Stickstoff-Düngung im Spannungsfeld zwischen Ertragssicherung und Umweltwirkungen

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1 Stickstoff-Düngung im Spannungsfeld zwischen Ertragssicherung und Umweltwirkungen Michael Fuchs SKW Stickstoffwerke Piesteritz GmbH Landwirtschaftliche Anwendungsforschung Cunnersdorf

2 Gliederung» Düngung Ernährungssicherung Umwelt» Ertragssicherung durch N-Düngung» Harnstoff» N-/S-Dünger» N-stabilisierte Dünger» N-Verlustreduzierung» Nitrat» Ammoniak» Denitrifikation/Lachgas 2

3 DLG-Präsident Bartmer: DLG-Wintertagung 2012 Potentiale in Europa zur weltweiten Ernährungs- und Energiesicherung nutzen Maßnahmen innerhalb der eigenen Grenzen haben eine globale Dimension Nicht Nutzung der Potentiale in Gunstregion Europa führt zu Produktivitätssteigerung auf marginalen Standorten mit unverhältnismäßig hohen Umweltkosten Weltweit (auch Europa) steht in einer dreifachen Verantwortung für Welternährung, Klima- und Umweltschutz 3

4 Mineraldünger und Welternährung Fazit: ohne Mineraldüngung würde jeder 2. Mensch auf der Welt an Hunger sterben (IVA Broschüre: Wichtige Zahlen ) 4

5 Harnstoff Weltdünger Nr. 1 5

6 Zwei Gesichter des Stickstoffs Weltbevölkerung NO2-Emisionen (Tg N) Mineraldüngereinsatz (Tg N) Gesamter antropogener N (Tg N) Biologische Fixierung Landwirtschaft (Tg N) Sicherung der Ernährung der wachsenden Weltbevölkerung Steigerung der Nahrungsmittelproduktion auf nahezu gleichbleibender Ackerfläche Steigerung der Menge reaktiver Stickstoff in der Umwelt Umweltschädliche N-Wirkungen (Emissionen, Austrag in Gewässer) Quelle: Stickstoff Zuviel des Guten?, UBA

7 Stickstoffüberschüsse Gesamtbilanz Reduktion N-Überschuss von 130 kg/ha 1991 auf 105 kg/ha 2007 Zielwert 2010 war 80 kg/ha Weitere Verringerung ist politisch gewollt und wird angestrebt 7

8 Globaler Stickstoffkreislauf Quelle: IVA, Stickstoff

9 Einflussfaktoren auf die N-Düngung Erzeugerpreise Düngerpreise Düngeverordnung N-Düngung Wetter/Klima Fachlich/ackerbauliche Entscheidungen 9

10 1.000 t N Erntemenge (Mio. t) N-Düngerverbrauch und Erntemenge in D 2300 N-Düngemittelverbrauch Erntemenge Getreide /90 03/04 04/05 05/06 06/07 07/08 08/09 09/10 10/

11 Relativertrag Ertragsverlauf ohne N im Dauerversuch Ertragsverlauf in der ungedüngten Variante y = -9,023ln(x) + 79,798 R² = 0,

12 Relativertrag Einfluss von Kali u. ph auf N-Düngewirkung 140 Dauerversuche Kali und Kalk seit 1996 Ertragsbeeinflussung bei optimaler N-Versorgung ohne K bzw. Kalk mit K-Düngung mit Kalk

13 Düngung Ernährungssicherung Umwelt» Die N-Düngebemessung entscheidet über Ertragshöhe und sicherung sowie potenzielle umweltschädliche N-Verluste» Mineralische N-Dünger sind ein wichtiges Steuerinstrument» N-Bilanzen geben Auskunft über die wirtschaftliche Düngeranwendung und ökologische Auswirkungen (Verluste)» Die gesamte Nährstoffversorgung und nicht nur N entscheiden über Ertragshöhe und deren Absicherung 13

14 » Ertragssicherung durch N-Düngung Harnstoff N-/S-Dünger N-stabilisierte Dünger 14

15 Stickstoffanwendung in Deutschland 2010/ t N (Nährstoff) + 18 % ,7 % Quelle: IVA, Wichtige Zahlen ,5 % KAS AHL Harnstoff andere N-Dünger (+S) NP NPK Veränderung (%) 2010/11 zu 2009/10 15

