Technische Massnahmen und deren Potential zur Reduktion der Treibhausgase Methan und Lachgas aus der Schweizer Tierhaltung

• Forschungsstelle: BLW
• Projektnummer: 08.15

Schlüsselwörter (Deutsch)

Methan, Lachgas, Schweizer Tierhaltung, Wiederkäuer, Hofdünger

Schlüsselwörter (Englisch)

methane, nitrous oxide, Swiss animal husbandry, ruminants, manure

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die Schweiz muss, gemäss Kyoto Protokoll, jährlich ihre Treibhausgasemissionen schätzen, u.a. auch diejenigen aus der Landwirtschaft. Dazu werden momentan Schätzwerte (‚default values’) für die Methan (CH₄)- und Lachgas (N₂O)-bildung aus dem Tier resp. dem Hofdünger verwendet, welche das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) vorschlägt, wenn keine landes­spezifischen Werte aus Messungen vorliegen. Bislang ist es unklar, ob dadurch die Treibhausgas­emissionen aus der Schweizer Landwirtschaft eher über- oder aber unterschätzt werden.

Im Rahmen dieser Studie werden die Treibhausgasemissionen aus dem Wiederkäuer (CH₄) und dem Hofdünger (CH₄, N₂O) in, für die Schweiz typischen Wiederkäuerproduktions-systemen (Milchproduktion, Fleischproduktion), gemessen, um repräsentative, landesspezifische Werte für die jährliche Budgetierung zu generieren. Weiter sollen praxistaugliche Strategien zur Verminderung dieser Treibhausgas-emissionen getestet werden.

Kurzbeschreibung (Englisch)

According to the Kyoto Protocol, Switzerland is obliged to estimate its greenhouse gas emissions, amongst others also from agriculture, on an annual basis. For the estimation of methane (CH₄) and nitrous oxide (N₂O) produced by the animal and the manure, respectively, so called ‘default values’ are used at the moment. These values are provided by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) and should be used in case of lack of country specific data. Until now it is unclear whether or not the greenhouse gases emitted from Swiss agriculture are rather over- or under-estimated.

With this project, greenhouse gases arising from ruminant husbandry, both from enteric fermentation (CH₄) and manure management (CH₄, N₂O) will be measured. Thereby ruminant production systems typical for Swiss agriculture, i.e. milk and meat production, will be evaluated to generate representative, country-specific data to be used further in the annual budgeting. Further strategies to mitigate those greenhouse gas emissions in farm practice will be tested.

Projektziele (Deutsch)

• Erhebung von Schweiz spezifischen Kennzahlen für die CH₄- und N₂O-emissionen differenziert nach landwirtschaftlichen Produktionssystemen.

• Vergleich intensiver und extensiver Bewirt­schaftung unter Miteinbeziehung der Tiere sowie des Hofdüngers (inkl. Lagerart und Lagerdauer).

• Entwicklung und Beschreibung von, für schweizerische Landwirtschaftsbetriebe praktika­blen, massgeschneiderten Senkungsmassnahmen von landwirtschaftlichen Treibhausgasen über Fütterungsmassnahmen und Anpassungen im Hofdüngermanagement.

Projektziele (Englisch)

• Evaluation of Swiss specific key data for CH₄ and N₂O emissions will be done differentiated for different agricultural production systems.

• Comparison of intensive and extensive ruminant husbandry including animals and manure (incl. type of storage and storage duration)

• Development and description of, practicable and customized mitigation strategies of agricultural greenhouse gases applicable in Swiss agricultural systems and based on nutrition and adaptation of manure management.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Das vorliegende Projekt liefert genauere Kenntnisse über die effektiven Treibhausgas­emissionen aus der Schweizer Landwirtschaft. In der Schweiz, wie auch in den übrigen Ländern, welche sich verpflichtet haben, ihre Treibhausgasemissionen bis 2012 zu senken, ist es wichtig, genaue Kenntnisse über die einzelnen Treibhausgasquellen zu haben, um zu evaluieren, wo die grössten Einsparungspotentiale liegen. Die während dieses Projektes erhobenen Kennzahlen ermöglichen diese genauere Inventarisierung. Diese Kennzahlen können in den Inventaren ab 2012 zum Einsatz kommen.

Weiter werden Treibhausgas senkende Strategien untersucht, welche für die Schweizer Landwirt­schaft, wenn möglich für alle Produktionssysteme, praktikabel sind. Dabei sind Strategien mit einer langfristigen Senkung der Treibhausgasemissionen in der Landwirtschaft anzustreben. Deren Reduk­tionspotential inklusive deren allfällige positive resp. negativen Effekte werden evaluiert, um die Möglichkeit zur Implementierung in der Praxis abzuschätzen.

Umsetzung und Anwendungen (Englisch)

This project provides detailed information about the actual greenhouse gas emissions arising from Swiss agriculture. For Switzerland, as also for other countries who committed themselves to decrease their greenhouse gas emissions until 2012, it is highly important to get detailed knowledge about the individual greenhouse gas sources. Only then they can decide on where the highest reduction potential is to be achieved. The key data evaluated in this project will enable a more precise inventory from 2012 forward.

