Spurengasmissionen (N 2 O, NH 3 ) und Ertragsentwicklung nach Gärrestapplikation auf einem Marschstandort Norddeutschlands

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1 Spurengasmissionen (N 2 O, NH 3 ) und Ertragsentwicklung nach Gärrestapplikation auf einem Marschstandort Norddeutschlands Andreas Pacholski *, Anna Techow #, Robert Quakernack *, Antje Hermann #, Friedhelm Taube # und Henning Kage * Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, * Abteilung Acker- und Pflanzenbau, # Abteilung Grünland und Futterbau/ökol. Landbau Christian-Albrechts-Universität

2 Warum Marsch? bisher wenig untersuchter Agrarlandschaftsraum besondere Boden- und Witterungsverhältnisse Ausdehnung von Biogasproduktionssystemen in die Marschgebiete Grenzstandort für Mais spezifische Effekte der Nutzung von Biogasgärresten auf Erträge und Spurengasflüsse in der Marsch? (See)Marschen (UBA 26)

3 Hypothesen 1. Erträge: kühle Witterung + kalte Böden: geringes Ertragspotenzial Mais Gras und GPS Getreide konkurrenzfähig 2. NH 3 : hohe Windgeschwindigkeiten + langsame Infiltration + hoher Boden-pH: hohe Emissionen 3. N 2 O: a. geringe Frosthäufigkeit im Winter + hydromorphe Böden: geringe Emissionen b. höhere DOC-Verfügbarkeit: spezifisch höhere N 2 O-Emissionen bei Biogasgärresten

4 Versuchsstandort Waygaarddeich, Nordfriesland Parameter Wert Boden Kalkmarsch (Ap,Go,Gro) ph (A p ) >7 Textur T 4 %, U 55 %, S 5 % C org Ah ca. 6.5% darunter ca. 5% Vorbewirtschaftung Pfluglose Bodenbearbeitung, > 2 a Gülleausbringung Grünland + 1 Versuchsjahr Witterung Jahresmitteltemperatur 8.2 C Jahresniederschlag 842 mm Windgeschwindigkeit (2 m) 4 m s -1 Profil Versuchsstandort GW-Flur-Abstand ~ 1m PWP 2% vol. WasGeh. nfk 15% vol. Was.Geh.

5 Versuchsanlage Anfang 29 Anfang 211 jede Behandlung n = 4 Fruchtfolgen N Dünger oackergras (4 Schnitte) o Maismonokultur o Mais-Winterweizen-Welsches Weidelgras (1 Schnitt) okas obiogasgärrest (Nges, Schleppschlauch): Koferm. Schweinegülle + Getreide-/Gras-GPS ph ~7.8 NH 4+ -N 68% N ges 5 kg m -3 N Stufen odt. Weidelgras:, 36, 48 kg N ha -1 owinterweizen:, 22, 3 kg N ha -1 omais:, 15, 2 kg N ha -1

6 o Biomasse (TM) Messungen o NH 3 -Emissionen (nur Gärrestvarianten, alle Termine): a. Kombination von Passivsammlern (semiquantitative Messung) mit kalibrierter dynamischer Kammermethode (Absolutwerte, Drägermethode) b. mikrometeorologisches Verfahren als Referenz

7 NH 3 : Messaufbau bei Parzellenmessungen Expositionsdauer 3 6 Stunden Messdauer 1 5 min Rand -streifen Ernte -streifen Probenahme -streifen Rand -streifen 3 m (Gericke et al, Biosys Eng., 211)

8 Messungen o N 2 O: closed chamber Methode - nach Düngung: 1 Tage täglich, sonst wöchentlich - nur Kontrolle und hohe N-Stufe - Emissionsfaktor: EF (% Dünger N) = N O 2 [kg N ha -1 ] N Dünger - N O ged 2 Kon. [kg N ha -1 ] [kg N ha -1 ] Einführung Methoden Ergebnisse Zusammenfassung

9 Witterung in den Versuchsjahren Temperatur [ C] Temperatur Niederschlag Globastrahlung J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O Niederschlag [mm] / Globalstrahlung [W m -2 ]

10 Erträge der Kulturen in Abhängigkeit von der Düngeform (moderate N-Stufe) Ertrag Trockenmasse [t ha -1 ] ab a c Gras (4 Schn.) Mais Monok. Mais Fruchtf. Sommerweizen b b a a b ab a a b c a a b aba ab b 29 Gras (4 Schn.) Mais Monok. 21 Mais Fruchtf. a Winterweizen a ab a a ab a ab a a a a ab a a a ab b b a a a b b c a ab b N mod hoch N mod hoch N mod hoch N mod hoch Gärrest KAS Gärrest KAS Quakernack et al.,aee 211

