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Landeslehrstätte <strong>für</strong> Naturschutz Mecklenburg-Vorpommern<br />
10. Gewässersymposium des <strong>Landesamt</strong>es <strong>für</strong> <strong>Umwelt</strong>,<br />
Naturschutz und Geologie (LUNG)<br />
„Bodenschutz-Gewässerschutz“<br />
am 09.06.2005 in Güstrow<br />
___________________________________________________________________________<br />
Die Nährstoffbelastungen auch der Gewässer<br />
durch den Ernährungsbereich mit<br />
Humanernährung, Landwirtschaft,<br />
Abwasser- und Abfallwirtschaft<br />
sowie integrierte, nachhaltige Ansätze zu<br />
ihrer ursachenorientierten und hinreichenden Minderung<br />
Klaus Isermann * )<br />
___________________________________________________________________________<br />
* ) Dr. Klaus Isermann<br />
Büro <strong>für</strong> Nachhaltige Land(wirt)schaft und Agrikultur- BNLA<br />
Heinrich-von-Kleist-Strasse 4<br />
D 67374 Hanhofen<br />
Tel./Fax: 06344-29 83/ 93 72 64<br />
e-mail: isermann.bnla@t-online.de
Die Nährstoffbelastungen auch der Gewässer<br />
durch den Ernährungsbereich mit<br />
Humanernährung, Landwirtschaft,<br />
Abwasser- und Abfallwirtschaft<br />
sowie integrierte, nachhaltige Ansätze zu<br />
ihrer ursachenorientierten und hinreichenden Minderung<br />
Klaus Isermann<br />
Büro <strong>für</strong> Nachhaltige Land(wirt)schaft und Agrikultur (BNLA)<br />
Heinrich-von-Kleist-Strasse 4, D 67374 Hanhofen<br />
Tel./Fax: 06344/ 29 83 / 93 72 64, e-mail: isermann.bnla@t-online.de<br />
1. EINLEITUNG<br />
Das gesamte System Ernährung beinhaltet die 7 Akteure Humanernährung, Landwirtschaft<br />
mit Pflanzen-und Tierernährung, die Abwasser- und Abfallwirtschaft mit jeweils vorbzw.<br />
nachgelagerter Nahrungs- und Futtermittelindustrie sowie Handel und Politik (Fig 1).<br />
Dieser Ernährungsbereich ixt wesentlicher Mitverursacher der grenzüberschreitenden<br />
„neuartigen“ <strong>Umwelt</strong>schäden wie Versauerung,, Eutrophierung terrestrischer und aquatischer<br />
Ökosysteme sowie Klimaveränderungen mit stratophärischer Ozonzerstörung mit einhergehender<br />
Beeinträchtigungen der Biosphäre (Flora und Fauna, z.B. „neuartige“ Waldschäden)<br />
durch Emissionen an reaktiven Verbindungen der Nährstoffe C, N, P und S (Fig. 2)<br />
2. METHODEN<br />
Diese beinhalten ertrags- und umweltrelevante C-, N-, P (S-) Bilanzierungen von (Acker-<br />
)Böden in Dauerversuchen und Praxisflächen der Landwirtschaft, ebensolche Bilanzierungen<br />
der Humanernährung sowie der Abwasser- und Abfallwirtschaft in Regionen wie Flusseinzugsgebieten<br />
und Ländern. Die hier dargestellten Ergebnisse sind im Wesentlichen als entsprechende<br />
„deliverables“ von BNLA u.a. Inhalte der beiden folgenden Forschungsprojekte<br />
im Rahmen des EU-RP-5 Forschungsprogramms:<br />
a) BIONIRS: NIR-Measurement-Technique of N-Organic Concentration in Agricultural<br />
Soils [QLK5-CT-2002-713 55 (5/2003-7/2005);<br />
b) daNUbs: Nutrient Management in the Danube Basin and its Impact on the Black Sea<br />
[EVK1-CT-2000-00051 (2/2001-1/2005).<br />
Deshalb sind die Ergebnisse der Tabellen und Abbildungen hier in englischer Sprache dargestellt.<br />
3. ERGEBNISSE, DISKUSSIONEN UND SCHLUSSFOLGERUNGEN<br />
3.1 Humanernährung<br />
Die Referenzwerte <strong>für</strong> eine gesunde Humanernährung gehen aus der Tab. 1 und <strong>für</strong><br />
tierische Nahrungsmittel insbesondere aus Tab. 2 hervor. Wesentlich ist hierbei die maximal<br />
tolerierbare Konsumtion und äquivalente Produktion an tierischen Nahrungsmitteln<br />
von 50 kg Lebengewicht = 0,1 Großvieheinheiten (GV) je Einwohner
und Jahr. Daraus resultiert z.B. <strong>für</strong> Deutschland eine notwendige Reduktion der Tierbestände<br />
von ca. 60%.<br />
3.2 Landwirtschaft: Optimale Humuszustände der (Acker-)Böden<br />
Optimale Humusgehalte von Ackerböden sowie deren optimale Humuszustände gehen<br />
aus Tab. 3 bzw. Tab. 4 hervor. Wesentlich ist hierbei der zugrunde liegende maximal<br />
tolerierbare Viehbesatz von 1,0 GV je ha mit Nährstoffen versorgbaren landwirtschaftlichen<br />
