Landwirtschaftliche Nutzung von Biogasgülle

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1 Dr. Jana Peters, Dr. Andreas Gurgel Landwirtschaftliche Nutzung von Biogasgülle Zusammenfassung: An der Landesforschungsanstalt für Landwirtschaft und Fischerei Mecklenburg Vorpommern werden derzeit mehrere Untersuchungen hinsichtlich des Einsatzes von Gärresten zu verschiedenen Kulturarten in unterschiedliche Applikationsmengen durchgeführt. Ziel dieser Projekte ist es, eine bedarfsgerechte Versorgung der Kulturarten zu erreiche, bei gleichzeitiger Beachtung der umwelt- und naturschutzrelevanten Aspekte. Dazu werden zum einen verschiedene Düngermengen appliziert, zum anderen Varianten mit ausschließlich organischer Düngung und mineralisch- organisch Düngung geprüft. Gleichzeitig werden die Versuche durch die Messung klimarelevanter Emissionen begleitet, um so eine Aussage über die Umweltverträglichkeit treffen zu können. Abstract: At the State Research Institute of Agriculture and Fishery Mecklenburg Vorpommern currently several trials are carried out regarding the use of digestate to different crops in different application rates. The aim is to achieve adequate supplies of crops under respecting the environment and nature protection aspects and sustainability. One possibility is closing nutrient cycles by using biogas digestates as organic fertilizer and to compare their humus accumulation capacity to an exclusive mineral fertilization. 1 Einleitung 1.1 Stand des Wissens Eine nachhaltige, klima- und bodenschonende Bewirtschaftung kann zum einen durch den Anbau ausgewogener Fruchtfolgen mit humusmehrenden und -zehrenden Kulturen erreicht werden, zusätzlich spielt aber auch die Rückführung von humusbildenden Substanzen eine gravierende Rolle für den Ausgleich der Humusbilanzen. Als weiterer Vorteil des Einsatzes nachwachsender anstelle fossiler Rohstoffe gilt die CO 2 - Neutralität der Energiebiomasse, da das freigesetzte CO 2 von der nachfolgenden Biomasse wieder aufgenommen wird [4]. Der Vollständigkeit halber sollten jedoch alle Emissionen von der Düngerherstellung, allen Produktionsschritten, Lagerung, bis hin zur Biomasseverwertung in die Bilanzierung einfließen [8].

2 Die stetig steigende Anzahl von Biogasanlagen in Deutschland ist der Initiierung und Novellierung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) zuzuschreiben [1][3]. Mehr als 90% der in Deutschland betriebenen Biogasanlagen basieren auf dem Einsatz landwirtschaftlicher Substrate [5], Dabei wird die Gülle und/oder beträchtliche Mengen an Biomasse nachwachsender Rohstoffe aus der betriebseigenen Produktion oder von Landwirten der Umgebung bezogen. Biogasgärreste gelten als wertvolle organische Dünger. Zum einem liegen nach dem Vergärungsprozess die größten Nährstoffanteile des Ausgangssubstrates durch Mineralisation in pflanzenverfügbarer Form vor [12]. Zum andern gilt die humusreproduzierende Wirkung des Gärrestes aufgrund seines Gehaltes an stabiler organischer Substanz als relativ hoch [7]. Probleme bereitet derzeit noch die umweltgerechte Gärrestrückführung. Hohe Nährstoffgehalte im Gärrest erlauben nach Düngeverordnung lediglich eine begrenzte Ausbringmenge und minimieren somit den Eintrag organischer Substanz deutlich. Des Weiteren ist die Ausbringungstechnik an die Eigenschaften des Gärrestes anzupassen, um Ammoniakemissionen, verursacht durch die hohen Ammoniumkonzentrationen bei gleichzeitig hohen ph-wert ( 8) zu vermeiden. Realisiert werden könnte dies beispielsweise durch den Einsatz von Schleppschläuchen [11], welche eine bodennahe Ausbringung gewährleisten und mit einer sofortigen Einarbeitung nach der Applikation [9]. Durch unterschiedliche Substrateinsätze in den Biogasanlagen kommt es zusätzlich zu extremen Schwankungen der Nährstoffgehalte im Gärrest. Eine Nährstoffanalyse ist für die Nährstoffbilanzierung und die Ermittlung des Düngebedarfes der Kulturarten daher unumgänglich [2]. Beispielsweise sind kurzfristige Mineraldüngeräquivalente (MDÄ) der Gärreste landwirtschaftlicher Biomasse mit 40 bis 60% charakterisiert [7]. Untersuchungen am Standort Berlin-Dahlem ergaben demgegenüber in Mais jedoch ein kurzfristiges MDÄ von 76% und von sogar 83% im Sommerweizen [10]. Teilweise ungeklärt ist derzeit noch die Wirkung der Gärreste auf Ertragsstabilität, Bodenstruktur, Humusgehalt sowie Bodenfauna. 1.2 Zielsetzung An der Landesforschungsanstalt für Landwirtschaft und Fischerei Mecklenburg Vorpommern werden derzeit mehrere Versuche zu den oben genannten Schwerpunkten beim Gärresteinsatz in der Landwirtschaft durchgeführt. Vorgestellt werden sollen diesbezüglich zwei Projekte, die über die FNR vom BMELV im Rahmen des Eva-Projektes gefördert werden. Der Große Gärrestversuch dient der Bewertung einer ausschließlich mittels Gärrest durchgeführten Düngung. Schwerpunkt ist aus pflanzenbaulicher Sicht die nachhaltige