16 N-Formenvergleich Harnstoff-KAS Relativertrag, 288 Versuche , verschiedene Standorte Getreide Raps Mais Kartoffel Zuckerrübe Gesamt Versuchsanzahl ohne N PIAGRAN (88,3 dt/ha) Kornertrag (47,7 dt/ha) Samenertrag (105,8 dt/ha) Kornertrag (430 dt/ha) Knollenertrag (696 dt/ha) Rübenertrag 100 KAS

17 Kornertrag (dt/ha) N-Formenvergleich Harnstoff-KAS Mehr- und Mindererträge in Wintergetreide, 175 Versuche , versch. Standorte 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0-2,0-4,0-6,0-8,0 17

18 N-Formenvergleich Harnstoff-KAS N-Entzug, 242 Versuche , verschiedene Standorte kg N/ha Getreide Raps Mais Kartoffel Gesamt Versuchsanzahl ohne N PIAGRAN KAS

19 Harnstoff gleich KAS: Ertrag und N-Effizienz 19

20 Harnstoff gleich KAS: Ertrag und N-Effizienz Ertrag relativ (%) N-Abfuhr (kg/ha N) KAS ASS Harnstoff Standort: Dürnast; sl, ph 6,3, 800 mm NS Fruchtfolge: Kartoffeln, WW, WG 20

21 Kornertrag (dt/ha), N-Entzug (kg/ha) Rohprotein (%) Harnstoff gleich KAS: Ertrag und N-Effizienz N-Düngung des Winterweizens Düngerformen im Vergleich (Boese, L., LLFG Sachsen-Anhalt ) , ,7 12, , , ,7 84,1 12,6 12,6 12,6 12, , KAS Harnstoff 12,6 12,5 Ertrag (dt/ha) N-Entzug (kg N/ha) RP (%) 21

22 Harnstoff gleich KAS: Ertrag und N-Effizienz FAZIT: In Feldversuchen über 4 bzw. 3 Jahre an drei Standorten wurde... Harnstoff im Vergleich zu KAS... in Winterweizen Sorte Tommi geprüft. Im Mittel der Jahre und Standorte waren die Wirkungsunterschiede... sehr gering und praktisch irrelevant. Quelle: Boese, L. (2007): N-Düngung des Winterweizens - Düngerformen im Vergleich, Bernburger Agrarberichte 1,

23 Harnstoff gleich KAS: Ertrag und N-Effizienz 23

24 Harnstoff gleich KAS: Ertrag und N-Effizienz 24

25 GE-Ertrag (dt/ha), N-Entzug (kg/ha) Harnstoff gleich KAS: Ertrag und N-Effizienz N-Düngung in einer Fruchtfolge KAS-Harnstoffvergleich (Albert, E. & Trapp, S., sächs. LfULG 2009) GE (dt/ha) N-Entzug (kg N/ha) 140,8 157,8 138,8 153, ,8 70,3 83,4 86,0 82,2 85,8 0 ohne N KAS red. KAS opt. Harnstoff red.harnstoff opt. 25

26 Harnstoff gleich KAS: Ertrag und N-Effizienz FAZIT: Die geprüften N-Düngerformen (KAS, HS, ASS, ENTEC) zeigten im Mittel von 10 Versuchsjahren leichte standortabhängige Wirkungsunterschiede. Harnstoff wirkte auf dem anlehmigen Sand in Spröda und dem Lehm im Pommritz etwas schlechter auf dem Verwitterungsboden in Forchheim dagegen überraschend gut. Auch die N-Entzüge widerspiegeln dieses Ergebnis. Quelle: Albert E & Trapp S (2009): Effiziente Nährstoffverwertung; Prüfung von N-Düngerformen. Versuchsberichte Pflanzliche Erzeugung Nährstoffverwertung, sächsisches LfULG 26

27 Ertrag/ (relativ) Stickstoff und Schwefel - Ertrag (relativ) Einfluss eines kombinierten N-/S-Düngers in einem Fruchtfolgedauerversuch auf den Ertrag (Mittelwerte 3 Standorte, , n=28) LSD 0,05 = 2,9 % ohne N PIAMON 33-S PIAGRAN 46 KAS 27

