Verbesserung der N-Effizienz und Umweltverträglichkeit. von Nitrifikationshemmstoffen. Klaus Brenner

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1 Verbesserung der N-Effizienz und Umweltverträglichkeit von Gärresten durch Anwendung von Nitrifikationshemmstoffen Zusammenfassung: Für eine nachhaltige Biogasproduktion gewinnt die N-Effizienz bei der Düngung mit Gärresten immer mehr an Bedeutung. So wurden in den letzten Jahren viele Versuche mit Nitrifikationshemmstoffen zur Düngung von Gärresten durchgeführt. Ziel dieser Versuche war es, die Ertragswirkung, die N-Ausnutzung aber auch die Reduzierung von N-Verlusten aus der Nitratverlagerung oder von Lachgasemissionen zu erfassen. Die Anwendung von Nitrifikationshemmstoffen bringt Biogasbetrieben wirtschaftliche Vorteile. Die Erträge werden signifikant erhöht und Überfahrten werden reduziert, da Düngungsmaßnahmen mit Gärresten zusammengefasst werden können. Durch eine bessere N-Effizienz der Gärreste besteht zudem die Möglichkeit Mineraldünger einzusparen. Der Einsatz von Nitrifikationshemmstoffen reduziert auch mögliche Stickstoffverluste bei der Düngung mit Gärresten. Indirekt lässt sich die Gefahr von temperaturbedingten Ammoniakverlusten durch zeitlich vorgezogene Düngetermine verringern. Durch eine höhere N-Effizienz wird die Gefahr der Nitratverlagerung reduziert. Lachgasemissionen nach der Ausbringung von Gärresten können um mehr als 50 % reduziert und so das Klima geschont werden. Die Forderungen der Politik und der Gesetzgebung für eine nachhaltige Düngung können durch den Einsatz von Nitrifikationshemmstoffen zu Gärresten leichter erfüllt werden. Abstract: N-efficiency in digestate fertilization gains more and more in importance according to a sustainable biogas production. Therefore many trials with nitrification inhibitors for digestate fertilization have been made during the past years. Purposes of these trials were to measure the impact on the crop, the N-utilization and nevertheless the reduction of N-losses as occurring at nitrate displacement and nitrous oxide emission. Economic advantages of nitrification inhibitors are as follows: - significant increase of crops - less crossing the field effort, due to the possibility to unite fertilizer application with digestate - improved N-efficiency provides the possibility to save mineral fertilizer Using nitrification inhibitors reduces possible nitrogen losses during fertilization with digestates. The risk of temperature related ammonia losses caused by temporally moved up fertilization applications is reduced indirectly. A higher N-efficiency additionally reduces the risk of nitrate dislocation. Nitrous oxide emissions which follow 79

2 the application of digestates are cut by over 50 %. This fact prevents our climate from damage. The use of nitrification inhibitors in combination with digestates simplifies the fulfillment of political demands regarding to the legislation of sustainable fertilization. 