3 Maximierung der Biomasse- und Biogaserträge bei gleichzeitiger Berücksichtigung einer Minimierung der Klimagasemissionen sowie Stickstoffüberhänge. Damit kann auch dem Aspekt des Umwelt- und Naturschutzes Rechnung getragen werden. Zur Umsetzung des Forschungsvorhabens wird Mais als dominierende Biogaskultur angebaut. Weiterhin wird als regional bedeutsame Kulturart Wintertriticale untersucht, um das Potential als Alternative für Mais zu prüfen und somit Erkenntnisse für die regionale, landwirtschaftliche Beratung zu erlangen. Der Frage, welche ertraglichen, ökologischen und ökonomischen Divergenzen verschiedene Applikationsformen auf Kultur- und Fruchtfolgeebene verursachen, soll im Kleinen Gärrestversuch nachgegangen werden. Dazu kommen mineralische, gemischte (Gärrest + mineralisch) und ausschließlich organische Dünger (Gärrest) zum Einsatz. Verfolgt werden soll das Ziel einen möglichst geschlossenen Nährstoffkreislauf abzubilden. Dabei spielt die Minimierung der Stickstoffverluste in Grund- und Oberflächengewässer und in die Atmosphäre sowie eine Einsparung mineralischer Dünger eine wesentliche Rolle. Die Bewertung entstehender Klimagasemissionen der einzelnen Produktionsverfahren wird durch die begleitenden Messungen in den unterschiedlichen Düngevarianten ermöglicht. 2. Ergebnisse und Zusammenfassung 2.1 Gärresteigenschaften und Ausbringungstechnik Die Vorab-Analyse der in allen hier vorgestellten Versuchen gleichermaßen eingesetzten Gärreste zeigt eine relativ stabile Nährstoffzusammensetzung (Tab. 1). Dies ist das Ergebnis einer gut eingestellten und stabil laufenden Biogasanlage, die über die Jahre eine kontinuierliche Zusammensetzung der Ausgangssubstrate vorweisen kann. Tab. 1: Zusammensetzung der Ausgangssubstrate und Nährstoffgehalte der eingesetzten Gärreste im Kleinen und Großen Gärrestversuch Ausgangssubstrate Rindergülle, Maissilage, Roggenschrot Nährstoffgehalte im Gärrest Jahr TM ph C NH 4 N ges P K [%] [% TM] [% FM] ,7 7,5 39,9 0,26 0,45 0,06 0, ,3 7,7 40,6 0,26 0,42 0,06 0, ,8 7,6 38,7 0,28 0,45 0,08 0,29 Zur Ausbringung wurde für beide Versuche die Schleppschlauchtechnik verwendet. Ab 2010 konnte diese noch durch die Aufrüstung mit Injektionsscharen verbessert und somit ein direktes Einarbeiten bei der Gärrestausbringung realisiert werden.

