Modelling of particulate matter and ammonia emissions from German agriculture

Abstract

Agricultural production comes along with numerous environmental effects, such as contribution to climate change, harmful to health emission impacts as well as eutrophication and acidification of soils and waters. Political regulations and environmental protection measures at the national and international level shall support development of sustainable agriculture. The intention of this work is to analyze the alterations of particulate matter, ammonia, and greenhouse gas losses from German agriculture arising due to adaptations in agricultural and environmental policy, and to find out efficient PM and NH3emission abatement options. To show, how certain economic and political conditions and their adjustment over time do affect amount of NH3, PM, and GHG released from agriculture and to evaluate emission mitigation options, economic-ecological static integer linear model, EFEM (Economic Farm Emission Model), has been developed. Following exogenous parameters have been integrated into the model: emission factors and the activities data stemming from FADN (Farm Accountancy Data Network) and census databases. In EFEM farm structure, production activities and extrapolation tool are represented in the system of interrelated modules for five farm types, i.e., arable farms, forage-growing, mixed and intensive livestock farms (one with the emphasises on pig husbandry and another one specializing in poultry production). The modelling is done for three German counties and each of them has focus regions, which are exemplary for important sources of PM, NH3, and GHG emissions in agriculture. Thus, following study regions have been chosen: Baden-Württemberg characterized by forage growing prevailing there, Lower Saxony marked by intensive livestock productions and Brandenburg due to its sandy arable sites at risk of erosion. The individual scenarios analyse abatement and financial efficiency of the adjustments of emission sources. Emission sources are adjusted in the framework of the emission relevant agricultural production practice, as exclusion of urea from mineral fertilization practices, switching from slurry to solid manure based livestock housing systems, introduction of crude protein reduced feeding by pigs and poultry, environmentally friendly slurry storage and land application, reduced tillage, and installation of exhaust air treatment systems in pig barns. Relatively efficient abatement of NH3 results from the exclusion of urea from fertilization practice at farms and in regions with higher land endowments, the switch from liquid to solid manure based housing system for cattle and the injection of liquid manure into the soil and covering manure storage with granulate at farms and in regions with comparatively high livestock density. Efficient PM and GHG emission reductions, mainly due to carbon sequestration, follows the introduction of the reduced tillage. Installation of Exhaust Air Treatment Systems, such as one-stage and multiple-stage chemical scrubbers, results in relatively expensive but more efficient measure for the reduction of both NH3 and PM losses. Net benefit, as the difference between reduced costs of damage for human health and environment and mitigation costs, gives the insight into the effect of abatement measure for the overall economy. Among all scenarios analysed in this study, the emission abatement options assuring maximal net benefits and emissions reduction are combined together and suggested as the abatement strategy at the farm and policy level. The scenario results are compared with national emission abatement ratios proposed by the European Commission for the years between 2020 and 2029. However, this efficiency of each individual abatement measure varies for study regions due to their individual conditions. Increasing attention to environmental problems at the regional and global level requires higher contribution of scientists from all over the world to the definition of pollution and emission abatement status. This study demonstrates the relevance of further investigation of PM and NH3 emissions in and from agriculture and of the ways to abate them.

