Phosphor (P) ist ein für alles Leben notwendiges essentielles Nährelement. Die heutige globalisierte und intensivierte agrarische Produktion benötigt daher die Anwendung großer Mengen Phosphatgesteins, welches eine endliche Ressource darstellt. Gleichzeitig ist der intensive P Gebrauch mit der Eutrophierung von Gewässern verbunden. Es besteht daher Forschungsbedarf um die landwirtschaftliche Produktion zu erhalten. Ziel dieser Arbeit ist die in der Region Berlin-Brandenburg nach Ansatzpunkten für ein verbessertes P Management zu suchen. Hierfür wurde für 2011 eine Substanzflussanalyse (SFA) für P erstellt und Pflanzenproduktion der Jahre 2005-2012 genauer untersucht. Mit Hilfe einer Briefumfrage wurde Daten von 119 Bauernhöfen ausgewertet und mit dem pflanzenverfügbaren P Gehalt (PVP) der landwirtschaftlichen Nutzfläche abgeglichen (LNF). Im Ergebnis zeigt sich für die Region eine negative P Bilanz der LNF(-3.617 t P) und ein hohes Recyclingpotential in Abfall (933 t P) und Abwasser (3.921 t P). P in mineralischen Düngemitteln belief sich auf 4.447 t. Der Gesamtentzug über die Ernte ohne Stroh betrug 15.283 t P und war vergleichbar zu 2006, das Jahr des geringsten P-Entzugs. P-Entzug durch die Ernte schwankte um 7.069 t P/a von 2005 bis 2013, abhängig vom Ertrag der Hauptfeldfrüchte, welche durch die Wetter- und Bodenbedingungen bestimmt wurde. Hieraus ergeben sich mögliche Konsequenzen für P-Flüsse in Bezug auf den Klimawandel, die an den Wasserhaushalt und die Temperatur gekoppelt sind. Die Analyse der Umfrage ergab, dass die kleinen und mittgroßen Einzelunternehmen höhere PVP Werte in der LNF aufwiesen. Die größeren Unternehmensformen regierten empfindlich auf Faktoren, die niedrige PVP-Werte begünstigten. Pacht, Grünland, extensive Rinderhaltung, und viehlose ökologische Landwirtschaft waren mit niedrigen PVP-Werten assoziiert. Biogasanlagen und intensive Tierhaltung, zum Teil auch in Kombination miteinander standen im Zusammenhang mit hohen PVP-Werten. / Phosphorus (P) is an essential nutrient for all life on earth and it is thus needed in agricultural production. Today’s globalized and intensified agricultural production has led to the dependency on P inputs which are fed by phosphate rock, being a finite resource. In contrast, excessive P is a major driver in eutrophication. To sustain agricultural production, there is a need to address this problem. The aim of this thesis was to identify points at which P management could be improved for the region Berlin-Brandenburg. To analyze the system and screen for improvement, a substance flow analysis (SFA) for P for the year 2011 was compiled and for crop production the years 2005-2012 were analyzed. Also, data from 119 farms was obtained by a letter survey and relations between farm structural factors and soil test P (STP) were drawn. The results showed a negative balance for agricultural soils (-3,617 t P) and a considerable recycling potential in waste (933 t P) and wastewater (3,921 t P). Mineral fertilizer inputs amounted to 4,447 t P. P removal by crops was 15,283 t without straw and residues, being almost as low as in 2006; the year with the lowest removal by main crops. P removal by harvest varied significantly (7,069 t P/yr from 2005 to 2013) and depended on the performance of main crops which in turn is influenced by weather and soil. As a result of this, climate change may interact significantly with P flows in agriculture. Here, important variables are connected to conditions in P uptake and plant growth in general (e.g. water supply and temperature). The analyses of farms in the region showed that individual farms of small to medium size had more land with (very) high STP. Larger partnerships and companies/cooperatives were susceptible to factors causing low STP. Tenancy, grassland, extensive cattle and stockless organic farming had a lowering effect on STP. Biogas plants and intensive (cattle) farming, partly combined, were connected to a rise in STP.