Further, in this project greenhouse gas mitigating strategies will be tested, which ideally are practicable for all Swiss agricultural production systems. The development of strategies with persistent effects in mitigating greenhouse gases from agriculture is to aspire. Their mitigation potential and their probably positive as well as negative effects will be evaluated to test their suitability for implementation.

Neue Kenntnisse/Literatur (Deutsch)

Bereits an der ETH Zürich durchgeführte Studien, in welchen das Methanbildungspotential von Rationen, welche für die Schweizer Wiederkäuerhaltung typisch sind, untersucht wurden, weisen darauf hin, dass die Methanbildung eher unterschätzt wird. Gemäss IPCC (2001) wird momentan mit einer Methanrate Ym, d.h. der Anteil an Futterenergie welcher dem Tier mit dem gebildeten Methan verloren geht, von 6% gearbeitet (ab 2012 wird mit einem Ym Wert von 6.5% gerechnet, IPCC 2006). In den bisherigen Untersuchungen mit Schafen und Rindern wurden Ym-Werte von 5.9-8.5% ermittelt.

Die CH₄-Emissionen aus der Schweizer Hofdüngerlagerung werden ebenfalls mit IPCC-Schätzwerten berechnet, wobei Schweiz spezifische Werte z.B. für die vergärbare Substanz (VS) sowie für die maximale CH₄-Bildungs-kapazität gänzlich fehlen.

Literaturauswahl:

Estermann, B.L., Sutter, F., Schlegel, P.O., Erdin, D., Wettstein, H.-R. and Kreuzer, M. (2002) Effect of calf age and dam breed on intake, energy expenditure and excretion of nitrogen, phosphorus and methane of beef cows with calves. J. Anim. Sci. 80, 1124-1134.

Hindrichsen, I.K., Wettstein, H.-R., Machmüller, A., Bach Knudsen, K.E., Madsen, J., Kreuzer, M. (2006) Methane emission, nutrient degradation and nitrogen turnover in dairy cows and their slurry at different milk production scenarios with and without concentrate supplementation. Agric. Ecosyst. Environm. 113, 150-161.

Klevenhusen, F., Kreuzer, M., Bernasconi, S.M. and Soliva, C.R. (2008) The methanogenic potential and C-isotope fractionation of different diet types represented by either C₃ or C₄ plants as evaluated in vitro and in dairy cows. Aust. J. Exp. Agric. 48, 119-123.

Külling, D.R., Dohme, F., Menzi, H., Sutter, F., Lischer, P., Kreuzer, M. (2002) Methane emissions of differently fed dairy cows and corresponding methane and nitrogen emissions from their manure during storage. Environ. Monit. Assess. 79, 129-150.

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) (2001) IPCC Good Practice Guidance and Uncertainty management in National Greenhouse Gas Inventories, Chapter 4, Agriculture. http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp.

Neue Kenntnisse/Literatur (Englisch)

Studies lately carried out at the ETH Zurich and focusing on the methanogenic potential of diets typical for Swiss ruminant husbandry, indicate that methane formation rather is underestimated at the moment. According to IPCC (2001) the methane rate Ym, i.e. the proportion of feed gross energy that is converted to methane energy in the animal, currently used to calculate the Swiss inventory is 6% (from 2012 onwards Ym will be 6.5%, IPCC 2006). Previous studies, however, measured Ym values in sheep and cattle ranging between 5.9-8.5%.

Methane emissions from Swiss manure management are also calculated with IPCC default values, while Swiss specific values e.g. for the volatile solids (VS) and the maximum CH₄-producing capacity are missing completely.

Literature examples:

Estermann, B.L., Sutter, F., Schlegel, P.O., Erdin, D., Wettstein, H.-R. and Kreuzer, M. (2002) Effect of calf age and dam breed on intake, energy expenditure and excretion of nitrogen, phosphorus and methane of beef cows with calves. J. Anim. Sci. 80, 1124-1134.

Hindrichsen, I.K., Wettstein, H.-R., Machmüller, A., Bach Knudsen, K.E., Madsen, J., Kreuzer, M. (2006) Methane emission, nutrient degradation and nitrogen turnover in dairy cows and their slurry at different milk production scenarios with and without concentrate supplementation. Agric. Ecosyst. Environm. 113, 150-161.

Klevenhusen, F., Kreuzer, M., Bernasconi, S.M. and Soliva, C.R. (2008) The methanogenic potential and C-isotope fractionation of different diet types represented by either C₃ or C₄ plants as evaluated in vitro and in dairy cows. Aust. J. Exp. Agric. 48, 119-123.

Külling, D.R., Dohme, F., Menzi, H., Sutter, F., Lischer, P., Kreuzer, M. (2002) Methane emissions of differently fed dairy cows and corresponding methane and nitrogen emissions from their manure during storage. Environ. Monit. Assess. 79, 129-150.

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) (2001) IPCC Good Practice Guidance and Uncertainty management in National Greenhouse Gas Inventories, Chapter 4, Agriculture. http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp.