Nutzfläche (LF) mit maximal zulässigen Überschüssen von 2,0 t reproduzierbarer<br />
organsicher Substanz (ROS) und (20-)50 kg N sowie ± 0 kg P . ha<br />
LF -1 . a -1 .<br />
3.3 Humanernährung, Landwirtschaft, Abwasser- und Abfallbereich<br />
Zusammenfassend sind die Ergebnisse in Tab 5 dargestellt. Die (un-)gesunde Ernährung<br />
hat keinen wesentlichen Einfluss auf den C-, N-, P-Input in den Abwasser- und Abfallbereich.<br />
- Zentrale Indikatoren einer nachhaltigen Ernährung aus der Sicht ihrer<br />
Nährstoff- und Energiehaushalte sind also Tierbestände in der Region entsprechend<br />
einer maximalen Tier-Produktion und –Konsumtion von 0.1 GV/Einwohner . a, verwirklicht<br />
in der Landwirtschaft mit einem betriebsspezifischen Tierbesatz von 0,4-<br />
1,0 GVE/ha entsprechend einer Zufuhr an 2t ROS/a je ha mit Nährstoffen (C,N,P,S,<br />
Ca, Mg) optimal versorgter Böden (Versorgungsstufe C) mit ebensolchen Humuszuständen<br />
und somit optimaler Bodenfruchtbarkeit.<br />
3.4 Auswirkungen<br />
3.4.1 Deutschland<br />
3.4.1.1 N-Bilanz:<br />
Diese geht aus Fig.3 hervor: Ca. 80% des gesamten N-Flusses und –Emissionen des<br />
Ernährungsbereiches entfallen auf die Landwirtschaft mit ca. 2fach zu hohem Niveau,<br />
überfordert von den Konsumenten (Haushalte) durch dementsprechend zu<br />
hohe Konsumtion und äquivalente Produktion insbesondere an emissionsreichen<br />
tierischen Nahrungsmitteln. Sind die N-(sowie C- und S-)Vorräte der Böden der<br />
Landwirtschaft im Gleichgewicht, so wie hier und im OECD-<br />
Bilanzierungsverfahren (1997) unterstellt (Mineralisierung = Immobilisierung), gelangt<br />
das gesamte N-(sowie C- und S-)Input der Landwirtschaft in die <strong>Umwelt</strong> und<br />
die dementsprechenden Nährstoff-Effizienzen des Ernährungsbereiches betragen<br />
nahezu 0%. Entscheidend ist also die aus ökologischer und sozialer und deshalb<br />
auch aus ökonomischer Sicht notwendige drastische Minderung des gesamten Konsumtions-<br />
und Produktionsniveaus insbesondere an tierischen Nahrungsmitteln orientiert<br />
an den Referenzwerten einer gesunden Humanernährung (Tab.1). Somit<br />
werden nicht nur <strong>Umwelt</strong>schäden des „Verursacherbereiches“ Landwirtschaft durch zu<br />
hohe Emissionen an reaktiven Verbindungen des C, N, P und S vermieden in Höhe von<br />
ca. 51 Mrd. €/a auch mit entsprechender Minderung der NH y -N-Einträge in Forstökosysteme,<br />
sondern zugleich auch Schäden/Kosten durch überernährungs-(mit)bedingte<br />
Krankheiten von ca. 77 Mrd. €/a, also insgesamt von 128 Mrd. €/a.<br />
3.4.1.2 P-Bilanz<br />
Diese geht aus Tab.6 hervor. Auch hier wird deutlich, wie im Wesentlichen eine gesunde<br />
Humanernährung mit entsprechender, insbesondere tierischer Produktion,
den P-Überschuss der Landwirtschaft sowie den P-Entzug in die Oberflächengewässer<br />
um ca. 85% vermindert. Maßnahmen des Ernährungsbereiches haben keinen Einfluss<br />
auf die ohnehin geringen P-Austräge der Forstwirtschaft in die Oberflächengewässer.<br />
3.4.2 Einzelne Länder und gesamtes Donaueinzugsgebiet (DEZ)<br />
Die Auswirkungen verschiedener Szenarien auf die N-Überschüsse der Landwirtschaft<br />
einzelner Länder des DEZ und des gesamten DEZ sowie entsprechend N-Einträge in<br />
das Donaudelta gehen aus den Tab. 7 und 8 hervor.<br />
Der N-Überschuss der Landwirtschaft im DEZ:<br />
- Entspricht aufgrund ihres Kollapses von 1989/2000 donauabwärts einschließlich<br />
Ungarn der Zielgröße von nur noch 27 kg N/ha . a, liegt aber z.B. in Bayern<br />
mit 82 kg N/ha . a ca. 3fach darüber (Tab. 7);<br />
- wird durch den Worst Case/ Global Market auf 58 kg N/ha . a verdoppelt;<br />
- durch zusätzliche Umsetzung bester verfügbarer Technik um 19% auf 47 kg<br />
N/ha . a vermindert;<br />
- Ausschlaggebend dann durch nachhaltige Wirtschaftsweise mit gesunder Humanernährung<br />
um 63% auf 21 kg N/ha . a reduziert<br />
- und sodann durch nationale und EU-Politik wieder als „weak worst case“ auf<br />
40 kg N/ha . angehoben.<br />
Tendenziell vergleichbar verhalten sich dann auch die N- und P-Einträge in das Donaudelta<br />
