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Paul Mäder
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Organic Eprints

DOK-Versuch

Weltweit bedeutendster Langzeit-Feldversuch zum Vergleich biologischer und konventioneller Anbausysteme

In einem praxisnahen Versuchsdesign werden seit 1978 der biologisch-dynamische (D), organisch-biologische (O) und konventionelle (K) Anbau von Ackerkulturen wie Weizen, Kartoffeln, Mais, Soja oder Kleegras am selben Standort verglichen. Zusätzlich gibt es ein rein mineralisch gedüngtes, viehloses konventionelles Verfahren (M). Zu Beginn des Versuchs wollte man klären, ob Bio-Ackerbau unter dem natürlichen Unkraut- und Schädlingsdruck überhaupt möglich ist und genügend Ertrag bringt. Die Ergebnisse zeigten, dass gute Erträge von hoher Qualität möglich sind.(1)

Seit Mitte der 90er Jahre stehen Fragen zur nachhaltigen Landwirtschaft, Boden- und Produktqualität im Zentrum. (2),(3),(4),(5),(6).

Fruchtbarer Boden ist die Basis jeder landwirtschaftlichen Produktion. Deshalb versuchen verschiedene Forschungsgruppen die ökologischen Vorgänge im, auf und über dem Boden im Modellsystem des DOK-Versuches zu verstehen.

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Filme über den DOK-Versuch

Über den DOK-Versuch gibt es mehrere Filme, die hier abrufbar und beschrieben sind:

bioaktuell.ch: Filme über den DOK-Versuch

Die wichtigsten bisherigen Ergebnisse in Kürze

Das Ertragsniveau der biologisch angebauten Kulturen ist um ca. 20% gegenüber mineralisch gedüngten Kulturen reduziert - bei einem um 65% geringeren Einsatz von mineralischem Stickstoff, einer um 40% geringeren Zufuhr von Phosphor und einer um 45 % geringeren Kaliumzufuhr.

Berechnet man eine langjährige Bilanz aus Nährstoffzufuhr und –Entzug, so weisen alle Verfahren für den Stickstoff eine negative Bilanz auf. Es wurde also bei allen Verfahren weniger gedüngt als entzogen (der zusätzlich entzogene Stickstoff entstammte der Mineralisation im Boden, der Fixierung durch Leguminosen und den Einträgen aus der Luft). Bei Phosphor und Kalium haben die biologischen Verfahren eine negativere Bilanz als das konventionelle. Die verfügbaren und die Reserve-Nährstoffe müssen daher regelmässig mit Bodenanalysen bestimmt und im Auge behalten werden.

Bezogen auf die Fläche benötigen biologisch angebaute Kulturen 30-50% weniger Energie (Energie zur Herstellung von Dünger und Pestiziden mit eingerechnet). Obwohl die konventionellen Erträge pro Flächeneinheit höher sind, ist auch pro Ertragseinheit gerechnet der Energieaufwand bei den biologischen Verfahren noch 19% tiefer. 

Im biologisch-dynamischen Verfahren war der Gehalt an organischer Substanz (Humus) über die ersten 21 Jahre stabil - in allen anderen Verfahren nahm er ab. Signifikant sind hierbei die Differenzen zwischen dem biologisch-dynamischen und dem rein mineralischen Verfahren.(2)

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Detailliertere Informationen zum DOK-Versuch: Die Versuchsanlage

Der Versuch befindet sich im Leimental bei Basel auf 300m NN. Die Jahresmitteltemperatur beträgt 9.5°C, der mittlere Jahresniederschlag 792 mm. Der Boden ist eine schwach pseudovergleyte Parabraunerde auf Löss.

Der Versuch ist als randomisierte Blockanlage mit vier Wiederholungen angelegt. Jeweils drei Feldfrüchte der insgesamt siebenjährigen Fruchtfolge werden pro Jahr nebeneinander in jeweils zwei Düngungsstufen (D1, D2, O1, O2, K1, K2) angebaut. Neben dem konventionellen, rein mineralischen Verfahren M (nur Düngungsstufe 2) wird noch eine seit Beginn des Versuchs ungedüngte Variante (N) angebaut. So ergeben sich 96 Parzellen von je 100 m2 (5 x 20 m). Die praxisübliche (zweite) Düngungsstufe entspricht bei allen Verfahren seit 1991 1,4 DGVE/ha, die erste 0.7 DGVE/ha. Seit 1985 werden K1, K2 und M gemäss den Anforderungen der integrierten Produktion bewirtschaftet.(7)

Die Anbausysteme des Versuchs unterscheiden sich vor allem bezüglich Düngung und Pflanzenschutz, während Fruchtfolge, Bodenbearbeitung und Sortenwahl bei allen Verfahren gleich sind.