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) (2006) Guidelines for National Greenhouse Inventories. Vol. 4. Agriculture, forestry and other land use. Ch. 10. Emissions from livestock and manure management pp. 10.1 – 10.87.

Arbeitsvorgang/Stand der Arbeiten (Deutsch)

Milchkuhversuche:

• Auswahl für die Schweiz typischer Futter­rationen

• Auswahl potentiell CH₄-senkender Fütterungs­massnahmen (Fokus auf Futterpflanzen mit erhöhten Gehalten an sekundären Pflanzeninhalts­stoffen wie z.B. Buchweizen und Alexandriner­klee)

• Respirationsmessung, Stoffwechselversuch

• Messung der Treibhausgasemissionen bei der Lagerung der Exkremente

• Analyse und Bestimmung der VS der Gülle sowie deren maximale CH₄-Bildungskapazität

• statistische Auswertungen und Publikationen

Mastmuniversuch:

• Auswahl für die Schweiz typischer Futter­rationen (intensiv und extensiv) im Rindermast­sektor

• Auswahl von Strategien zur Senkung der CH₄-Emissionen in der Rindermast (in vitro Screening).

• Respirationsmessung, Stoffwechselversuch

• Messung der Treibhausgasemissionen bei der Hofdüngerlagerung der Exkremente

• Analyse und Bestimmung der VS der Gülle sowie deren maximale CH₄-Bildungskapazität

• statistische Auswertungen und Publikationen

Hofdüngerversuch:

• Sammlung von Hofdüngerproben von Praxis-betrieben (repräsentativer Durchschnitt über die schweizerische Landwirtschaft)

• Erhebung von Kennzahlen zur VS aus verschiedenen Hofdüngerproben sowie Hofdünger-managementsystemen

• statistische Auswertungen und Publikationen

Dossiers:

• Zwischen-, Schlussberichte für das BLW und das BAFU

• Dossiers für das BLW und das BAFU (Dossier mit Kennzahlen für Treibhausgasemissionen aus der Wiederkäuerhaltung, Dossier mit Vorschlägen zur Reduktion der Treibhausgase aus der Landwirtschaft sowie Quantifizierung deren Einsparungspotentials)

Stand der Arbeit:

• Einstellung der Doktorandin (MSc. Agr. Sabrina Stärfl) welche das Projekt während der nächsten drei Jahre bearbeitet.

• Planung eines Versuches mit Milchkühen, an welchen verschiedene alternative, potentiell methanhemmende Futtermittel getestet werden. (z.B. Buchweizen, Beginn Januar 09)

• Planung des Versuches mit Mastmuni, welcher im Februar 09 beginnt und max. 18 Monate dauert

• Planung und Durchführung einer in vitro Untersuchung, um in einem Screening die methansenkenden Strategien zu evaluieren, welche im Mastmuniversuch eingesetzt werden

• Planung eines Versuches mit Hofdünger zur Erhebung der VS aus verschiedenen Hofdünger-managementsystemen verteilt über die gesamte Schweiz (Bachelorarbeit 09)

Arbeitsvorgang/Stand der Arbeiten (Englisch)

Dairy cow experiments:

• Selection of typically Swiss diet types

• Selection of potential CH₄-mitigating feeding strategies (with focus on feeding plants with high amounts of secondary metabolites, e.g. buckwheat and rare clover species)

• Respiratory measurement, metabolic trial

• Measurement of greenhouse gas emission during manure storage

• Analyses and determination of manure VS and their maximum CH₄ producing capacity

• Statistical evaluation and publications

Trial with fattening bulls:

• Selection of typical Swiss fattening diet types (intensive and extensive fattening)

• Selection of potential CH₄-mitigating feeding strategies in fattening (in vitro screening).

• Respiratory measurement, metabolic trial

• Measurement of greenhouse gas emission during manure storage

• Analyses and determination of manure VS and their maximum CH₄-producing capacity

• Statistical evaluation and publications

Manure trial:

• Collection of manure samples from agricultural farms (representative average for Swiss agriculture)

• Evaluation of key values for VS from different manure samples and manure management systemss

• Statistical evaluation and publications

Dossiers:

• Progress and final reports for the FOAG and the FOEN

• Dossiers for the FOAGand the FOEN (with key figures for greenhouse gas emissions from ruminant husbandry and with recommendations for greenhouse gas mitigating strategies to be applied in agricultural systemsand their potential for reduction being quantified)

Status of the project:

• Recruitment of a PhD student (MSc. Agr. Sabrina Stärfl) who will work on this project for the next three years.

• Planning of the trial with dairy cows that will test different alternative, potentially methane mitigating feeds (e.g. buckwheat, start January 09)

• Planning of a trial with fattening bulls. Start of the trial in January 09, duration of the trial 10 months.

• Planning and realization of an in vitro trial to evaluate the most promising methane mitigating strategies to be tested in the fattening bull trial

• Planning of a manure trial to evaluate VS from different manure management systems distributed over whole Switzerland (Bachelor thesis 09)