28 Ertrag/ (dt/ha) Stickstoff und Schwefel: Ertrag bei S-Mangel Einfluss eines kombinierten N-/S-Düngers in einem Fruchtfolgedauerversuch auf den Ertrag unter S-Mangelbedingungen Wintergerste Trossin ,0 71,8 71, ,8 10 LSD 0,05 = 6,9 dt/ha ohne N PIAMON 33-S PIAGRAN 46 KAS 28

29 Anwendung von Nitrifikationsinhibitoren» NI verlangsamen die N-Umsetzung zu Nitrat» Neben Ammonium auch stets geringe Mengen an Nitrat verfügbar» Nutzung der Eigenschaften des Kations NH + 4 für Pflanzen und Boden» N-Effizienz wird erhöht N-Verluste vermindert 29

30 Anwendung von Nitrifikationsinhibitoren» Umstellung der Düngungssysteme Gabenzusammenfassung» Hohe N-Gaben in der kühl-feuchten Jahreszeit Ammoniakemissionen» Geringere Nitratkonzentration im Boden Nitrat Denitrifikationsverluste Lachgas 30

31 Ertrag/N-Entzug (relativ) Versuchsergebnisse Ertrag und N-Entzug (relativ) Einfluss eines Nitrifikationshemmers auf Ertrag und N-Entzug (Fruchtfolgedauerversuch, Mittelwerte 2 Standorte, , n=30) Ertrag N-Entzug LSD 0,05 = 3,0 (Ertrag), 4,7 (N-Entzug) 31

32 Ertrag/N-Entzug (relativ) Versuchsergebnisse Ertrag (relativ) Einfluss eines Nitrifikationshemmers auf den Ertrag (Fruchtfolgedauerversuch, Mittelwerte 2 Standorte, , n=30) ohne N KAS (100%) AHL 28 (100%) ALZON flüssig (100%)ALZON flüssig (70%) LSD 0,05 = 3,0 (Ertrag) 32

33 Relativertrag Versuchsergebnisse Ertragsverlauf Dauerversuch 120 Nass/kaltes Frühjahr normales Frühjahr Trocken/warmes Frühjahr AHL 28 (100%) ALZON flüssig (100%) ALZON flüssig (70%)

34 Nmin n.d. Ernte (kg N/ha) Versuchsergebnisse N min und N-Bilanz 60 Einfluss eines Nitrifikationshemmers auf N min -Gehalt im Boden nach der Ernte (Mittelwerte 2 Standorte, , n=30, Nmin n=25) ohne N AHL 28 ALZON flüssig (100%) ALZON flüssig (70%) *NI = Nitrifikationshemmstoff (Gemisch aus 1H-1,2,4-Triazol und 3-Methylpyrazol im Verhältnis 2:1) 34

35 » N-Verlustreduzierung Nitrat Ammoniak Denitrifikation/Lachgas 35

36 Dimension der N-Verluste am Beispiel Sachsen» Höchste Verluste durch Nitrat» Ammoniak und Denitrifikation deutlich geringer» Denitrifikation im Mittel höher als Ammoniak Quelle: Heinitz, F., Albert, E., Reinicke, F., Wagner, B.; Optimierung N-Management, LULG Sachsen, Heft 25/

37 N-Verluste (Nitrat) im aquatischen Bereich ca. 570 kt/a (2005) Quelle: Stickstoff Zuviel des Guten?, UBA

38 N-Verluste (Nitrat im aquatischen Bereich)» 70 % der N-Einträge stammen aus der Landwirtschaft» Punktquellen (Kläranlagen + Industrie um 75 % reduziert» Eintrag aus dem Grundwasser nur um ca. 20 % reduziert DüV Wasserrahmenrichtlinie Wasserschutzprogramme 6. Februar 2012 Fußzeile, z. B. Veranstaltung, Autor etc. (Master) 38

39 Gasförmige N-Verluste 39

40 Gasförmige N-Verluste» 95 % der NH 3 - und 68 % der Lachgasemissionen stammen aus der Landwirtschaft» NH 3 -Zielwert 2010: 550 kt/a, Zielwert 2020??? Kt» Ca. 1 % der gedüngten N-Menge gehen als Lachgas verloren (IPCC 2006) NEC-Richtlinie (RL 2001/81/EG) DüngeVerordnung 6. Februar 2012 Fußzeile, z. B. Veranstaltung, Autor etc. (Master) 40