(Tab. 8)<br />
3.5 Die gegenwärtige (inter-)nationale Gesetzgebung im Ernährungsbereich geht aus<br />
Tab. 9 hervor, welche hier z.B. das Szenario „nationale und EU-Politik“ im DEZ<br />
gestalten (s. 3.4.2)<br />
3.6 Sowohl bereits bestehende als auch zukünftig benötigte Rahmenrichtlinien im System<br />
Ernährung auf der Grundlage der Agenda 21 von Rio (1992) betreffend<br />
- die Hauptnährstoffe C, N, P und S<br />
- (fossile) Energie<br />
- und Kontaminanten (z.B. Schwermetalle, Xenobiotika)<br />
gehen aus der Fig. 4 hervor.<br />
4. LITERATUR:<br />
- siehe EU-RP-5 Forschungsprojekte „BIONIRS“ und „daNUbs“ hier in Punkt „2. METHODEN“<br />
sowie die dort zitierte Literatur.<br />
- Isermann, K. und R. Isermann (2004):Bedeutung einer gesunden Humanernährung mit entsprechender regionaler<br />
Nahrungsmittel-Produktion <strong>für</strong> das aus der Sicht der Nährstoff- und Energiehaushalte nachhaltige System<br />
Ernährung insgesamt. 116. VDLUFA-Kongress, 13.-17. Sept, 2004, Rostock (im Druck)<br />
- Isermann, K. (2005): Gesellschaftspolitische Aspekte: Beitrag der Konsumenten. Stickstoff-Workshop „Roadmaps<br />
zu mehr N-Effizienz: Verringerung von Bilanzüberschüssen bei der N-Versorgung landwirtschaftlicher<br />
Kulturpflanzen“ der Bundesforschungsanstalt <strong>für</strong> Landwirtschaft (FAL),Braunschweig, 22. Feb. 2005, (Download:<br />
www. pb.fal.de)<br />
- Isermann, K. u. R. Isermann (2005): Auswirkungen der aktuellen(nicht-)nachhaltigen (inter-)nationalen Gesetzgebung<br />
auf den Ernährungsbereich, dargestellt am Beispiel Deutschlands und der EU 15+10. Bericht 11.<br />
Gumpensteiner Lysimeter-Tagung, BAL Gumpenstein, 5.-6. April 2005, A-8952 Irdning, S. 175-178<br />
Manuskript LUNG Güstrow 2005, VDLUFA ZIP
Fig. 1: FEED, FOOD AND WASTE 21<br />
Fig. 1: FEED, FOOD AND WASTE 21<br />
Sustainable feed and food consumption<br />
and<br />
Sustainable<br />
production<br />
feed and food consumption<br />
and production<br />
with the following 7 market<br />
participants:<br />
with the following 7 market<br />
participants:<br />
1. Households<br />
1. Households<br />
2. Agriculture<br />
2. Agriculture<br />
3. Food Industry<br />
3. Food Industry<br />
4. Feed Industry<br />
4. Feed Industry<br />
5. W aste and W aste W ater Management<br />
5. W aste and W aste W ater Management<br />
6. Trade<br />
6. Trade<br />
7. Policy (esp.. human nutrition, agriculture,<br />
7. Policy (esp.. human nutrition, agriculture,<br />
(waste)water management, environment)<br />
(waste)water management, environment)<br />
(Isermann and Isermann 2001) re0495<br />
(Isermann and Isermann 2001) re0495<br />
Agricultural<br />
food basic<br />
products<br />
3.Food Industry<br />
with optimised<br />
import and<br />
export<br />
6. Trade<br />
6. Trade<br />
(driving force)<br />
(driving force)<br />
Industrial<br />
Foods<br />
Products<br />
requiring<br />
full<br />
declaration<br />
%<br />
Biomass<br />
production:<br />
Food:33<br />
Feed: 50<br />
Others:17<br />
2. Agriculture<br />
7. Surplus<br />
Policy<br />
Agricultural<br />
Food<br />
(from the<br />
producer)<br />
1.Households:<br />
7. Sufficiency<br />
Policy<br />
% of<br />
Income :<br />
Food: 33<br />
Housing: 33<br />
Others: 33<br />
Industrial-<br />
Feed<br />
Perfect<br />
Secondary<br />
Products<br />
(sewage sludges,<br />
bio composts)<br />
Waste<br />
and<br />
Waste Water<br />
(Housholds)<br />
Optimised<br />
Import<br />
and<br />
Export<br />
4. Feed<br />
Industry<br />
Waste and<br />
Waste Water<br />
Food and Feed<br />
Industry<br />
5. Waste<br />
and<br />
Waste Water<br />
Management<br />
80-90 %<br />
C-,N-,P-<br />
Elimination<br />
=>Assimilation:<br />
Recycling<br />
Fig. 2:<br />
Interactions of boundary crossing continental and global environmental damages caused by reactive components<br />
of the multifunctional (!) nutrients C, N, S and monofunctional P anthropogenically produced by the sectors:<br />
1.Nutrition: Agriculture with Plant and Animal nutrition,<br />
Human nutrition, Waste and Wastewater management<br />
2.Power Economy (inclusive traffic)<br />
