten Interpretation der Ergebnisse werden viele Daten und Fachkenntnisse benötigt. Darüber hinaus sollte die Pflanzenmodulierung in Verbindung mit anderen Werkzeugen wie Nährstofftests oder Fernerkundung eingesetzt werden, um die Modellergebnisse zu überprüfen und zu ergänzen.

Wie GeoPard bei der Verbesserung der Nährstoffeffizienz helfen kann

Auf dem Weg zu einer nachhaltigen und verantwortungsvollen Pflanzen ernährung wird die Rolle fortschrittlicher Technologien immer wichtiger. GeoPard, eine hochmoderne Plattform, die sich auf Präzisionslandwirtschaft spezialisiert hat, bietet eine Reihe von Diensten zur Verbesserung der Nährstoffnutzungs effizienz (NUE) durch Boden daten analysen, Nährstoff tests und intelligentes Scouting.

Bodendatenanalyse

Die GeoPard-Funktion zur Analyse von Bodendaten liefert eine detaillierte Karte der Bodeneigenschaften und erleichtert die Erstellung von Rezeptkarten für die Düngung mit variablen Raten (VRA). Diese Funktion ermöglicht es Landwirten,:

• Düngung optimieren: Passen Sie die Düngemittelanwendung an spezifische Bodeneigenschaften an, um eine Überdüngung zu vermeiden und die Umweltbelastung zu reduzieren.
• Managementzonen abgrenzen: Vergleichen Sie die Bodeneigenschaften mit anderen Schichten und erstellen Sie Dateien mit variablen Düngemittelrezepten für eine effiziente Nährstoffverteilung.
• Bodenbeprobung planenStrategisch Bodenprobenentnahmepunkte basierend auf Mehrjahreszonen planen, die historische Feldentwicklungsmerkmale widerspiegeln.

Es zeichnet sich ferner durch die Verbesserung der Effizienz der Pflanzenernährung durch sein Dienstleistungsangebot aus. Es vereinfacht die Interpretation von Bodendaten mit leicht lesbaren Heatmap-Visualisierungen, ermöglicht die präzise Düngerausbringung durch bedarfsgerechte Düngung (VRA) und liefert verlässliche Einblicke in die Bodenbeschaffenheit mit bodenanalytischen Scannern hoher Dichte.

Zusätzlich stellt es die genaue Umsetzung von Nährstoffplänen sicher, überwacht As-Applied- und As-Planted-Daten und bietet wertvolle 3D-Karten und Topografieanalysen zur verbesserten Entscheidungsfindung durch die Landwirte. Im Wesentlichen ist GeoPard eine leistungsstarke Lösung für ein optimiertes und nachhaltiges Nährstoffmanagement in der Pflanzenproduktion.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE) eine Schlüsselrolle in der globalen Agrarlandschaft spielt und ihre Bedeutung für die Förderung optimalen Pflanzenwachstums nicht hoch genug eingeschätzt werden kann. Da wir die vielfältigen Faktoren erkennen, die die NUE beeinflussen, und die unterschiedlichen Indikatoren in verschiedenen Systemen, wird die Notwendigkeit strategischer Interventionen offensichtlich.

GeoPard etabliert sich als wichtiger Akteur in diesem Bestreben und bietet innovative Lösungen zur Verbesserung der Nährstoffnutzungseffizienz (NUE). Durch den Einsatz seiner benutzerfreundlichen Funktionen, wie z. B. leicht lesbare Heatmap-Visualisierungen und präzisionsgesteuerte bedarfsgerechte Düngung (VRA), ermöglicht GeoPard Landwirten, fundierte Entscheidungen zu treffen und die Nährstoffmanagementpraktiken zu optimieren.