1 Einleitung Nachhaltigkeit hat sich zunehmend als zentrales Thema in Gesellschaft und Politik etabliert. Zur Bewertung hat die Bundesregierung Nachhaltigkeitsindikatoren mit Zielvorgaben eingeführt. Hinsichtlich Klimaschutz spielt der Indikator Treibhausgasemissionen aus z.b. CO 2 und Lachgas eine entscheidende Rolle. Die Erzeugung erneuerbarer Energien über Biogas kann hier einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der CO 2 -Bilanzen leisten. Die damit verbundene erhöhte Silomaisproduktion als Substrate für Biogasanlagen und die Rückführung der Gärreste bei geringeren Mineraldüngeräquivalenten auf die Fläche kann die Zielerreichung des Indikators Stickstoffüberschuss als Bewertung einer umweltverträglichen Landbewirtschaftung negativ beeinflussen. Vielfach liegen die langfristigen N-Ausnutzungsraten organischer Dünger nur auf der Hälfte der von Mineraldüngemitteln. Ziel muss es daher sein, organische Dünger wie Biogasgärrückstände genauso gezielt wie Mineraldünger einzusetzen. Aufgrund schwankender Nährstoffgehalte und sehr geringer Nährstoffkonzentrationen (ca. 100:1 gegenüber Mineraldünger) sowie damit verbundener hoher logistischen Aufwendungen und Kosten bei Lagerung und Ausbringung ist das kein leichtes Unterfangen. Durch Reduzierung der N-Verluste wie Ammoniak bei der Ausbringung, Nitratverlagerung und N-Verluste aus der Denitrifikation können die N-Effizienz von Biogasgärrückständen erhöht werden. Die Stickstoffkreisläufe in Biogasbetrieben werden geschlossener und es kann entsprechend Mineraldünger eingespart werden. Gärrest injiziert (Schmidthalter, 2011) oder im strip-till Verfahren als Depot unter der Maisreihe (Laurenz, 2012) abgelegt. Die Versuche wurden mit dem Nitrifikationshemmstoff 1H-1,2,4-Triazol/3 Methylpyrazol (Handelsname PIADIN ) durchgeführt. 3 Wirkungsweise von Nitrifikationshemmstoffen Nitrifikationshemmstoffe wirken selektiv und bakteriostatisch im Boden auf die Bakterienart Nitrosomonas, die im ersten Schritt der Nitrifikation Ammonium zu Nitrit umwandeln. Der weitere Schritt von Nitrit zu Nitrat wird nicht beeinflusst. Dadurch wird der mineralisierte Ammonium-Stickstoff in den Gärresten länger in dieser stabilen, nicht auswaschungsgefährdeten, Ammoniumform gehalten und kann als N-Depot nutzbar gemacht werden (siehe Abb. 1). Höhere Stickstoffmengen können ausgebracht, Teilgaben zusammengefasst und Ausbringungszeiträume können erweitert werden. Über die Wirkstoffmenge kann man die Dauer der Nitrifikationshemmung und somit das bedarfsgerechte N-Angebot steuern. Da die Pflanze Ammonium wie Nitrat aufnehmen kann kommt es zu einer ammoniumbetonten Ernährung. Durch die Nitrifikationshemmung sind die Nitratgehalte im Boden geringer. Vom Nitrat ausgehende Verlustquellen wie Nitratverlagerung oder Verluste aus der Denitrifikation z.b. Lachgas werden dadurch wirkungsvoll reduziert. Nitrifikationshemmstoffe werden nach dem Düngemittelrecht zugelassen. Sie haben somit keine negativen Auswirkungen auf Mensch, Tier und Boden. Prinzip Auswirkungen der der N-Stabilisierung Nitrifikationshemmung Nitrifikationshemmstoffe können das Risiko von N-Verlusten erheblich verringern. Durch eine gezielte Hemmung der Nitrifikation vom Zeitraum der Düngerausbringung bis zur Hauptstickstoffaufnahme der Pflanze wird eine bedarfsgerechte Stickstoffernährung bei variableren Düngeterminen erreicht und die N-Effizienz bei Einsparung von Düngergaben erhöht. 