41 SKW gut gerüstet für N-Effizienzverbesserung Nitrifikationsinhibitoren Reduzierung v. Nitrat- und Denitrifikationsverlusten (Lachgas) Ureaseinhibitoren Reduzierung von Ammoniakverlusten Optimierung der Nährstoffversorgung durch Schwefel Verbesserung der N-Ausnutzung FRAGE: Wo und wann sind Inhibitoren notwendig und ihre Anwendung wirtschaftlich? 41

42 Stickstoffumsetzung im Boden 42

43 Hauptursache von Ammoniakemissionen Anteile an den Ammoniakemissionen 0,2 % 13,8 % 86,0 % Leguminosen Mineraldünger Stall & Gülle Quelle: UBA (2011): German Informative Inventory Report... Hauptverursacher ist die Tierproduktion, aber ein Teil stammt auch aus der Mineraldüngung 43 43

44 Räumliche Verteilung von Ammoniakverlusten Die Gebiete mit niedrigen Ammoniak-Emissionen sind mittel- und ostdeutsche Ackerbauregionen in denen viel Harnstoff gedüngt wird 44

45 NH3-Verlust rel. mittl. Temp.( C)/NS-Summe (mm) NH 3 -Verluste nach N-Düngung: Niederschlag u.temp NH3-Verlust rel. KAS mittl. Temp. Applikation zu Winterweizen 1999 Düngung 80 kg/ha N - 10-tägige Messperiode NH3-Verlust rel. HS NS-Summe (mm) 49, ,1 7,7 26,1 13,3 19,1 22,1 12, ,7 0,5 2,6 0,1 0,1 0,1 0,1 0,5 0,1 0,1-0,1-0,1 Ende März Anfang April Ende April Ende Mai Mitte Juni

46 NH3-Verlust rel. mittl. Temp.( C)/NS-Summe (mm) NH 3 -Verluste nach N-Düngung: Niederschlag u. Temp ,7 Applikation zu Winterweizen 2000 Düngung 80 kg/ha N - 10-tägige Messperiode NH3-Verlust rel. KAS mittl. Temp. NH3-Verlust rel. HS NS-Summe (mm) ,3 8,0 15,4 4,8 18,5 9, ,7 0,1 0,6 0,2 0,2 1,5 5,5 0,7 1, Ende März Anfang April Ende April Anfang Juni Quelle: TU München/Lehrstuhlfür Pflanzenernährung (SCHMIDHALTER, GUTSER, WEBER 2000)

47 Standortgunst Mitteleuropa Faktor Deutschland Mitteleuropa Südeuropa Tropen Subtropen ph-wert Meist < 7,5 Oft > 7,5 Zwischen 4 und 8 Temperaturen Kühl/gemäßigt Warm/kontinental Hoch Niederschläge Häufig, jedoch Trockenperioden Trocken, Zusatzbewässerung Wechselfeucht bis trocken Umsatzgeschwindigkeit Harnstoff ca. 1-4 Tage ca. 1-2 Tage ca. 1 Tag Verlustrisiko NH 3 niedrig hoch hoch Vorteil durch UI gering hoch hoch 47

48 Harnstoff Grundlagen beachten Ammoniakverluste sind gering, wenn die Anwendungsempfehlungen eingehalten werden: Feuchte Böden mit ausreichender Sorptionskapazität (BZ > 20) ph-wert unter 7,5 Temperaturen weniger als 25 C Qualitativ hochwertige Dünger Einarbeitung, wo möglich Also Bedingungen, die zu den praxisüblichen Düngeterminen meist gegeben sind. 48

49 N-Verluste als Nitrat und infolge der Denitrifikation Oxidation beeinflusst durch NH 4 -und O 2 -Verfügbarkeit Reduktion beeinflusst durch NO 3 - und C-Verfügbarkeit sowie O 2 Mangel N 2 O Lachgas N 2 O Lachgas Nitrifikation Denitrifikation NH + 4 NO - 2 NO - 3 NO - 2 Ammonium Nitrit Nitrat Nitrit Wirkort N-Stabilisator Verlagerung Austrag N 2 gasförmig 49

