Großer Gärrestversuch Düngewirkung unterschiedlicher Gärrest-N-Mengen

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1 Ergebniszusammenfassung Inhaltstoffe und Eigenschaften von Gärresten Mehr Informationen unter: Großer Gärrestversuch Düngewirkung unterschiedlicher Gärrest-N-Mengen Hintergrund Während der Fermentation in Biogasanlagen werden leicht abbaubare Kohlenstoffverbindungen der Inputsubstrate abgebaut und zu Methan und Biogas umgewandelt. Somit bleiben überwiegend schwerer abbaubare C-Verbindungen sowie ein Großteil der übrigen Nährstoffe im Gärrest oder Gärprodukt enthalten. Diese werden als nährstoffreiche organische Dünger eingesetzt um Nährstoffkreisläufe zu schließen und den Humusgehalt im Boden zu erhalten. Aufgrund ihrer Abhängigkeit von Inputsubstraten, deren Mischung und der Prozessführung können Nährstoffgehalte und Eigenschaften der Gärreste stark variieren. Da für diese organischen Dünger keine Standardwerte vorliegen, besteht die Schwierigkeit anvisierte Nährstoffmengen tatsächlich auszubringen und den Bedarf der angebauten Kulturen zu decken. Um Aussagen über die pflanzenbauliche Verwertung treffen zu können, wurden unterschiedlich hohe Stickstoffgaben mittels Gärrestdüngung zu Mais und alternativen Kulturen getestet. Ziel dabei war die Ertragsmaximierung bei gleichzeitiger Minimierung von Emissionen und Nährstoffverlusten. Standorte Der Große Gärrestversuch (GrGV) wurde seit 29 jährlich in 5 typischen Ackerbauregionen Deutschlands angelegt (Abbildung 1). Der nördlichste Standort Gülzow (Mecklenburg-Vorpommern) repräsentiert in dem EVA-Verbundprojekt die Weizen-Raps-Region, während Werlte (Niedersachsen) im Landkreis Emsland zur Futterbau-Veredelungs-Region zählt. Am Rande des Thüringer Beckens steht Dornburg (Thüringen) für die E-Weizen-Region ostdeutscher Lössböden. Als wärmster Standort gehört Ettlingen (Baden Württemberg) zur Körnermais-Sonnenblumen- Region, während Ascha als kältester Standort für die Anbaugebiete der Höhenlagen Südost steht.

2 Schleswig-Holstein Mecklenburg-Vorpommern Hamburg Ø-Temperatur: 9. C Jahresnieders.: 768 mm Humoser Sand (AZ = 4) Gülzow (LFA) Bremen Werlte Ø-Temperatur: 8.5 C Jahresnieders.: 559 mm Lehmiger Sand (AZ = 51) Niedersachsen Berlin (LWK NS) Brandenburg Sachsen-Anhalt Nordrhein-Westfalen Sachsen Thüringen Hessen Dornburg (TLL) Ø-Temperatur: 8.8 C Jahresnieders.: 596 mm Toniger Schluff (AZ = 65) Rheinland-Pfalz Saarland Bayern Ø-Temperatur: 1.1 C Jahresnieders.: 75 mm Lösslehm (AZ = 8) Ettlingen (LTZ) Baden-Württemberg Ascha (TFZ) Ø-Temperatur: 7.5 C Jahresnieders.: 87 mm Lehmiger Sand (AZ = 47) 1 km Abbildung 1: Übersicht der beteiligten Standorte im Großen Gärrestversuch mit einigen Kenndaten, Standorte mit blauen Symbolen stellen Mess-Standorte des in 211 gestarteten Klimagas-Verbundprojekts dar Versuchsdurchführung Im GrGV wird die pflanzenbauliche Verwertung von Gärresten verschiedener N-Stufen durch Mais sowie einer regionalen Alternative (Weidelgras in Ascha und Werlte; W.Triticale in Dornburg und Gülzow; Sorghum bicolor in Ettlingen) geprüft. Die Düngung besteht aus 4 Stickstoffvarianten in beiden Kulturen an allen Standorten (1 % N mineralisch, rest-n, rest-n, rest-n) und aus 3 weiteren ( % Düngung, 5 % Gärrest-N, 2 % Gärrest-N) bei Mais an den Messstandorten Dornburg, Gülzow und Ascha (Tabelle 1). Nicht in der Übersicht aufgeführt ist eine weitere Düngevariante in Thüringen, die zur Zweitkultur Wintertriticale durchgeführt wird und eine Aufteilung der benötigten Gärrest-N-Menge in eine Herbst- und eine Frühjahrsgabe beinhaltet (rest-n_th). Ebenfalls nicht aufgeführt in der Tabelle ist eine zusätzliche Düngevariante bei Mais im Jahr 211, die analog zum Kleinen Gärrestversuch aus einer gemischten Düngung mit 5 % mineralischem und 5 % Gärrest-N bestand. Zudem erfolgte in Dornburg eine Aussaat von mineralisch gedüngtem Winterweizen auf den Flächen des GrGV jeweils nach Ernte von Mais und Wintertriticale. Um die standortüblichen Düngegaben zu erhalten (N-Soll, eralisch) wurden Nmin-Gehalte in 9 cm Bodentiefe und Ertragserwartungen berücksichtigt. Organisch zu düngende Mengen wurden anhand einer Vorabanalyse der Gärreste sowie Unterstellung eines MDÄs von 7 % berechnet, ohne Anrechnung von Ausbringverlusten. Die Gärrestausbringung erfolgte über Schleppschläuche mit unverzüglich folgender Einarbeitung. Nur in Gülzow kam Injektion für