2 Material und Methoden Im Versuchszeitraum 2003 bis 2010 wurden 16 Feldversuche in Wintergetreide, 11 in Körner- und 13 in Silomais durchgeführt. Die Anlage der Parzellenversuche erfolgte jeweils als randomisierte Blockanlage mit 4 Wiederholungen an verschiedenen Standorten. Die N-Mengen orientierten sich am Pflanzenbedarf und entsprachen im Mittel 120 bis 180 kg/ha N im Anwendungsjahr anrechenbarer Stickstoff. Im Getreide wurde mit Schleppschlauch gearbeitet. Zu Mais wurde der Gärrest sofort eingearbeitet. Die Ausbringung des Nitrifikationshemmstoffs erfolgte mittels Parzellenspritze unmittelbar vor der Gülleapplikation. In Auftragsversuchen zu Mais wurde der Nitrifikationshemmstoff auch direkt mit dem Abb. 1: Wirkungsweise eines Nitrifikationshemmstoffes 80 81

3 4 Auswirkungen von Nitrifikationshemmstoffen 4.1 bedarfsgerechtes N-Angebot Um eine hohe N-Effi zienz zu erreichen, muss der Stickstoff in konventionellen Düngungssystemen der Pfl anze in Teilgaben angeboten werden. Mit Hilfe der Nitrifi kationshemmung kann man Teilgaben zusammenfassen und höhere Stickstoffmengen als Vorrat im Boden applizieren. Die N-Versorgung der Pfl anzen aus diesem Bodenvorrat wird über den Nitrifi kationshemmstoff bedarfsgerecht gesteuert. Die Düngetermine lassen sich, wenn es arbeitswirtschaftliche Gründe fordern, ohne Wirkungsverlust vorverlegen. Die N-Wirkung von Gärrückständen wird im Rahmen des Klimawandels mit zunehmender Vorsommertrockenheit zudem sicherer. Besonders in Kulturen mit einer spät einsetzenden N-Aufnahme wie Mais, kann mit einem Nitrifi kationshemmstoff das Stickstoffangebot aus dem Gärrest mit dem N-Bedarf gut in Einklang gebracht werden. Anhand von N min -Untersuchungen ist diese bedarfsgerechte Stickstoffumsetzung im Boden gut darstellbar Nmin (kg/ha N) 0-60 cm Bodentiefe, 35 Tage nach Gülledüngung N03-N (kg/ha ) NH4-N (kg/ha) Q Nitrifi kationshemmstoff eine vorzeitige Nitratverlagerung (unter 60 cm Bodentiefe) verhindert wurde. Mit PIADIN kann also dem Mais der Stickstoff aus Gärrest bedarfsgerecht zur Hauptaufnahmezeit optimal im Wurzelbereich im Oberboden zur Verfügung gestellt werden. 4.2 ammoniumbetonte Ernährung Nitrifi kationshemmstoffe bedingen eine längere Ammoniumphase im Boden und damit eine vom Pfl anzenwachstum selbst gesteuerte ammoniumbetonte Ernährung. Die Gefahr eines Luxuskonsums ist selbst bei hohen Gärrestmengen gering. Wie Untersuchungen von Römheld (1986) zeigen, wird durch eine ammoniumbetonte Ernährung das Wurzelwachstum gefördert und der ph-wert in der Rhizosphäre erniedrigt. Eine erhöhte Phosphat und Spurenelementaufnahme ist die Folge (Tab. 1). In aktuellen Feldversuchen der Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen aus dem Jahre 2011 konnten die bessere Wurzelentwicklung sowie ein schnelleres Jugendwachstum durch eine bessere Nährstoffaufnahme bei Einsatz von PIADIN nachgewiesen werden (Laurenz, 2012). Ein um 10 % höherer Ertrag wurde erzielt. N-Form ph-wert Nährstoffaufnahme weiter von Rhizo- (µg/m Wurzellänge) Wurzel sphäre P Fe Mn Zn Cu K Nitrat 6,6 6, ,4 903 Ammonium 5,7 5, Ammonium + NI 6,6 4, , Quelle: Thomson et al. (1993); J. Plant Nutr. 16, Tab. 1: Nitrifi kationshemmstoffe (NI) erniedrigen den ph-wert und verbessern die Aufnahme von Phosphat und Spurenelementen 0 ohne Gülle Gülle Schleppschlauch Gülle injiziert Gülle injiziert + PIADIN 4.3 höhere Erträge und N-Entzüge 35 m³ Biogasgülle (120 NH4-N) ohne und mit 5 l/ha PIADIN Quelle: Schmidhalter, 2011 Abb 2: Umsetzung des Ammoniumstickstoffs aus Gärrückstand Wie Abb. 2 zeigt, wird der