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Die Erträge

In den ersten 21 Jahren des Versuchs hat der rund 50 Prozent geringere Einsatz an Düngern und fossiler Energie und der Verzicht auf chemisch-synthetische Pflanzenschutzmittel in den biologischen Anbausystemen zu durchschnittlich nur 20 Prozent tieferen Erträgen im Vergleich zum konventionellen System geführt.

Die grössten Einbussen gegenüber dem konventionellen System wurden in den biologischen Systemen bei den Kartoffeln verzeichnet. Hier waren die Erträge 34-42 Prozent geringer. Dieser Trend setzte sich in der 4. Fruchtfolgeperiode (1999-2005) fort. Der Grund hierfür liegt einerseits im hohen Nährstoffbedarf der Kultur während einer relativ kurzen Kulturdauer und in der Krankheitsanfälligkeit der Kartoffel (Kraut- und Knollenfäule). In der Periode 2006-2012 belief sich die Ertragseinbusse allerdings nur auf ca. 22%.

Beim Winterweizen betrugen die Ertragsdifferenzen 1985-2005 rund 11 bis 14 %. 2005-2012 betrugen sie 33 % (im konventionellen Verfahren war die Düngungsintensität erhöht worden).

Bei Soja waren die Erträge im Mittel über 6 Anbaujahre (Zeitraum 1999-2012) gleich hoch in biologischen und konventionellen Anbausystemen (2.8 t TM/ha).

Die Silomaiserträge der biologischen Anbausysteme waren im gleichen Zeitraum 11% geringer als die konventionellen (17.5 t TM/ha gegenüber 19.6 t TM/ha).
Die Erträge der biologischen Kleegras-Kunstwiesen waren 1978-1998 11-13 Prozent tiefer als die konventionellen. 1999-2005 waren sie ca. 5 % höher als die konventionellen und 2006-2012 wiederum ca.11% tiefer.

Zusammenfassend ergibt sich, dass über alle Kulturen und über 35 Jahre die biologischen Verfahren rund 80% des konventionellen Ertrags produzierten.

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Nährstoffeffizienz und Energieeffizienz

Die Effizienz der Nutzung vorhandener Ressourcen ist ein wichtiger Indikator für die Nachhaltigkeit eines Produktionssystems. Alle Faktoren, die zur Erzeugung einer Ertragseinheit beitragen, werden in Energieeinheiten umgerechnet. Für den Vergleich der Energieeffizienz muss neben den direkten Energiebeiträgen (Treibstoff für Traktoren) die indirekte Energie berücksichtigt werden, die zur Erzeugung der zugekauften Produktionsmittel (Dünger, Pflanzenschutz) gebraucht wird.

Biologische Systeme brauchen etwas mehr Energie für Infrastruktur und Maschinen als konventionelle (z.B. für maschinelles Hacken und Striegeln), dafür deutlich weniger für Dünger und Pestizide.

Pro Ertragseinheit (Erntegut) brauchten die biologischen Verfahren 1978-1998 19 Prozent weniger Energie. Bezogen auf die Fläche waren es 30-50 Prozent.

Bodenfruchtbarkeit, Bodenleben und Artenvielfalt

Dank der langen Laufzeit des Versuches sind heute Auswirkungen der unterschiedlichen Bewirtschaftungsverfahren auf den Boden erkennbar. Es stellte sich heraus, dass beispielsweise in den biologisch bewirtschafteten Versuchsparzellen 25 Prozent mehr kleinster Bodenlebewesen vorkommen und die Bodenfruchtbarkeit langfristig höher ist als auf den konventionell bewirtschafteten Parzellen (8),(9),(10). Die Pflanzen in den biologisch bewirtschafteten Parzellen sind mehr mit Mykorrhiza (Wurzelpilzen) kolonisiert als in den konventionellen Parzellen, und es sind mehr verschiedene Mykorrhiza-Arten beteiligt (höhere Biodiversität) (11), (12). Im Frühjahr, wenn der Boden noch nicht vollständig bedeckt ist, kann man die Bodenunterschiede auch gut sehen. Dies hängt mit Menge und Form der organischen Düngung und dem Säuregehalt im Boden zusammen (13). Positiv wird auch die Artenvielfalt der epigäischen Raubarthropoden in den Bio-Parzellen beeinflusst (14), (15).