11 Erträge Fruchtfolgen (29-21, moderate N-Stufe) 4 Mais M Mais FF Weidelgras M Weidelgras FF Sommerweizen Winterweizen a Trockenmasseertrag [t ha -1 2 a -1 ] bc ab e bc d c bc BG KAS BG KAS BG KAS BG KAS Dünger/Erntejahr Quakernack et al., AEE, 211

12 NH 3 -Emissionen 15 kumulierter NH 3 - Verlust [kg N ha -1 ] kg N ha -1 Gras kg N ha -1 Weizen kalibrierte Passivsammler mikromet. bls Relativer NH 3 -Verlust [% ged. NH 4 -N] kg N ha -1 Gras Zeit nach Ausbringung [h] Quakernack et al., AEE, 211

13 Kumulierte NH 3 -Verluste (moderate N-Stufe) Kumulierte NH 3 -Verluste [kg N ha -1 2 a -1 ] Mais M - Weidelgras M Mais - FF Mais/Weizen/Weidelgras Weidelgras M - FF Mais/Weizen/Weidelgras Mais 15 kg N 4. N-Gabe 3. N-Gabe 2. N-Gabe 1. N-Gabe 4. N-Gabe 3. N-Gabe 2. N-Gabe 1. N-Gabe Weidelgras 32 kg N p adj. <.1 < FF Mais/Weizen/Weidelgras 28 kg N Relativer NH 4+ -N-Verlust ~15% Nutzungssystem Quakernack et al., AEE, 211

14 N 2 O-Emissionen 29 ( ) k 2 O-Emissionen [kg N ha-1 ] Mittel 29 kg N 2 kg N SW+Weidelgras Mais Weidelgras 48 kg N b b a Biogasgärrest 5 KAS Kontrolle 6 Emissionsfaktor [% ausgebr. N] KAS Gärrest.3.1.4

15 N 2 O-Emissionen 21 ( ) 2 O-Emissionen [kg N ha-1 ] Mittel 27 kg N 2 kg N WW+Weidelgras Mais Weidelgras 48 kg N a 1 2 b b 3 4 Biogasgärrest 5 KAS Kontrolle 6 Emissionsfaktor [% ausgebr. N] KAS Gärrest.9.5.3

16 Injektionsversuch Parzellenversuch Biogas-Expert N Dünger Ausbringungstechnik N Stufen (kg N ha -1 ) Injektionsversuch Mai Oktober 211 Ackergras (4 Schnitte, n = 4) In Zusammenarbeit mit Dr. Tavs Nyord, Universität Aarhus Quelle: google-maps okas obiogasgärrest (Nges): Koferm. Schweinegülle + Getreide-/Gras-GPS ph ~7.8 NH 4+ -N 65% N ges 5 kg m -3 o KAS: Streuer, Injektion + Streuer, KAS-Lösung injiziert, ogärrest: Schleppschlauch, injiziert o o12 (2. Schn.), 7 (3. Schn.), 7 (4. Schn)

17 NH 3 -Verluste N-Düngung zum 2. Schnitt ( ; 12 kg N ha -1, trockener Boden) NH 3 Verlust [kg N ha -1 ] KAS-Lösung inj Gärrest inj. Gärrest Schleppschauch Inj. + KAS KAS mm 3 mm Injiziert Schleppschlauch

18 NH 3 -Verluste N-Düngung zum 3. Schnitt ( ; 7 kg N ha -1, trockener Boden) NH 3 Verlust [kg N ha -1 ] KAS Inj + KAS Gärrest Schleppschlauch Gärrest inj. KAS-Lösung inj. 12 mm Zeit nach Applikation [h]

19 NH 3 -Verluste N-Düngung zum 4. Schnitt ( ; 7 kg N ha -1, feuchter Boden) NH 3 Verlust [kg N ha -1 ] mm 4 6 KAS-Lösung inj. Gärrest inj. Gärrest Schleppschlauch Inj + KAS KAS

20 Graserträge 2. und 3. Schnitt Schnitt 3. Schnitt Ertrag TM [dt ha -1 ] Kontrolle Inj+KAS KAS KAS inj GR inj GR Schlepps.