3.Industry and Bussines (Isermann 1991,2003)<br />
Climate change<br />
Stratospheric ozone depletion<br />
=> Climate relevant gases (~ effects)<br />
CH 4=>CO => CO 2<br />
=> Corrosion<br />
i.e. buildings<br />
N 2O + NO x<br />
CO 2<br />
Air pollution<br />
C => CH 4, CO (CO 2)<br />
i.e. “Acid Rain“<br />
N 2O + NO x#<br />
=>acidification of<br />
N => NO x=NO+NO 2 (N 2O)<br />
HNO 2+HNO 3<br />
N 2O + NO x<br />
natural near<br />
+<br />
NH y= NH 3+NH 4 NO x + N H 3<br />
terrestrial and<br />
-<br />
NH 4NO 3; (N org); NO 3 + CH 4<br />
Luftschadstoffe aquatic<br />
ecosystems<br />
N/S => NH 4HSO 4<br />
-C H 4<br />
i.e. „Acidification“<br />
(NH 4) 2SO 4<br />
N and S COS<br />
S => SO 2, SO 4<br />
2-<br />
H 2SO 3, H 2SO 4<br />
(CH 3) 2S<br />
CS, H 2S<br />
(CH 3) 2 S (Dimethylsulfid)<br />
terrestrial<br />
(forests,<br />
heathens,<br />
raised bogs)<br />
(not)dissolved org. C<br />
NO3-3 ,(not)dissolved<br />
org. N<br />
(not)dissolved<br />
(in-)org. P+S<br />
(not)dissolv.inorg.Si<br />
Eutrophication<br />
(Hypertrophication)<br />
of natural near ecosystems<br />
(Semi-)Subhydric<br />
(inland waters,<br />
estuaries, costal<br />
waters, oceans<br />
(Carbonylsulfid)<br />
Direct diffuse and<br />
point sources<br />
NH4+ * -<br />
4<br />
, NO3<br />
Org. N<br />
x-<br />
H yPOx-<br />
4 Hy PO4<br />
Org. P<br />
2-<br />
SO 4<br />
2-<br />
SO4<br />
DOC<br />
DOC<br />
Re0497
Tab. 1: Recommended average reference values for dietary intake of energy, nutritious matters<br />
(protein, fat, carbohydrates, dietary crude fibre, phosphorus), meat and alcohol individually differing<br />
in respect to sex, pregnancy and nursing, age, abnormal weight (BMI > 22/24) and physical activity level (PAL)<br />
Average dietary intake g . d -1 kcal . d -1 % Energy Maximum animal food (%)<br />
References DGE (2000 / 2001) Isermann and Isermann (2004)<br />
1. Energy - 2100 100 20<br />
2. Nutritious matters<br />
2.1 Protein 1)<br />
53<br />
2.2 Fat<br />
70<br />
2.3 Carbohydrates<br />
275<br />
...off them:<br />
Disaccharides<br />
67<br />
2.4 Dietary<br />
30<br />
crude fibre<br />
2.5 Phosphorus (P)<br />
0.70<br />
[2.6 = Nitrogen (N) ] 1) 8.48<br />
210-315<br />
525-630<br />
1155-1260<br />
210<br />
-<br />
-<br />
-<br />
10-15<br />
25-30<br />
55-60<br />
10<br />
n.d.<br />
-<br />
-<br />
40<br />
50<br />
-<br />
-<br />
-<br />
30<br />
40<br />
3. Meat 64 168 8 100<br />
4. Alcohol<br />
(adults maximum)<br />
15 105 5 -<br />
1) 100 g protein = 16 g N; 6.25 g Protein = 1,0 g N re0588<br />
Tab. 2: Linkage between sustainable and healthy human nutrition with animal food<br />
and corresponding needed sustainable animal production of agriculture<br />
exemplarily shown for Germany in 2000 (BMVEL 2001)<br />
Animal food<br />
Sustainable / Healthy human nutrition<br />
Needed animal food<br />
(kg . cap -1 . yr -1 )<br />
Tab. 12<br />
Milk equivalents<br />
(kg . cap -1 . yr -1 )<br />
Corresponding needed animal<br />
production of agriculture with<br />
0.1 AU . cap -1 = 50 kg life weight<br />
Milk and<br />
milk products<br />
Milk: 45.6 (4.2% fat)<br />
Butter: 2.9 (80% fat)<br />
Cheese: 7.3<br />
(i.e. Emmentaler:<br />
8 kg cheese = 100 kg milk)<br />
Meat 23.4<br />
46<br />
55<br />
91<br />
Total: 192<br />
Milk cows: 1 AU = 6127 kg milk . yr -1<br />
32% of animal stock<br />
= 16 kg life weight<br />
with 196 kg milk . cap -1 . yr --1<br />
50 kg life weight<br />
x 49% efficiency of meat yield<br />
= 24.5 kg meat . cap -1 . yr -1<br />
Tab. 21<br />
Eggs 3.7<br />
= 60 eggs with 62 g . egg -1 60 eggs x 276 eggs . laying hen -1. yr -1<br />
= 0.22 laying hens . cap -1 . yr -1 Re0604
Tab.3: Balances of soil organic matter (SOM) for optimal economical and ecological conditions<br />
as well as corresponding needs for reproduction-efficient organic substances (ROS)<br />
and amounts for animal manure(AM) for arable soils<br />
derived from the results of 13 long-term field experiments of 9 locations in Germany<br />
(Optimal conditions: Both optimal mineral and organic fertilization)<br />