3 Gärrestdüngung vor Mais und Sorghum zum Einsatz. Pflegemaßnahmen wurden jeweils standortangepasst und mit vorhandener Technik durchgeführt. Tabelle 1: Übersicht über die Kulturen und Düngevarianten im Großen Gärrestversuch Großer Gärrestversuch (GrGV) 1. Kultur: Mais 2. Kultur: Weidelgras (Ascha, Werlte) W.Triticale (Dornburg, Gülzow) Sorghum bicolor (Ettlingen) Düngevarianten aller Standorte er. N er. N rest-n rest-n rest-n rest-n rest-n rest-n Zusätzliche Düngevarianten bei Mais an den Messstandorten Ascha, Dornburg und Gülzow % N-Düngung 5 % Gärrest-N 2 % Gärrest-N Ertragsergebnisse Über alle Jahre hinweg lieferten die organischen Varianten, mit Ausnahme der 5 % Gärrest-N, vergleichbare Erträge zur mineralisch gedüngten Variante. Während bei Weidelgras und Wintertriticale im Durchschnitt die 1 % und rest-n Varianten überzeugten, war dies bei Mais und Sorghum bicolor auch schon bei der rest-n Variante der Fall (Abbildung 2). So können nicht nur mineralische Dünger eingespart, sondern auch Humusbilanzen durch die Zugabe des organischen Materials positiv beeinflusst werden. Eine generelle Reduzierung der N-Gabe bei Mais und Sorghum wäre darüber hinaus aus Wasserschutzsicht zu begrüßen, um Risiken der Nitratauswaschung über Winter zu verringern.

