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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 />

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