[Standpoint VDLUFA / 8 th April 2004; but additionally location Seehausen]<br />
Locations Starting years Optimal amounts<br />
of animal manure<br />
[t . ha -1 . yr -1 ]<br />
1. Bad Lauchstädt 1)<br />
1902/1978<br />
2. Seehausen 2)<br />
1966<br />
3. Methau 3)<br />
1966<br />
4. Spröda 3)<br />
1966<br />
5. Müncheberg 4)<br />
1962<br />
6. Braunschweig 4)<br />
1952<br />
7. Groß Kreutz 5,6)<br />
1967<br />
8. Thyrow 7)<br />
1938<br />
9. Speyer 8) 1958/1983<br />
10<br />
12<br />
10<br />
10<br />
8<br />
10<br />
10-15<br />
10<br />
15<br />
Balance values ROS<br />
[t . ha -1 . yr -1 ]<br />
= animal manure (AM)<br />
[t . ha -1 . yr -1 ]<br />
2.6 ROS = 13.0AM<br />
2.4 ROS = 12.0 AM<br />
2.6 ROS = 13.0 AM<br />
2.6 ROS = 13.0 AM<br />
2.6 ROS = 13.0 AM<br />
2.6 ROS = 13.0 AM<br />
2.6 ROS = 13.0 AM<br />
2.0 ROS = 10.2 AM<br />
2.5 ROS = 12.7 AM<br />
1. – 9. Average c.o. 10.8 2.5 ROS = 12.5 AM<br />
[ 2.0 ROS = 10.0 AM]<br />
These average values correspond to an optimum (and maximum) input of animal manure of 1 Gross<br />
weight unit (GWU= LWU= AU) of 500 kg life weight (LW ) per ha agricultural area, in respect to optimum C,<br />
N, P, K, Mg (and S) balances and sufficient for the healthy nutrition of 10 capita with animal food<br />
corresponding to 0.1 GWU . capita -1 (Isermann and Isermann 1999/2004)<br />
1) Körschens et al. (1994), 2) Leithold et al. (1996), 3) Albert (1999), 4) Rogasik (2003), 5) Asmus (1995), 6) Zimmer and Prystav (2003),<br />
7) Lettau and Ellmer (1997), 8) Bischoff and Emmerling (2003) cited by Körschens (2002) and VDLUFA (2004),<br />
Tab. 4: Optimum soil organic matter conditions (SOM or C org = humus) of groundwater-remote sandy and loamy soils<br />
under common arable farming and average climatic conditions in Europe derived from 26 long-term field trials in<br />
Western Europe (Average yearly temperatures: 6-10°C, average yearly precipitation: 400 –800 mm)<br />
(Körschens 1995/1997, Schulz 1997, Körschens and Schulz 1999, Isermann and Isermann 1999, 2003a-b, Isermann und Körschens 2001, Isermann<br />
2002, 2003, Benbi et al. 2003; completed)<br />
Individual parameters<br />
Respective optimum conditions of SOM<br />
1. Concentrations / Quantities<br />
1.1 Total SOM<br />
1.2 Decomposable SOM dec.<br />
Hot water soluble SOM hws<br />
(SOM thickness: 30 cm)<br />
1.3 Mineralised SOM min<br />
(e.g. Central Germany:<br />
4% of SOM dec)<br />
2. Thickness<br />
(tillage depth)<br />
Total SOC= C org: 0.7 % (sandy soil) up to 2.5% (black soil) dependent on the clay content (0.7-21%)<br />
Total SON= N org: 0.07% (sandy soil) up to 0.25% (black soil) dependent on the clay content (0.7-21%)<br />
Decomposable SOC= C dec : 0.4 (0.2-0.6)% = 16 (8-24) t . ha -1 = C hwl : 25-30 mg . 100 g soil matter -1<br />
Decomposable SON= N dec: 0.04 (0.02-0.06) % =1.6 (0.8-2.4) t . ha -1<br />
Mineralised SOC= C min : 680 (320-960) kg . ha -1. a -1<br />
Mineralised SON= N min: 68 (32-96) kg . ha -1. a -1<br />
20 cm ( e.g. sandy soil)<br />
3. Qualities:<br />
3.1 SOC/SON= C org /N org 10/1 (> 8/1 up to < 12/1)<br />
3.2 SOC/SOS= C org / S org 100/1 (> 70/1 up to < 140/1)<br />
3.3 SOC/SOP= C org / P org 150/1 (> 100/1 up to < 200/1)<br />
4. Types raw humus moder mull<br />
5. Maintenance of optimal SOM<br />
balance<br />
(Mineralisation =<br />
Immobilisation)<br />
2 t reproduction-efficient organic susbtance (ROS) . ha -1 . a -1<br />
= stable manure / liquid manure of 2 t of dry matter / 10 t of raw mass<br />
from 1 gross weight unit (GWU) or 1 life weight heavy lifestock unit (LFU) of 500 kg life weight (LW)<br />
re0518
Tab. 5: Summary of the reference value:<br />
A) both for healthy human nutrition especially with animal food consumption<br />
B) and corresponding sustainable agriculture especially with animal food production<br />
C) with practically no impacts on waste and waste water<br />
Energy<br />
Nutritious matters<br />
Meat<br />
A) H U M A N N U T R I T I O N B) A G R I C U L T U R E<br />
Average<br />
total daily<br />
intake<br />
per capita<br />
%<br />
Share<br />
Animal food consumption<br />
Daily<br />