4 2.2 Großer Gärrestversuch Die Kulturarten Mais und Wintertriticale werden hinsichtlich ihrer Ertragspotentiale bei unterschiedlicher Einsatzmenge des Gärrestes geprüft. Dazu werden in beiden Kulturarten 3 Düngestufen (75 % Gärrest-N, 100 % Gärrest-N, 125 % Gärrest-N) einer 100 % -igen Mineraldüngung gegenübergestellt (Tab. 2). Die zusätzlich etablierten 3 Intensitäten im Mais (0 % Düngung, 50 % Gärrest-N, 200 % Gärrest-N) dienen mit daraus resultierender breiterer Variation einer besseren Einordung der im Mais durchgeführten Klimagasmessungen. Kulturarten Tab. 1: Düngevarianten im Großen Gärrestversuch In beiden Kulturarten kommt es zu jährlichen Wechsel der Anbaufläche, um Vorjahreseffekte der unterschiedlichen Düngestufen zu vermeiden. Die Düngung erfolgten der jeweiligen Kultur entsprechend und standortangepasst. Auf die N-Unterfußdüngung beim Mais wird verzichtet. Für die Berechnungsalgorithmen wurde das Mineraldüngeräquivalent (MDÄ) von 70 % festgelegt und keine Lager- und Ausbringungsverluste des Gärrestes angesetzt [6]. Düngevarianten 100 % 0 % 50 % 75 % 100 % 125 % 200 % Mineralisch Gärrest Mais XX XX XX XX XX XX XX W. Triticale X X X X XX Varianten mit Messungen klimarelevanter Gasemissionen Abb. 1: Trockenmasse-Erträge von Mais je Düngevariante am Standort Gülzow

5 Die Maiserträge wiesen im Jahr 2009 nur geringfügige Ertragsunterschiede in den einzelnen Düngestufen auf. Im Folgejahr 2010 konnte hingegen eine deutliche Differenzierung über die Varianten festgestellt werden (Abb. 1). Dabei wiesen die 0 % Variante sowie die fünf abgestuften organischen Düngevarianten einen ebenso abgestuften Ertragsverlauf auf. Die durchschnittlichen Maiserträge der mineralischen Düngung konnten in 2010 sogar mit einer 75 %-igen Gärrest N Applikation erreicht werden. Der Einsatz von 200 % Gärrest-N erbracht in 2010 einen Mehrertrag von 22 % gegenüber der Mineraldüngervariante. Die N min -Werte nach der Maisernte beider Jahre zeigten nur teilweise eine übereinstimmende Tendenz zum Düngeregime (Abb. 2). Abb. 2: Nmin- Gehalte 0-90 cm nach Ernte Mais am Standort Gülzow Grundsätzlich ist bei einer 200 %-igen Gärrest-N Gabe mit einem erhöhten Risiko der Nitratauswaschung über Winter zu rechnen. Die Schwankungen in beiden Versuchsjahren und in allen Varianten verdeutlichen, wie schwierig die Anpassung einer einmaligen Düngegabe an unterschiedliche Jahresverhältnisse ist. Eine eindeutige Aussage zur Beeinflussung der Applikationsform und -höhe auf den pflanzenverfügbaren Stickstoff im Boden ist demnach zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht möglich. Die Trockenmasse-Erträge der zweiten Kulturart Wintertriticale zeigten in allen drei Prüfjahren ein Ertragsverlauf analog zum Düngeregime (Abb. 3). Die mineralische Variante erbrachte hier anders als beim Mais immer den Höchstertrag. Verursacht wird dies durch den relativ kurzen Zeitraum zwischen der Düngeapplikation und dem Erntetermin (ca. 3 Monate), der der Kulturart bleibt, um den dargebotenen Dünger zu verwerten.