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluss verschiedener Schwefel (S)-Düngemittel, der Leguminosenart und des Gemengebaus von Erbse (Pisum sativum L.) und Gerste (Hordeum vulgare L.) auf die Schwefelakkumulation sowie den Ertrag der Ackerbohne (Vicia faba L.), Schmalblättrige Lupine (Lupinus angustifolius L.) und Erbse zu erheben. In den Jahren 2012 bis 2014 wurden Feldversuche auf zahlreichen Standorten durchgeführt, um die Wirkung von Kieserit (MgSO4), Gips (CaSO4), elementarem S und Bittersalz (MgSO4 × 7H2O) auf die Körnerleguminosen zu testen. Die Düngung von Ackerbohne, Schmalblättriger Lupine und Erbse mit verschiedenen S-haltigen Düngemitteln führte unter den geprüften Feldbedingungen weder zu Ertragssteigerungen noch zu einer gesteigerten N-Akkumulation. Der S-Bedarf der drei Körnerlegunminosen wurde offenbar über natürliche Ressourcen gedeckt. Trotzdem zeigten sich Gips und Kieserit, teilweise auch Bittersalz als geeignete Düngemittel, um die S-Konzentration im Gewebe der Pflanzen zu erhöhen. Die S-Akkumulation im Spross der Ackerbohne (5-17 kg S ha-1), Schmalblättrigen Lupine (5-15 kg S ha-1) und Erbse (2-13 kg S ha-1) war gering und wurde von den Pflanzen an deren Bedarf angepasst. Im Gegensatz zu Ackerbohne (SHI 0,65) und Erbse (SHI 0,63), die S vorwiegend im Korn akkumulierten, sammelte die Schmalblättrige Lupine einen Großteil des aufgenommenen S im Stroh (SHI 0,40) an. Der Einfluss des Gemengeanbaus mit Gerste auf den S-Haushalt der Erbse war sehr gering. Die Erbse in Reinsaat nahm signifikant mehr S gemittelt über alle getesteten Düngemittel auf als das Gemenge aus Erbse und Gerste. Erbse und Gerste akkumulierten ähnlich hohe Mengen S im Spross pro Einheit Kornertrag. Um maximale Kornerträge sowie N- und S-Akkumulationen in einem substitutiv zusammengesetzten Gemenge aus Erbse und Gerste zu erzielen, wurde ein optimales Saatverhältnis von 42-88% keimfähiger Erbsensamen zu 12-58% keimfähigen Gerstensamen der jeweiligen Reinsaatstärke ermittelt. / The objectives of this study were to evaluate the influence of different sulfur (S) containing fertilizers, the legume species and of intercropping of pea (Pisum sativum L.) and barley (Hordeum vulgare L.) on sulfur accumulation and yield of faba bean (Vicia faba L.), narrow leaf lupin (Lupinus angustifolius L.) and pea. In the years 2012 to 2014 field trials have been conducted to test the effects of kieserite (MgSO4), gypsum (CaSO4), elemental S and epsom salt (MgSO4 × 7H2O) on grain legumes at several sites in Germany. Under the given environmental conditions, fertilization of faba bean, narrow leaf lupin and pea with different S containing fertilizers did not increase yield and nitrogen (N) accumulation. The S demand of the three grain legumes was low and obviously covered by S sources from the soil as well as atmospheric S deposition. However, gypsum, kieserite and epsom salt generated noticeable increases in S concentration in parts of the plants. S accumulation in shoots of faba bean (5-17 kg S ha-1), narrow leaf lupin (5-15 kg S ha-1) and pea (2-13 kg S ha-1) was comparatively low and has been adapted to the plants respective S demand. In contrast to faba bean (SHI 0,65) and pea (SHI 0,63), who accumulated S predominantly in seeds, narrow leaf lupin (SHI 0,40) accumulated the bulk of S in its straw. The influence of barley on peas S concentration was very low. Pea in pure stands accumulated significantly more S than the total intercrop of pea and barley, whereas pea and barley accumulated similar amounts of S in its shoots per unit seed yield. To achieve the maximum seed yield and maximum N and S accumulation in substitutive mixtures of pea and barley, a relative seed frequency of 42%–88% pea seeds to 12%–58% barley seeds of their monocrop seeding rate has been calculated to be optimal.