Die landwirtschaftliche Produktion ist mit zahlreichen Umweltwirkungen verbunden, z.B. Beitrag zum Klimawandel, gesundheitsgefährdende Emissionsbelastungen sowie Eutrophierung und Versauerung von Böden und Gewässern. Gesetzliche Regelungen und Umweltschutzmaßnahmen auf nationaler und internationaler Ebene sollen eine nachhaltige Landwirtschaft fördern. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Änderung der Belastungen durch Feinstaub-, Ammoniak-und Treibhausgas-Emissionen aus der Landwirtschaft in Deutschland bei veränderter Landwirtschafts- und Umweltpolitik zu analysieren und darauf basierend effiziente Vermeidungsoptionen für Feinstaub- und Ammoniakemissionen abzuleiten. Um aufzuzeigen, inwiefern wirtschaftliche und politische Rahmenbedingungen und deren Anpassungen im Laufe der Zeit die emittierten Mengen von Feinstaub-, NH3-, und THG-Emissionen aus der Landwirtschaft und deren Vermeidungsoptionen beeinflussen, wurde das statische, ökonomisch-ökologische lineare Modell EFEM (Economic Farm Emission Model) angewandt und für die spezifischen Fragestellungen weiterentwickelt und angepasst. Folgende exogene Parameter wurden in das Modell integriert: Emissionsfaktoren und Daten aus der INLB (InformationsNetz Landwirtschaftlicher Buchführungen)-Datenbank und der Landwirtschaftszählung. EFEM ist modular aufgebaut und verfügt über ein Betriebsstruktur-, ein Produktionsverfahrens- und Hochrechnungsmodul. Für diese Studie werden fünf verschiedene Betriebstypen abgebildet: Ackerbau-, Futterbau-, Gemischt- und Veredlungsbetriebe (differenziert nach Schweine- und Geflügelproduktion). Die Modellierung wird für drei deutsche Bundesländer durchgeführt. Jedes dieser Bundesländer hat Schwerpunktregionen, die für wichtige landwirtschaftliche Quellen von Feinstaub-, NH3- und THG-Emissionen beispielhaft sind. Untersucht werden Baden-Württemberg, das durch intensive Futterbauregionen gekennzeichnet ist, Niedersachsen, geprägt durch intensive Veredlungsstandorte und Brandenburg, aufgrund sandigen und damit erosionsgefährdeten Ackerbaustandorten. Verschiedene Einzelszenarien analysieren finanzielle und ökologische Auswirkungen verschiedener Emissionsminderungsmaßnahmen. Einzelne Emissionsquellen werden innerhalb emissionsrelevanter Produktionsverfahren angepasst, wie bspw. der Ausschluss von Harnstoff bei der Mineraldüngerapplikation, die Umstellung von Flüssig- auf Festmist basierende Tierhaltungssysteme, die Einführung von rohproteinreduzierten Futterrationen in der Schweine- und Geflügelproduktion, umweltfreundliche Lagerungs- und Ausbringungssysteme für Flüssigmist, reduzierte Bodenbearbeitungsmaßnahmen sowie die Installation von Abluftreinigungsanlagen in Schweineställen. Die Modellierungsergebnisse zeigen, dass der Ausschluss von Harnstoff aus Düngeverfahren eine wirkungsvolle Maßnahme zur Vermeidung von NH3-Emissionen ist, insbesondere für Betriebe und Regionen mit einer relativ hohen Flächenausstattung. Die Umstellung von Flüssig- auf Festmist basierende Haltungssysteme in der Rinderproduktion, die direkte Bodeninjektion bei der Ausbringung von Flüssigmist und die Abdeckung von Güllelagern mit Granulat in Betrieben und Regionen mit einer hohen Viehbestandsdichte führt zu einer vergleichsweise effizienten Minderung von NH3-Emissionen. Eine wirksame Reduktionen von Feinstaub-und THG-Emissionen, vor allem durch CO2-Bindung, erfolgt durch die Anwendung von reduzierten Bodenbearbeitungsverfahren. Die Anbringung von Filter- bzw. Abluftsystemen in Stallanlagen, z.B. einstufige und mehrstufige chemische Wäscher, stellt eine vergleichsweise teure jedoch effiziente Maßnahme zur Reduzierung von NH3- und Feinstaubbelastungen dar. Der Netto-Nutzen als Differenz der eingesparten Kosten für menschliche Gesundheits- und Umweltschäden und den Vermeidungskosten der Landwirtschaft, gibt einen Einblick in die gesamtwirtschaftliche Wirkung von Minderungsmaßnahmen. Die in dieser Studie analysierten Emissionsvermeidungsoptionen, welche einen maximalen Netto-Nutzen und eine maximale Emissionsminderung gewährleisten, wurden miteinander kombiniert und als Vermeidungsstrategie sowohl auf landwirtschaftlicher Betriebsebene als auch auf politischer Ebene empfohlen. Die Szenarien-Ergebnisse sind mit den nationalen Emissionsobergrenzen, die von der Europäischen Kommission vorgeschlagen wurden, für die Jahre zwischen 2020 und 2029 verglichen,. Die Effizienz der einzelnen Emissionsvermeidungsmaßnahmen in den Einzelszenarien variiert aufgrund der individuellen regionalen Bedingungen. Das zunehmende Interesse für Umweltprobleme auf regionaler und globaler Ebene erfordert für die Statusbestimmung des Belastungsgrades durch Emissionen und potenzieller Vermeidungsstrategien mehr Beiträge von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt. Die vorliegenden Studienergebnisse zeigen die Bedeutung für weitere Untersuchungen von Feinstaub-und NH3-Emissionen aus und in der Landwirtschaft und die Erörterung weiterer Möglichkeiten, diese zu verringern.