50 Lysimeter-Untersuchungen Fruchtfolge: WW WG Weidelgras Kartoffeln WW Kartoffeln N-Düngung: Ø 122 kg N/ha, Harnstoff Bodentyp Nitrifikations- inhibitor N-Austrag mit dem Sickerwasser kg N/ha % Minderung erodierte ohne 50,8 Braunerde mit 30,9 39 Bleichstaugley ohne 19,4 mit 9,2 51 Braunerde ohne 33,0 Parabraunerde mit 21,

51 Risiko hoher Denitrifikationsverluste (Lachgas)» Mit zunehmenden N-Überschüssen» Gemeinsame Ausbringung von Mineralstickstoff und Wirtschaftsdüngern» Mit zunehmenden Nitratgehalten im Boden Der letzte Punkt mag dafür ausschlaggebend sein, dass Harnstoff im Vergleich zu KAS geringere Lachgas-Emissionen aufweist 51

52 Lachgasemissionen - Mineraldünger Lachgas-Emissionsfaktoren (N-Verlustrate in %) nach Stehfest & Bouwman (2006), Auswertung aller verfügbaren und seriösen Ergebnisse zu Lachgasemissionen Düngemittel Harnstoff KAS Median 0,69 1,80 REML-Median 0,96 1,56 REML biostatistische Angleichung der Studien zur Vermeidung der Überbewertung einzelner Ergebnisse Quelle: Stehfest, E., Bouwman, L. (2006): N 2 O and NO emisson from agricultural fields and soels under natural vegetation: summarizing available measurement data and modeling of global annual emissions. Nutrient Cycling in Agroecosystems 74:

53 Dimension der Lachgasemissionen» Lachgasverluste ca. 1% des gedüngten N (IPCC 2006)» Nach P.J. Crutzen mehr als 3%» Starke Auswirkungen auf den Treibhauseffekt» N 2 O nur 10 % im Rahmen der gesamten Denitrifikationsverluste Der letzte Punkt bedeutet aber hohe wirtschaftliche N-Verluste beim Anwender und dürfte im Rahmen der Gesamtverluste eines Düngers eine große Rolle spielen höheres Denitrifikationsverlust-Potential von KAS gegenüber Harnstoff 53

54 Lachgasemissionen - Mineraldünger Düngemittel N 2 O in kg N/ha gesamt düngerinduziert Reduktion ohne N 0, Harnstoff 1,42 0,6 - (%) Harnstoff + NI 1,09 0,27 55 (HS) 77 (KAS) KAS 2,0 1,18 - Denitrifikationsverlust 6 kg N/ha Quelle: Weber und Gutser, TUM 2001 Denitrifikationsverlust ~ 12 kg N/ha Denitrifikationsverlust ~ 3 kg N/ha 54

55 Zusammenfassung Die N-Verluste aus Mineraldüngern sind im Vergleich zu organischen Düngern sehr gering» N-Düngung trägt wesentlich zur Sicherung der Ertragshöhe und Ertragsstabilität bei» N-Formen unterscheiden sich hinsichtlich Düngewirkung nicht» Die N-Effizienz lässt sich durch Inhibitoren und das Zusammenspiel aller Nährstoffe (S) absichern» Jeder mineralische N-Dünger hat Verluste in unterschiedlicher Form (Nitrat, Ammoniak, Denitrifikation/Lachgas)» Die beste Vermeidungsstrategie ist eine bedarfsgerechte Anwendung und eine möglichst hohe N-Effizienz 55

56 Zusammenfassung» Ammoniakverluste harnstoffhaltiger Dünger lassen sich durch eine fachgerechte Anwendung minimieren» Unter mitteleuropäischen Verhältnissen ist das Ammoniak- Verlustpotential von Mineraldüngern gering und deshalb die Anwendung von Ureaseinhibitoren zu Harnstoff nicht effizient» die Kosten der N-Düngung würden unnötig erhöht» Mit Nitrifikationshemmstoffen kann die N-Effizienz durch Verlustminderung (Auswaschung, Denitrifikation/Lachgas) entscheidend verbessert werden 56

57 19. SKW-Feldtag Juni 2012 Cunnersdorf / Leipzig 57

58 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und eine gute Ernte 2012! 58 58

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