intake per<br />
capita<br />
Maximum animal<br />
stocks<br />
Animal food production<br />
Maximum animal densities<br />
with optimum conditions<br />
(i.e. nutrient supply of soils)<br />
C) WASTE<br />
AND<br />
WASTE<br />
WATER<br />
1. Energy<br />
2. Protein<br />
% Energy<br />
3. Fat<br />
% Energy<br />
4. Meat<br />
5. Phosphorus<br />
6. Carbohydrates<br />
% Energy<br />
2100 kcal<br />
53g<br />
10-15<br />
70g<br />
25-30<br />
64g<br />
700 mg<br />
275 g<br />
50-60<br />
20<br />
40<br />
50<br />
100<br />
(30)<br />
-<br />
-<br />
420 kcal<br />
21 g<br />
35 g<br />
64 g<br />
(210 mg) Maximum animal unit<br />
(AU) equivalent :<br />
0.1 AU . Capita -1<br />
(= 50 kg animal live<br />
weight)<br />
-<br />
-<br />
Maintenance balances : Practically<br />
no impacts<br />
1. C : 2.0 t ROS . ha-1 . yr -1 of human<br />
nutrition<br />
2. N : Output with yield and<br />
+ (20-) 50 kg N . ha -1 . yr -1 agriculture<br />
on the N<br />
3. P: Output with yield<br />
and P inputs<br />
± 0 kg P . ha -1 . yr -1 into waste<br />
and waste<br />
Maximum animal densities: water<br />
(> 0.4-) 1.0 AU . ha -1<br />
7. Dietary crude fibre<br />
30f<br />
-<br />
-<br />
Re0600<br />
Tab. 6: Impacts of (un-)healthy human nutrition in Germany on the P balance of the total system nutrition<br />
with agriculture, human nutrition as well as waste and waste water management<br />
[Agricultural Area (aa): 16.2 Mio ha; Total area (TA): 35.7 Mio ha.; Capita: 82.2 Mio = 5.1 . ha aa -1 ]<br />
H U M A N N U T R I T I O N<br />
A G R I C U L T U R E<br />
Situations<br />
1. Actually (1993)<br />
unhealthy overnutrition<br />
with energy, esp. animal<br />
protein and fat<br />
(DGE 2000/2001)<br />
2. Future (2015) healthy<br />
need oriented and<br />
realistic nutrition<br />
(Sustainability)<br />
1) P balances of 2000;<br />
W A S T E<br />
W A T E R<br />
Dietary P intake<br />
≡Excretion:<br />
[kg . capita -1. yr -1 ]<br />
0.460<br />
[100]<br />
= kg . aa -1. yr -1 :<br />
2,33<br />
[13]<br />
0.444<br />
[96]<br />
= kg . aa -1. yr -1 :<br />
2.25<br />
[34]<br />
Animal Units (AU)<br />
(1 AU = 500 kg LW)<br />
Absolute<br />
[Mio AU]<br />
20.1 1)<br />
[100]<br />
8.2<br />
[41]<br />
Relative<br />
[AU . capita -1 ]<br />
0.24 1)<br />
=120 kg LW<br />
0.10<br />
=50 kg LW<br />
Input<br />
17.9 1)<br />
[100]<br />
[100]<br />
6.6<br />
[37]<br />
[100]<br />
P – Farm balance (kgP . ha aa -1 . yr -1 )<br />
Output = Input<br />
Saled products<br />
Plant Animal Total<br />
5.3 1) 2.6 1) 7.9 1)<br />
[100] [100] [100]<br />
4.0<br />
[75]<br />
1.1<br />
[41]<br />
5.1<br />
[65]<br />
Surplus<br />
10.0 1)<br />
[100]<br />
Soil: 8.8<br />
Surface water:<br />
1.20<br />
1.5<br />
[15]<br />
Soil: > 1.32<br />
Surface water:<br />
< 0.18 2)<br />
2) Corresponds to the critical levels: 100µg TP/l ; agriculture: 50µg TP/l re0554 rtf<br />
and the critical loads: 300 g TP . ha TA -1. yr -1 ; Agriculture: 180 g TP ha aa -1 . yr -1 of LAWA I / II (1998)
Production<br />
Atmosphere<br />
Consumption<br />
Disposal<br />
14<br />
909<br />
13 1758<br />
250<br />
15<br />
Agricultural<br />
Areas<br />
365*<br />
26 29<br />
948<br />
2139<br />
569<br />
22<br />
184<br />
30<br />
158<br />
1503<br />
11<br />
443<br />
12<br />
247 74 62 24<br />
24<br />
75<br />
7<br />
85 9<br />
285*<br />
143<br />
23*<br />
25<br />
90<br />
400 32<br />
80<br />
14 23<br />
86<br />
85+86<br />
Import<br />
27<br />
20<br />
21<br />
Animal<br />
husban<br />
-dry<br />
33<br />
31 73<br />
13<br />
14<br />
1375<br />
466 304*<br />
37 39<br />
36<br />
136<br />
86* 35* 10 45<br />
335<br />
Food<br />
Industry<br />
163<br />
Feed<br />
Industry<br />
34<br />
51 52<br />
46<br />
58<br />
1<br />
4<br />
1<br />
24<br />
44<br />
61 37*<br />
43<br />
Households<br />
and<br />
small Business<br />
395<br />
193 53 54<br />
57* 20<br />
80<br />
85+86<br />
350 63<br />
62+7=69<br />
74+75<br />
62<br />
107*<br />
255<br />
71*<br />
Waste Water<br />
Management<br />
108<br />
73<br />
10+20=30<br />
6+27+6=39<br />
45+57 76+77+78<br />
Waste Management<br />