21 Zusammenfassung 1. Erträge der Fruchtfolge und Ackergras in der Marsch mit Mais konkurrenzfähig bei mineralischer Düngung (Hypothese 1 ) 2. Minderertrag bei Gärrestdüngung: Gras>>Weizen>Mais (kein Effekt) 3. a. absolute NH 3 -Verluste: Gras>>Weizen>Mais (Hypothese 2 ) b. relative NH 3 -Verluste ähnlich (ca. 15%) Ertragseffekte unklar 4. Injektion Marschboden: a. bei trockenem Boden nur geringe Reduktion der NH 3 -Emissionen b. keine Ertragseffekte im Vergleich zu Schleppschlauch 5. a. trotz hoher Nitrat-Verfügbarkeit: sehr geringe N 2 O-Emissionen ( ), b. keine Unterschiede zwischen Kulturen und N-Düngeform ( )

22 Dank an alle Mitarbeiter und an das Biogas-Expert -Team und für Ihre Aufmerksamkeit! Ministry of Science, Economics and Traffic Federal State of Schleswig-Holstein Regional Program 2

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24 Zusammenfassung 1. Erträge: kühle Witterung + kalte Böden: geringes Ertragspotenzial Mais Gras und GPS Getreide konkurrenzfähig, bei Gras nur unter mineralischer Düngung 2. NH 3 : hohe Windgeschwindigkeiten + langsame Infiltration + hoher Boden ph: hohe Emissionen 3. N 2 O: a. geringe Frosthäufigkeit im Winter + hydromorphe Böden: geringe Emissionen b. höhere DOC-Verfügbarkeit: spezifisch höhere N 2 O-Emissionen bei Biogasgärresten

25 Gliederung 1. Einleitung: warum Marsch? 2. Hypothesen und experimentelles Design 3. Messmethoden 4. Ergebnisse: - Erträge - NH 3 -Verflüchtigung - N min -Dynamik - N 2 O-Emissionen 5. Zusammenfassung

26 Graserträge 2. und 3. Schnitt Ertrag TM [dt ha -1 ] GR inj GR Schlepps. KAS inj KAS Kontrolle Inj+KAS Schnitt 3. Schnitt 8 1

27 Beispiel:N 2 O-Emissionen Marsch Jungkunst et al. 26 a. Bisher noch keine publizierten Messungen aus der Marsch in Deutschland

28 Beispiel:N 2 O-Emissionen Marsch Jungkunst et al. 26 hw = humic (>6 mm) and warm (<1 Frosttage) dw = dry (>6 mm) and warm (<1 Frosttage) hf = humic (>6 mm) and frosty (>1 Frosttage)

29 96 m KAS 2 Biogasgärrest 12 m 3 Kontrolle m < Block ><---- Block 2,3,4 ----> Versuchsplan 48 m 1 m ungedüngte Fläche 48 m NH -Referenzmessung 3 ungedüngte Fläche

30 Verlauf der N 2 O-Emissionen Gras Kontrolle Biogasgärrest KAS.2.1 N2O-N Fluss [kg ha -1 d -1 ] day Wheat Weizen Datum (29) = Düngung

31 Verlauf der N 2 O-Emissionen 29 N2O-N Fluss [kg ha -1 d -1 ] Vol. Wassergehalt [%] Grass (KAS) (CAN) Volum. Maize Mais (KAS) (CAN) water content Wheat (%) (CAN) (KAS) Mais Kontrolle Biogasgärrest KAS Datum (29) = Düngung

32 KTBL-Tagung Emissionen landwirtschaftlicher Böden Kloster Banz, Christian-Albrechts-Universität Referenzmethode: Mikrometeorologisches Massenbilanzverfahren Z [m] Z [m] Messung in Repräsentativer Höhe C b [µg m -3 ] C g [µg m -3 ] Messmast Mikromet. Methode Wind NH 3 X [m] Gedüngte Fläche

33 Berechnung der NH 3 -Emission mit Windtrax * * Thunder Beach Scientific

34 EF (% Dünger N) = N O 2 [kg N ha -1 ] N Dünger N O ged 2 Kon. - [kg N ha -1 ] [kg N ha -1 ]

35 Methanertrag von Dt. Weidelgras (moderater N Versorgung, 2,,4 Schnitte) 18 Methan Ertrag yield (m³/ha) [m³ -1 ] b a a Schnitt 2. Schnitt 3. Schnitt N-Düngung: 36 kg N/ha Batch (2 liter) unsiliert, getrocknet, fermentation 3 Tage bei 38 C I S.E.M. KAS Biogasgärrest Signifikante Haupteffekte von Schnitt und N-Typ Unterschiede zwischen N-Typen Ertragseffekte

36 N min -Werte Mais Monokultur (15 kg N ha -1 a -1 ) N min [kg N ha -1 ] cv KAS BG 47% 49% cm 3-6 cm -3 cm BG KAS Nitrat-Anteil: 9-95% Düngung 1

37 N min -Werte Ackergras (4-Schnitte, 32 kg N ha -1 a -1 ) 5 N min [kg N ha -1 ] cm 3-6 cm -3 cm BG KAS Nitrat-Anteil: 9-95% 2 3 Düngung cv 1 KAS BG 44% 57%