4 Trockenmasse-Ertrag (29-211) 4 dt/ha Mais Weidelgras W.Triticale Sorghum bicolor Minimum / Maximum ohne # 5 % Gär # 2 % Gär # $ B. Formowitz alle Standorte BY + NS TH + MV BW # nur in BY, TH, MV (Klimagas-Messungen) $ Teilgabe Gärrest im Herbst nur in TH Abbildung 2: Über alle Standorte und 3 Jahre gemittelte Trockenmasse-Erträge von Mais, Weidelgras, Wintertriticale und Sorghum bicolor je Düngevariante sowie die jeweiligen Minimal- und Maximalerträge Die Unterschiede der minimalen und maximalen Erträge sind vor allem den Standortunterschieden und ihren jeweiligen Ertragsniveaus zuzuschreiben. Hinzu kommen witterungsbedingte Jahreseffekte, die sich teils gravierend auf die Erträge und Mineralisationsraten auswirkten. So wurden beispielsweise 21 im Durchschnitt 6 bis 23 dt TM/ha weniger Mais geerntet als im Vorjahr (29) und sogar 4 bis 6 dt TM/ha weniger im Vergleich zum Folgejahr 211. Während Weidelgras und Wintertriticale in guten Maisjahren wie 211 nicht an die Maiserträge heranreichten, konnte Sorghum in Ettlingen in allen drei Jahren mit vergleichbaren Erträgen zu Mais und nur etwas niedrigere TS-Gehalten aufwarten. Somit stellt vor allem Sorghum in Ettlingen eine gute Alternative zu Mais dar, besonders wenn durch weitere Züchtungserfolge die zur Silierung optimalen Trockensubstanzgehalte von 28 bis 35 % erreicht werden. Eine Teilung der organischen Düngemenge auf mehrere Applikationsraten ermöglicht eine bessere Anpassung der Düngung an den jeweiligen Nährstoffbedarf der Pflanze zu unterschiedlichen Jahreszeiten und Witterungsbedingungen, wie es beispielsweise bei Ackerfutter und Grünland, aber auch bei Getreide der Fall ist. Darüber hinaus kann der höhere Ammoniumanteil am Gesamtstickstoff direkt von den Pflanzen genutzt werden, ein Argument für eine spätere Applikation in den Bestand. Allerdings müssen die ökologischen und ertragssteigernden Vorteile einer geteilten Düngung den zusätzlich anfallenden Arbeitszeiten und kosten gegenüber gestellt und beurteilt werden. In Dornburg zeigte der mineralisch gedüngte Winterweizen nach den beiden Hauptkulturen im Großen Gärrestversuch eher geringe Auswirkungen der Düngevarianten zu Mais und Wintertriticale (Abbildung 3). Leicht erhöhte Korn- und Stroherträge sind bei Weizen nach mineralisch gedüngtem

5 Mais, sowie den Gärrestvarianten 75 %, 125 % und 2 % Gärrest-N festzustellen, welche ebenfalls höhere N min -Gehalte nach Ernte aufwiesen. Dies könnte für eine gute Verwertung des überschüssigen Stickstoffs durch den nachfolgenden Weizen sprechen, die zu einer besseren Biomasseproduktion bzw. Etablierung vor Winter und einem Vorsprung im Frühjahr geführt haben könnte. Bei Winterweizen nach Wintertriticale sind die Düngeeffekte der vorangegangenen organischen Düngung noch geringer als nach Mais. Dies könnte an den weitaus geringeren N min - Gehalten nach Ernte der Wintertriticale liegen. Auch beim Rohproteingehalt zeigten sich keinerlei Effekte der Düngevarianten der vorangegangenen Kulturen. Da in den ersten Jahren organischer Düngung noch kein Langzeiteffekt auftritt, spielen die 2 3 % Stickstoffnachlieferung aus der organischen Fracht nur eine untergeordnete Rolle. Sichtbare Effekte dürften erst nach ca. 5 oder mehr Jahren einer kontinuierlichen Gärrestdüngung zu erwarten sein. 18 dt/ha Korn Stroh Rohprotein 45 % TM Trockenmasse-Ertrag Rohprotein-Gehalt 2 5 n. min n. % Gär n. 5 % Gär n. n. n. n. 2 % Gär n. min n. n. n. n. $ B.Formowitz W.Weizen nach Mais W.Weizen nach W.Triticale $ Teilgabe Gärrest im Herbst Abbildung 3: Korn- und Stroherträge sowie Rohproteingehalte gemittelt über 2 Jahre (21 u. 211) von mineralisch gedüngtem Winterweizen angebaut auf den Flächen des Großen Gärrestversuchs nach Mais und W.Triticale am Standort Dornburg Trockensubstanzgehalte der einzelnen Kulturen Wie im Kleinen Gärrestversuch wurden die TS-Gehalte der Kulturen weniger durch die Düngevarianten beeinflusst, als vielmehr durch witterungsbedingte Jahreseinflüsse. Mais und Wintertriticale lagen mit TS-Gehalten von durchschnittlich 29 bis 35 % im optimalen Bereich. Während diese beiden Kulturen in trockenen Jahren schneller abreiften und teilweise TS-Gehalte bis 4 % erreichten, blieben die TS-Gehalte von Weidelgras und Sorghum eher unter dem für Silierung optimalen Bereich. Sorghum bicolor in Ettlingen erreichte dabei TS-Gehalte von 21 bis