Verwandte Projekte

Da man es beim DOK-Versuch mit ganzen Systemen zu tun hat, kann man aufgrund dieses Versuches keine Aussagen über die Wirkung der biologisch-dynamischen Präparate allein machen. Das hat zur Einrichtung des Bodenbearbeitungs-Präparate-Versuches in Frick geführt, wo diese Präparate ein einzeln zu betrachtender Versuchsfaktor sind.

Nach dem Vorbild des DOK-Versuches wurden auch in drei tropischen Ländern Systemvergleichsversuche angelegt, die das FiBL leitet.

Aktuelle FiBL-Projekte im DOK-Versuch

Forscherteams aus ganz Europa verfolgen Fragestellungen am DOK-Versuch. Inzwischen gibt es schon etwa 200 Publikationen zu diesem Versuch.

Gegenwärtig wird der DOK-Versuch für sieben Doktorarbeiten aus dem Schweizerischen Nationalfondsprojekt NFP 68 genutzt.

Vom FiBL aus laufen aktuell folgende Projekte oder Teil-Projekte im DOK-Versuch oder wurden vor kurzem abgeschlossen (Auswahl):

  • Agronomische Leistungsfähigkeit der verschiedenen Anbausysteme
  • Mikrobielle Diversität und C-Flüsse
  • Auswirkungen von Bio-Control-Organismen auf Bodenprozesse (NFP 59 Boden)
  • Mykorrhiza-Diversität und Funktionalität
  • Infrastrukturen für Ökosystemforschung (Beitrag zu einer transnationalen Datenbank (EXPEER))
  • Treibhausgas -Quellen und -Senken in Landwirtschaftsböden der Schweiz (BAFU Klimagase)
  • Populationen denitrifizierender Mikroorganismen (NFP 68)

Am FiBL kürzlich abgeschlossene Projekte (Auswahl):

  • Winterweizen-Sorteneignung und Mykorrhiza (16)
  • Auswirkungen transgener Pflanzen auf die Fruchtbarkeit von Böden mit unterschiedlicher Bewirtschaftungsgeschichte (17) (18)
  • Degustation von Weizen aus dem DOK-Versuch (19)
  • Einfluss der Anbauverfahren auf die Proteinqualität von Weizen (5)
  • Boden- und Pflanzengesundheit (QLIF)

Projektpartner und Finanzierung

Projektleitung

Paul Mäder

Projektteam (auf Seiten des FiBL)

Frédéric Perrochet
Andreas Fliessbach
Andreas Gattinger
Bäuerliche Begleitgruppe

Zusammenarbeit

  • Agroscope Reckenholz-Tänikon
  • Universtität Basel: Prof. Dr. Thomas Boller, Prof. Dr. Andres Wiemken, Dr. Franz Conen
  • Universität Zürich: Prof. Dr. Rainer Schulin, Prof. Dr. Emmanuel, Frossard, Dr. Astrid Oberson