In Anbetracht des Kompromisses zwischen der Erzielung des höchsten Gewinns und der geringsten Umweltbelastung ist ein tiefes Verständnis der ökonomischen Folgen der Stickstoff (N) Düngung erforderlich. Die vorliegende Doktorarbeit liefert umfassende Einblicke in (i) die Auswirkungen des standortspezifischen N-Managements (SSNM) auf die Rentabilität und Risikominderung, (ii) die Auswirkungen von Unsicherheiten und Risikoeinflüssen auf optimale N-Düngergaben und (iii) das Potenzial und die Kosten der Vermeidung von Treibhausgas (THG) Emissionen durch N-Düngereduktion. Ein Modellierungsansatz wurde entwickelt, um die Wirkung von Ertrag und Proteingehalt, Wirtschafts- und Risikoauswirkungen sowie THG-Emissionen auf die N-Düngung zu simulieren. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass SSNM die Wirtschaftlichkeit verbessert, indem es eine höhere Weizenqualität und damit Preisprämien erzielt. SSNM reduziert das Risiko, die Backqualität nicht zu erreichen, und es gibt keine wesentlichen Nachteile beim Verlustrisikomanagement im Vergleich zum einheitlichen Management. Preisprämien für eine höhere Weizenqualität bieten Anreize für höhere N-Düngergaben. Prämien verflachen die Gewinnfunktion weiter, was unzureichende Argumente für eine Absenkung des N-Inputs aus der Wirtschaftlichkeitssicht liefert, selbst bei einer hohen Risikoaversion der Landwirte. Eine moderate Reduzierung der mineralischen N-Düngung kann die THG-Emissionen bei moderaten Opportunitätskosten mindern. Die THG-Vermeidung durch N-Düngereduktion in einer bestimmten Region kann unter Berücksichtigung kultur- und ertragszonenspezifischer Ertragswirkungen optimiert werden. Insgesamt liefert diese Arbeit wichtige Erkenntnisse über die Chancen und Nachteile der Anpassung der N-Düngergaben. Darüber hinaus leistet sie einen direkten Beitrag zur Identifizierung von kosten- und risikoeffizienten N-Managementoptionen und bildet die Grundlage für effektive politische Ansätze zur THG-Vermeidung durch selektive N-Düngereduktion. / Considering the tradeoff between achieving the highest profit and causing the lowest environmental impact, there is a need for a profound understanding of the economic consequences of nitrogen (N) fertilizer application. The present doctoral research provides comprehensive insights into (i) effects of site-specific N management (SSNM) on profitability and risk mitigation; (ii) impacts of uncertainties and risk implications on optimal N fertilizer rates; and (iii) potential and costs of mitigating greenhouse gas (GHG) emissions by N fertilizer reduction. A modelling approach was developed to simulate the response of yield, protein, economic and risk implications, and GHG emissions to N fertilizer application. Findings of the thesis show that SSNM improves profitability by achieving higher grain quality, thus, price premiums. SSNM reduces the risk of not reaching the baking grain quality and poses no considerable disadvantage on downside risk management compared to uniform management. Price premiums for higher wheat quality provide incentives for higher N input rates. Premiums further flatten the profit function, giving insufficient arguments for lowering N input from a farm profitability perspective, even in presence of high risk aversion of farmers. Moderate reduction of mineral N fertilizer can mitigate GHG emissions at moderate opportunity costs. GHG mitigation by N fertilizer reduction in a given region can be optimized considering crop and yield-zone-specific yield responses. Overall, this thesis provides important insights on chances and drawbacks of adjusting N fertilizer rates. Moreover, it makes a direct contribution in identifying cost- and risk-efficient N management options and provides a basis for effective policy approaches to reduce GHG emissions by selective N fertilizer reduction.