6 24 %. Welsches Weidelgras in Ascha und Werlte erreichte im Durchschnitt 2 bis 21 % Trockensubstanz was ein praxisübliches Anwelken erfordert. Tabelle 2: Minimale, maximale und durchschnittliche TS-Gehalte je Düngevariante von Mais, Welschem Weidelgras, W.Triticale und Sorghum bicolor im Großen Gärrest, gemittelt über alle Standorte und Jahre Kultur TS-Gehalte je Düngevariante 1 % % 5% 75 % 1 % 125 % 2 % 1 % miner. # in % der FM Mais Ø min max Weidelgras Ø min max W.Triticale Ø min max Sorghum Ø min max # Teilgabe Gärrest im Herbst (nur in Dornburg) N min -Gehalte nach Ernte und Risiko der Nitratauswaschung über Winter Wie im Kleinen Gärrestversuch wurden die höchsten N min -Gehalte nach der Ernte von Mais vorgefunden (durchschnittlich zwischen 4 und 83 kg N/ha), die zum Teil durch witterungsbedingte Jahreseffekte beträchtlich ausfielen und z. B. in Ascha im Jahr 21 Werte über 18 kg N/ha erreichten. Zum einen sorgte der relativ verregnete Spätsommer 21 mit moderaten Temperaturen für einen hohen Mineralisationsschub. Zum anderen blieben die Erträge weit hinter den Erwartungen zurück, so dass ein zu hohe N-Düngung ausgebracht wurde und nicht durch die Pflanzen verwertet werden konnte. Beide Faktoren führten zu den sehr hohen N min -Gehalten, die ohne den Anbau einer Winterzwischenfrucht ein gesteigertes Nitratauswaschungsrisiko darstellen. Bei den Zweitkulturen liegen die N min -Werte an allen Standorten, mit wenigen Ausnahmen, in einem eher niedrigen Bereich von 3 kg N min /ha (Abbildung 1). Vor allem der Vergleich der dreijährig erfassten N min -Werte in Ascha bei Weidelgras und Mais macht deutlich, dass eine Teilung der organischen Gaben auf mehrere über das Jahr verteilte Termine, wie bei Grünland und Ackergras üblich, eine bessere Anpassung an den jeweiligen N-Bedarf der Kultur je Witterungsverlauf und Jahreszeit erlaubt. Sofern kein weiterer witterungsbedingter Mineralisationsschub nach der letzten

7 Ernte erfolgte, war an allen Standorten und allen N-Düngevarianten das Risiko des Nitrataustrags über Winter sehr gering. NO 3 nach Ernte (-9 cm) 22 kg/ha miner ohne N # 5 % Gär # 2 % Gär # miner miner Mais Welsches Weidelgras W.Triticale Sorghum bicolor $ miner alle Standorte # nur in BY, TH, MV BY + NS TH + MV $ Teilgabe Gärrest im Herbst BW B.Formowitz (Klimagas-Messungen) nur in TH Abbildung 4: N min -Gehalte nach Ernte von Mais, Welchem Weidelgras (nach jedem Schnitt), Wintertriticale und Sorghum bicolor je N-Düngevariante im Großen Gärrestversuch (Box: %; Whisker: 5-95 %; Strich: Median; Viereck: Mittelwert) Die Nitratauswaschung über Winter ist abhängig von vielerlei Faktoren, u. a. Nitratgehalte vor Winter, Niederschlagsmenge, Bodenbeschaffenheit und Bodenart. Nitratgehalte sind etwas niedriger als die z. B. in Abbildung 3 dargestellten N min -Gehalte, da sich letztere aus Nitrat (NO 3 ) und Ammonium (NH 4 ) zusammensetzen. In Tabelle 3 sind Nitratgehalte vor Winter und die resultierenden Nitratauswaschungen für beispielhaft ausgewählte Bodentypen und -arten dargestellt (von Buttlar, 212), die unter bestimmten Boden- und Witterungseinflüssen entstehen können. Tabelle 3: Nitratgehalte vor Winter und entsprechende Nitratkonzentrationen im Sickerwasser in lehmigen Sanden (Sl) und tonigen Schluffen (Ut) bei 65 mm Niederschlag und einer Bodenauflage von über 1 cm, nach von Buttlar (212); WRRL-Grenzwert = 5 mg NO 3 je Liter Sickerwasser Bodentyp Bodenart Nitratgehalt vor Winter in kg/ha NO 3 -Konzentrationen im Sickerwasser in mg/l Braunerde/Podsol Sl Löß-Parabraunerde Ut