Finanzierung

  • DOK-Basis-Bewirtschaftung: Bundesamt für Landwirtschaft

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Publikationen

Wissenschaftliche Artikel

  1. Mäder P, Fliessbach A, Dubois D, Gunst L, Fried P, Niggli U. Soil fertility and biodiversity in organic farming. Science. 2002;296:1694-7.
  2. Fliessbach A, Oberholzer H-R, Gunst L, Mäder P. Soil organic matter and biological soil quality indicators after 21 years of organic and conventional farming. Agriculture, Ecosystems & Environment 2007;118:273-84.
  3. Langenkämper G, Zörb C, Seifert M, Mäder P, Fretzdorff B, Betsche T. Nutritional quality of organic and conventional wheat. Journal of Applied Botany and Food Quality 2006;80:150-4.
  4. Mäder P, Hahn D, Dubois D, Gunst L, Alföldi T, Bermann H, et al. Wheat quality in organic and conventional farming: results of a 21-year old field experiment. Journal of the Science of  Food and Agriculture 2007;87:1826-35.
  5. Hildermann I, Thommen A, Dubois D, Boller T, Wiemken A, Maeder P. Yield and baking quality of winter wheat cultivars in different farming systems of the DOK long-term trial. Journal of the Science of  Food and Agriculture 2009;89(14):2477-91.
  6. Zörb C, Niehaus K, Barsch A, Betsche T, Langenkämper G. Levels of compounds and metabolites in wheat ears and in grains under special consideration of organic and conventional agriculture. Journal of Agricultural and Food Chemistry 2009b;57:9555-62.
  7. Mäder P, Fliessbach A, Dubois D, Gunst L, Jossi W, Widmer F, et al. The DOK experiment (Switzerland). In: Raupp J, Pekrun C, Oltmanns M, Köpke U, editors. Long-term Field Experiments in Organic Farming International Society of Organic Agriculture Research (ISOFAR), Scientific Series. Berlin: Verlag Dr. Köster; 2006. p. 41-58.
  8. Fliessbach A, Mäder P, Niggli U. Mineralization and microbial assimilation of 14C-labeled straw in soils of organic and conventional agricultural systems. Soil Biology and Biochemistry 2000;32:1131-1139.
  9. Esperschütz J,Gattinger A, Mäder P, Schloter M, Fliessbach A. Response of soil microbial biomass and community structures to conventional and organic farming systems under identical crop rotations. FEMS Microbiology Ecology 2007;61(1):26-37.
  10. Mäder P, Edenhofer S, Boller T, Wiemken A, Niggli U. Arbuscular mycorrhizae in a long-term field trial comparing low-input (organic, biological) and high-input (conventional) farming systems ina rop rotation. Biology and Fertility of Soil 2000;31:150-6.
  11. Oehl F, Sieverding E, Ineichen K, Mäder P, Boller T, Wiemken A. Impact of land use intensity on the species diversity of arbuscular mycorrhizal fungi in agrooecosystems of central Europe. Applied and Environmental Microbiology 2003;69:2816-24.
  12. Oehl F, Sieverding E, Mäder P, Dubois D, Ineichen K, Boller T, et al. Impact of long-term conventional and organic farming on the diversity of arbuscular mycorrhizal fungi. Oecologia 2004;138:574-83.
  13. Siegrist S, Schaub D, Pfiffner L, Mäder P. Does organic agriculture reduce soil erodibility? Agriculture, Ecosystems and Environment 1998;69:253-64.
  14. Pfiffner L, Niggli U. Effects of bio-dynamic, organic and conventional farming on ground beetles (Col. Carabidae) and other epigaeic arthropods in winter wheat. Biological Agriculture and Horticulture 1996;12:353-64.
  15. Pfiffner L, Mäder P. Effects of Biodynamic, Organic and Conventional Production Systems on Earthworm Populations. Biological Agriculture and Horticulture 1997;15:3-10.
  16. Hildermann I, Messmer M, Dubois D, Boller T, Wiemken A, Mäder P. Nutrient use efficiency and arbuscular mycorrhizal root colonization of winter wheat cultivars in different farming systems of the DOK long-term trial. Journal of the Science of  Food and Agriculture 2010;90:2027-38.
  17. Fliessbach A, Messmer M, Nietlispach B, Infante V, Mäder P. Effects of conventionally bred and Bacillus thuringiensis (Bt) maize varieties on soil microbial biomass and activity. Biology and Fertility of Soils 2012;48:315-24.
  18. Fliessbach A, Nietlispach B, Messmer M, Rodríguez-Romero A-S, Mäder P. Microbial response of soils with organic and conventional management history to the cultivation of Bacillus thuringiensis (Bt)-maize under climate chamber conditions. Biology and Fertility of Soils 2013;49:829-837.
  19. Arncken CM, Mäder P, Mayer J, Weibel FP. Sensory, yield and quality differences between organically and conventionally grown winter wheat. Journal of the Science of Food and Agriculture 2012;92(14):2819-25.

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