Ammoniumstickstoff aus Biogasgülle ohne den Nitrifi kationshemmstoff (PIADIN) schnell zu Nitrat-N umgewandelt. Bei der Variante mit PIADIN-Zusatz liegt selbst nach 35 Tagen der Großteil des Stickstoffes in der stabilen, nicht verlagerungsgefährdeten, Ammoniumform vor. Die geringeren Nitratgehalte bei Gülle Schleppschlauch gegenüber Gülle injiziert weisen auf erhöhte Ammoniakverluste (ca. 20 kg/ha N) der Schleppschlauchvariante hin. Mit PIADIN ist die Summe aus Nitrat- und Ammoniumstickstoff gegenüber der Vergleichsvariante (Gülle injiziert) deutlich höher. Ein Beweis, dass durch den Durch die Anwendung des Nitrifi kationshemmstoff konnte gegenüber herkömmlicher Gülle- bzw. Gärrestausbringung sowohl der Ertrag als auch der N-Entzug im Mittel der Versuche signifi kant erhöht und die N-Effi zienz deutlich verbessert werden (Abb. 3). Bei Mais ist dies deutlicher ausgeprägt als bei Wintergetreide. Dies beruht vor allem auf der langsamen Jugendentwicklung und späteren N-Aufnahme von Mais. Hieraus resultiert eine längere Zeitspanne zwischen Gärrestdüngung und dem Haupt-N-Entzug des Maises, der ein höheres Verlustpotenzial zur Folge hat. Bei Mais wurde der Gärrest sofort eingearbeitet, während bei der Schleppschlauchausbringung bei Getreide Ammoniakverluste nicht völlig ausgeschlossen werden können. So stand dem Nitrifi kationshemmstoff mehr zu stabilisierender Ammoniumstickstoff zur Verfügung. Diese Ergebnisse werden z.b. durch Versuche der TU München Weihenstephan zu Mais (Schmidhalter, 2011) bestätigt

4 Einfluss eines Nitrifikationhemmstoffs auf Ertrag und N-Entzug Mittelwerte: 9 Jahre ( ) träge je nach Bodenart zwischen 35 % und 51 %. Nach langjährigen Dränwasseruntersuchungen wie Saugkerzenversuchen auf einem leichteren Standort im statischen Dauerversuch konnte mit stabilisierten N-Düngern der Nitrataustrag nahezu auf das Niveau der Variante ohne Stickstoff verringert werden. 4.5 Verringerung von Lachgasemissionen Quelle: LAF Cunnersdorf Abb. 3: bessere N-Effizienz durch Nitrifikationshemmstoff 4.4 Reduzierung von N-Verlusten Das Verlustpotenzial im Zeitraum von der Düngerausbringung bis zur Pflanzenaufnahme bestimmt wesentlich die N-Effizienz. Bei sehr früher Ausbringung (ausgangs Winter/zeitiges Frühjahr) von Biogasgärrückständen herrschen in der Regel hohe Bodenfeuchten bei gleichzeitig geringem bzw. fehlendem N-Aufnahmevermögen der Pflanzen. Unter diesen Bedingungen überwiegen bei der Applikation von Gärrückständen die Verluste in Folge der Nitrifikation durch Nitratverlagerung und Denitrifkation (unter anderem Lachgas). Bei den späteren Ausbringterminen dominieren aufgrund der höheren Temperaturen die Ammoniakemissionen. Untersuchungen von Maidl (1999) weisen nach, dass die Einarbeitung der Gülle in den Boden vor der Saat im Vergleich zur Düngung ohne Einarbeitung im 6 Blattstadium des Maises das Mineraldüngeräquivalent deutlich verbessert. Dies ist durch die weitgehende Verminderung von Ammoniakverlusten bedingt. Das Mineraldüngeräquivalent eines vor der Saat injizierten Gärrückstandes kann nach Versuchen von Schmidthalter (2011) durch Zusatz eines Nitrifikationshemmstoffes weiter verbessert werden. Dies sind indirekte Beweise, dass temperaturbedingte Ammoniakverluste durch vorgezogene Ausbringtermine in die kühlere Jahreszeit bei Anwendung eines Nitrifikationshemmstoffes