20<br />
64<br />
inclusively increase of Waste<br />
2+18+1*+71*=92<br />
88+91+95+97<br />
72<br />
135<br />
94<br />
1<br />
Export<br />
379<br />
4<br />
43<br />
44<br />
56<br />
214 96<br />
55<br />
28 38<br />
47<br />
46+58<br />
1+1=2<br />
Hydrosphere<br />
94<br />
1<br />
87+92+96+98<br />
0+0+0+1=1<br />
64+72<br />
20+135=155<br />
Animal manure<br />
Input agricultural areas<br />
Input surface water from<br />
agricultural areas<br />
Emissions atmosphere<br />
Input groundwater/ surface<br />
water with NO3<br />
Biomass<br />
Animal feeds<br />
Animal foods<br />
Vegetable foods<br />
Waste<br />
Fig.3: Nitrogen balance of Germany [ktN . yr -1 ]: Agriculture, Feed-and Food-Industry/Business, Waste and Waste Water Management<br />
(Reference years 1995/1998) [ATV/DVWK 2001] re0548
Tab. 7: N surplus (Field balance = Soil surface balance) in agriculture of the individual 13 Danube countries<br />
(DC-13) according to the scenarios 1- 5 of daNUbs<br />
Scenarios daNUbs (D 3.1/ 3.2 and D 3.3)<br />
Danube<br />
Countries<br />
(DC)<br />
1.Reference 1999<br />
= Business as<br />
usual<br />
2. Worst case:<br />
Global Markets<br />
3. Best<br />
available<br />
Technique<br />
4. Sustainable<br />
(Green):<br />
Regional Markets<br />
N – Surplus in Agriculture (Soil surface = Field balance) [Behrendt 2004]<br />
5. Prognosis:<br />
Policy<br />
1. DE:<br />
BW+ BY<br />
2. SI<br />
3. CZ<br />
4. AT<br />
5. HR<br />
6. SK<br />
7. RO<br />
8. HU<br />
9. MD<br />
10. BH<br />
11. BG<br />
12. UA<br />
kg . ha -1. yr -1 % kg . ha -1. yr -1 % kg . ha -1. yr -1 % kg . ha -1. yr -1 % kg . ha -1. yr -1 %<br />
81.6<br />
73.9<br />
47.4<br />
43.6<br />
34.1<br />
26.5<br />
22.8<br />
22.5<br />
20.0<br />
17.5<br />
15.5<br />
13.4<br />
13.3<br />
100<br />
100<br />
100<br />
100<br />
100<br />
100<br />
100<br />
100<br />
100<br />
100<br />
100<br />
100<br />
100<br />
80.9<br />
75.7<br />
97.3<br />
43.4<br />
46.2<br />
75.0<br />
52.1<br />
61.7<br />
47.6<br />
38.9<br />
54.4<br />
39.6<br />
69.9<br />
99<br />
102<br />
205<br />
100<br />
135<br />
283<br />
229<br />
274<br />
238<br />
222<br />
351<br />
296<br />
526<br />
74.4<br />
60.0<br />
79.9<br />
33.6<br />
36.6<br />
61.7<br />
41.1<br />
48.7<br />
37.7<br />
30.9<br />
42.4<br />
31.3<br />
55.4<br />
91<br />
81<br />
169<br />
77<br />
107<br />
233<br />
180<br />
216<br />
189<br />
177<br />
274<br />
234<br />
417<br />
43.4<br />
48.1<br />
30.1<br />
23.4<br />
18.8<br />
31.3<br />
19.3<br />
18.8<br />
19.1<br />
22.2<br />
11.9<br />
13.6<br />
16.7<br />
53<br />
65<br />
64<br />
54<br />
55<br />
118<br />
85<br />
84<br />
96<br />
127<br />
77<br />
101<br />
126<br />
87.4<br />
60.2<br />
44.9<br />
52.1<br />
27.7<br />
13. CS<br />
Average:<br />
DC -13 27.1 100 58.1 214 46.7 172 21.0 77 38.9 144<br />
39.8<br />
31.5<br />
43.6<br />
33.4<br />
31.6<br />
21.2<br />
22.0<br />
41.1<br />
107<br />
81<br />
95<br />
119<br />
81<br />
150<br />
138<br />
193<br />
167<br />
181<br />
137<br />
164<br />
309<br />
Re0635<br />
Tab. 8:<br />
1. Average N-surplus of agriculture within the Danube Basin (kg . ha -1 . yr -1 )<br />
[Soil Surface Balance = Field balance] and<br />
2. Total Input of N and P (kt . yr -1 ) of point and diffuse sources to the Delta of the river Danube<br />
( Black Sea)<br />
A) Reference situations: at present (2000) [100]<br />
B) with different Scenarios 1- 5<br />
Situations<br />
[Isermann, K. , Isermann., R.,<br />
Zessner, M.: D3.1/3.2, D3.3<br />
2004]<br />
A) Reference situations:<br />
at present (1999/2000)<br />
B) Scenarios:<br />
1. Business as usual<br />
(BAU)<br />
2. Worst case: Global<br />
Markets (WC 1989)<br />
3. Best available technique<br />
(BAT)<br />
4. Sustainability: Regional<br />
Markets<br />
(Green Scenario)<br />
5. Prognosis: Policy<br />
1. N-surplus agriculture<br />
(kg . ha -1 . yr -1 )<br />
[Behrendt 2004]<br />
2. Input to the Delta (diffuse + point sources)<br />
(kt . ha -1 . yr -1 )<br />
[van Gils 2004]<br />
N<br />
P<br />
27.1 (100) 1) 451 (100) 20.2 (100)<br />