8 Im Durchschnitt wies die ungedüngte Maisvariante schon 29 kg NO 3 /ha vor Winter auf, während die 5, 75 und restvarianten bei 39 bis 44 kg NO 3 /ha lagen und die restlichen Varianten (mineralisch, -N, 2 % ) über 5 kg NO 3 /ha. In Ascha, Gülzow und Werlte sind lehmige Sande die vorherrschende Bodenart, demnach eher durchlässige Böden, bei denen Nährstoffe leichter ausgewaschen werden können. Somit muss an diesen Standorten in allen Düngevarianten mit Nitratauswaschungen oberhalb des WRRL-Grenzwerts von 5 mg NO 3 /l gerechnet werden. In Dornburg, wo stark tonige Schluffe (Ut4) die vorherrschende Bodenart ist, wären bei den unterstellten Werten (Tabelle 2) hingegen im Durchschnitt nur bei der mineralischen Düngevariante, sowie den beiden höchsten Gärrestvarianten (125 und 2 %) mit Nitratauswaschung über 5 mg NO 3 /l zu rechnen. Die Nitratgehalte nach Ernte von Weidelgras in Ascha und Werlte, Wintertriticale in Dornburg und Gülzow sowie Sorghum bicolor in Ettlingen lagen in allen Düngevarianten durchschnittlich zwischen 7 und 2 kg NO 3 /ha, so dass die zu befürchtenden Nitratauswaschungen laut Tabelle 2 deutlich unter 5 mg NO 3 /l bleiben. Ammoniakverluste nach Gärrestdüngung zu Mais Seit 211 werden die nach Gärrestausbringung und mineralischer Düngung entstehenden Gase Methan (CH4), Lachgas (N2O), Kohlendioxid (CO2) und Ammoniak (NH3) durch das Verbundprojekt Potenziale zur Minderung der Freisetzung von klimarelevanten Spurengasen beim Anbau von Energiepflanzen zur Gewinnung von Biogas auf drei EVA-Standorten und zwei weiteren gemessen. Die Ergebnisse liefern zusätzliche, wichtige Erkenntnisse zur Gesamtbetrachtung der Produktionsverfahren, aus denen verbesserte Praxisempfehlungen abgeleitet werden können. In Abbildung 4 sind die kumulierten NH 3 -Verluste in Ascha und Dornburg nach Gärrestausbringung vor Saat von Mais dargestellt. Mit Ausnahme der rest Variante ergaben höhere organische N-Gaben auch höhere NH 3 -Verluste, während die mineralische Variante keine Ammoniakverluste aufwies. Die generell höheren Ammoniakemissionen in Dornburg lassen sich vor allem durch die verzögerte Einarbeitung der Gärreste in den Boden erklären. In Dornburg wurden die Gärreste im Jahr 211 durch technische Schwierigkeiten erst nach ca. 24 h eingearbeitet, während dies in Ascha ca. 3 Stunden nach Ausbringung geschah. Darüber hinaus enthielt der Gärrest in Dornburg einen größeren Anteil NH 4 am Gesamtstickstoff (65 %) und wies einen höheren ph-wert von 7,8 auf als jener in Ascha (NH 4 = 41%; ph = 7,5), was zusätzlich zur Steigerung der Ammoniakbildung und -verflüchtigung führte. Erste Ergebnisse der umfangreichen Methan-, Lachgas- und Kohlendioxidmessungen in Kürze erwartet.

9 4 kg N ha -1 Kumulierter NH 3 Verlust % Gär 2 % Gär TH BY h 9 A. Seidel, Uni Kiel Zeit nach Gärrestausbringung Abbildung 5: Kumulierte Ammoniakverluste (NH 3 ) nach Gärrestausbringung zu Mais (vor Saat) im Großen Gärrestversuch je Düngevariante in Ascha (BY) und Dornburg (TH) Quellenverzeichnis von Buttlar C. (212): Wasserrahmenrichtlinie und Energiepflanzenanbau Ansätze für den praktischen Gewässerschutz in Kooperation mit der Landwirtschaft. Vortrag im Rahmen des 3. Forums Energiepflanzen, in Jena. Kontakt: Formowitz Beate, Technologie- und Förderzentrum (TFZ) im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe, Telefon: , beate.formowitz@tfz.bayern.de