deutlich verringert werden können. Schon Versuche von Kuntze (1981) weisen anhand von Dränwasseruntersuchungen nach, dass der Nitrataustrag nach Gülle unter Maismonokultur durch einen Nitrifikationshemmstoff um 20 % reduziert werden kann. Versuche in Lysimetern mit Nitrifikationshemmstoffen zu Mineraldüngern zeigen geringere Nitrataus- Emissionen von Lachgas nach der Ausbringung von Gärrückständen können aus der Nitrifikation des Ammoniumstickstoffes, unter praktischen Bedingungen aber hauptsächlich aus der Denitrifikation des Nitrates entstehen. So ist verständlich, wie eine Metaanalyse von Akijama zeigt, dass Nitrifikationshemmstoffe die besonders klimarelevanten Lachgasemissionen um über 50 % reduzieren können. In einem Modellversuch der TU München Weihenstephan wurde bei Gärrestanwendung eine Verringerung von 75 % ermittelt (Abb. 4). Neuere Untersuchungen von Flessa (2012) bestätigen die Ergebnisse. Langzeitmessungen von Ruser (2011) mit stabilisierten Mineraldüngern über 2 Jahre im Gemüsebau zeigen zudem, dass die direkten Lachgasemissionen nach der Düngung und auch die Lachgasemissionen aus dem Boden während des Winters durch Nitrifikationshemmstoffe deutlich reduziert werden. Lachgasemissionen (kg/ha) 5 Fazit Einsatz eines Nitrifikationshemmstoffes (NI) zu Gärresten in einem Versuch in Großbehältern TU München, LPE Weihenstephan (2009) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,9 eingeschlitzt ohne NI - 75 % 0,22 eingeschlitzt mit NI Abb. 4: Emissionen klimarelevanter Lachgasemissionen Nitrifikationshemmstoffe sind einen wichtiger Baustein für eine nachhaltige Düngestrategie mit Gärrückständen. Die Ökonomie in Biogasbetrieben wird durch höhere Erträge bei Mais und Getreide als Ganzpflanzensilage sowie 84 85

5 durch arbeitswirtschaftliche Vorteile durch Zusammenfassung von Gärrestgaben erhöht. Die Gärrestdüngung kann zudem variabler erfolgen und ist witterungsunabhängiger in der Wirkung. Eine bessere N-Effizienz wird durch eine ammoniumbetonte Ernährung sowie durch eine Verringerung von N-Verlusten erreicht. Ein sehr hohes Potenzial besitzen Nitrifikationshemmstoffe hinsichtlich ihrer Klimarelevanz. Direkte Lachgasemissionen nach der Düngung mit Gärrückständen lassen sich wirkungsvoll um über 50 % reduzieren. Die N-Effizienz und Umweltverträglichkeit von Gärresten kann so durch die Anwendung von Nitrifikationshemmstoffen wesentlich verbessert werden. Literatur/Quellen Flessa, H.; (2012): Lachgasemissionen aus der Landwirtschaft in Deutschland und deren Minderungsmöglichkeiten, Vortrag Lutherstadt Wittenberg 2. März 2012 Kuntze, H.; (1981): Möglichkeiten zur Minderung des Stickstoffaustrags in die Gewässer, Bayer. Landw. JB. 58, Laurenz, L.; (2012): Gülledepot unter Mais im Praxistest, top agrar Maidl, F.; (1999): Untersuchungen zur besseren Gülleverwertung im Maisanbau, Pflanzenbauwissenschaften, 3(1) 9-16 Römheld, V.; (1986): ph-veränderungen in der Rhizosphäre verschiedener Kulturpflanzen in Abhängigkeit vom Nährstoffangebot, Kali-Briefe 18 (1), S Ruser, R.; (2012): Möglichkeiten zur Minderung der N2O-Freisetzung aus einem gemüsebaulich genutzten Boden, VdLUFA-Schriftenreihe 67, Schmidthalter, U.; (2011): Gülle und Gärrestdüngung zu Mais, MAIS , Kontakt Dr. Klaus Brenner, SKW Stickstoffwerke Piesteritz GmbH +49 (0) klaus.brenner@skwp.de