27.1 (100) 1)<br />
58.1 (214) (100)<br />
46.7 (172) (80)<br />
21.0 (77) (36)<br />
38.9 (143) (67)<br />
406 (90)<br />
493 (109) (100)<br />
410 (91) (83)<br />
310 (69) (63)<br />
424 (94) (86)<br />
18.6 (92)<br />
26.3 (130) (100)<br />
12.0 (59) (46)<br />
8.8 (44) (33)<br />
19.7 (98) (75)<br />
1) Compare: Bavaria + Baden-Württemberg: 81.6 re0628<br />
Ukraine: 13.4
Tab. 9: Present international and i.e. national legislation in the total nutrition system<br />
of agriculture with plant and animal nutrition, human nutrition, waste and waste water management referring<br />
- to environmental spheres Pedosphere, Hydrosphere, Atmosphere and Biosphere (Lithosphere not considered)<br />
- as well as to the nutrients involved Carbon (C), Nitrogen (N), Phosphorus (P) and Sulphur (S)<br />
Environmental<br />
Pedosphere<br />
Hydrosphere<br />
Atmosphere<br />
Biosphere<br />
spheres<br />
(Soil)<br />
(Water)<br />
(Air)<br />
(Flora and fauna)<br />
Nutrients involved C, N, P, S C, N, P, S C, N, S C, N, P, S<br />
Nutrition<br />
System<br />
Agriculture<br />
with<br />
Plant nutrition<br />
and<br />
animal<br />
nutrition<br />
Human<br />
nutrition<br />
Agenda 21 of Rio (1992)<br />
vs Agenda 2000 EU (1999)<br />
EU communication on soil<br />
protection (2002) : Thematic<br />
strategy for soil protection<br />
DE:Soil regulation (1999)<br />
OE : ÖPUL (2000)<br />
EC Cross compliance<br />
/modulation 1782/2003 (CAP)<br />
DE : DirektZahl Verpfl. V<br />
(draft 2004)<br />
OE: Invekos-Ums VO<br />
(draft 2004)<br />
Agenda 21 of Rio (1992) vs Agenda 2000 EU (1999)<br />
Drinking water directive<br />
(98/83 EU)<br />
Nitrates directive (CD 91/676/EC)<br />
DE: Düngeverordnung (1996)<br />
Draft (2004)<br />
AT: ÖPUL (2000)<br />
Nirataktionsprogramm (2003)<br />
NL: MINAS (1998/2006)<br />
• Draft Groundwater Directive<br />
(KOM /2003, 550 final)<br />
Water Framework Directive<br />
(2000/60EC)<br />
Kyoto-Protocol (1997)<br />
IPCC Directive 96 / 61 / EC<br />
Integrated pollution<br />
prevention and control<br />
(1996)<br />
UN/EC Protocol (1999)<br />
NEC-Directive 2001/81/EC<br />
Ozon Directive (2003/3/EC)<br />
DE:<br />
- Artikelgesetz (2001)<br />
- 4. BimSchV. (2001)<br />
- Baugesetzbuch § 201<br />
(2004)<br />
UN-Convention of<br />
Biological Diversity<br />
(CBD/1999)<br />
E_Habitat Directive<br />
82/43/EEC<br />
(Natura 2000)<br />
EU-ICZM<br />
Recommendation<br />
(30.05.2002)<br />
Recommendations daily intake:<br />
Reference values for: energy, protein, fat, (carbohydrates) and their shares of animal food as well as for meat<br />
1. EURODIET (2000): EU population goals for nutrients and features and lifestyle consistent with the prevention of major<br />
public health problems in Europe<br />
2. DACH (2001) National reference values in DE, AU, CH (approximately consistent with EURODIET 2000)<br />
3. Präventionsgesetz (Germany 2005)<br />
Fig. 4: Existing () and needed () Framework Directives (FD) in the anthroposphere nutrition<br />
on the fundamentals of the Agenda 21 of Rio (1992) and<br />
related to the main nutrients C, N, P, S, (fossil) energy and contaminants (i.e. heavy metals,xenobiotics)<br />
ANTHROPOSPHERE NUTRITION: HUMAN HEALTH AND CULTURE<br />
CARBON ( C ) – FD ? NITROGEN ( N ) -FD ?<br />
PRODUCTION: AGRICULUTRE<br />
HYDROSPHERE – FD<br />
1. Surface Water<br />
WFD (2000)<br />
Shelf ?<br />
Ocean?<br />
2. Groundwater<br />
Directive<br />
Draft EU-KOM (2003) final<br />
ATMOSPHERE-FD<br />
IPCC-Directive (1996)<br />
Kyoto-Protokoll (1997)<br />
UN/EC Protocol (1999)<br />
NEC Directive (2001)<br />
Ozone-Directive (2003/3/EC)<br />
SOIL-FD (Pedosphere) ?<br />
1. Cultivated: Terrestrial ~ ?<br />
1.1 Agricultural ~ ?<br />
1.2 Forestral ~ ?<br />
2. Natural ~ ?<br />
2.1 Terrestrial ~ ?<br />
2.2 Subhydric ~ ?<br />
BIOSPHERE – FD<br />
UN-Convention<br />
of Biological Diversity<br />
-CBD (1999)<br />
EC-Habitat Directive<br />
92/43/EEC<br />
(Natura 2000)<br />
DISPOSAL: WASTE AND WASTEWATER<br />
LITHOSPHERE –FD ?<br />
PHOSPHORUS ( P ) –FD ? SULPHUR ( S ) –FD ?<br />
CONSUMPTION: HOUSEHOLDS<br />
Re0627ppt