6 Somit kann der leicht pflanzenverfügbare Stickstoff der mineralischen Düngung schneller in kürzerer Zeit aufgenommen werden. Abb. 3: Trockenmasse-Erträge von Wintertriticale je Düngevariante am Standort Gülzow Die N min -Gehalte nach Ernte lagen in allen Jahren und in allen Düngestufen bei 30 kg/ha. Lediglich in 2010 mussten leicht erhöhte Werte in der 100 % Mineralisch- und 100 % Gärrestvariante festgestellt werden, welche jedoch mit 35 kg/ha bzw. 37 kg/ha als vernachlässigbaren Überhang angesehen werden können (Abb.4). Abb. 4: Nmin- Gehalte 0-90 cm nach Ernte Wintertriticale am Standort Gülzow Insgesamt zeigte der Versuch, dass die Gärreste insbesondere beim Mais eine adäquate Alternative zu mineralischen Düngern darstellen. Somit besteht gerade in dieser humuszehrenden Kulturart zusätzlich die Möglichkeit einer Verbesserung der humuswirk-

7 samen Leistung bei gleichzeitiger Ertragssteigerung. Beachtet werden müssen allerding die N-Hinterlassenschaften der sehr hohen Düngestufen. Bisherige Ergebnisse müssen mit weiteren Erkenntnissen aus den laufenden Versuchen abgesichert und unter Berücksichtigung der Inhaltsstoffanalysen ausgewertet werden. Darüber werden die im Jahr 2011 begonnenen Messungen klimarelevanter Gase nach Gärrestausbringung weitere Aufschlüsse über Stickstoffflüsse der verschiedenen Düngevarianten geben. 2.3 Kleiner Gärrestversuch Der Kleine Gärrestversuch wurde 2009 analog zu einer bereits im Projekt Entwicklung und Optimierung von standortangepassten Anbausystemen für Energiepflanzen im Fruchtfolgeregime (EvA) mineralisch gedüngten Fruchtfolge angelegt (Tabelle 3). Tab. 3: Versuchsanlage Kleiner Gärrest am Standort Gülzow Anlage I: Mais W.Roggen (GP) Sorghum (ZF) Anlage II: W.Weizen Mais GP -Ganzpflanze, ZF -Zweitfrucht, SZF -Sommerzwischenfrucht Beide Anlagen werden bedarfsgerecht zur jeweiligen Kulturarten unter Berücksichtigung der N min Werte und des Wirkungsgrades des Gärrestes (70%) gedüngt. Auf eine Anrechnung von N-Überträgen aus den Vorjahren wird laut Versuchsanleitung verzichtet, da die Nachlieferung aus dem stark organisch gebundenen Stickstoff relativ gering ausfällt (im Jahr der Düngung ca. 1 bis 3 %) und die Überträge ins nächste Jahr während der ersten 5 Ausbringjahre eher zu vernachlässigen sind [6]. Die zu prüfenden Stickstoff-Düngevarianten beinhalten eine ausschließliche Gärrest-N-Düngung und eine gemischten Variante (50 % Gärrest-N und 50 % mineralischer N-Dünger) im Vergleich zur 100 % mineralisch gedüngten Grundvariante. In Abb. 5 sind die kumulierten Trockenmasseerträge aller Kulturen je Düngevariante der Anlage I und Anlage II von 2009 bis 2010 dargestellt. W.Triticale Weidelgras (SZF) W.Roggen (GP) Sorghum (ZF) W.Weizen W.Triticale Weidelgras (SZF)

8 Abb. 5: Kleiner Gärrestversuch: Kumulierte Trockenmasseerträge beider Anlagen und aller Düngevarianten am Standort Gülzow In Anlage I sind die Unterschiede zwischen den Varianten geringfügiger als in Anlage II (Abb. 5). Zum jetzigen Zeitpunkt können in beiden Anlagen die höchsten Ertragseinbußen in der gemischten Düngevariante festgestellt werden gefolgt von der reinen organischen Düngung. Insbesondere der Mais und die Zuckerhirse reagieren auf die gemischte Düngung mit Mindererträgen von dt/ha. In Anlage II mussten bei Winterweizen 2009 deutliche qualitative Verschlechterungen (A- Weizen zeigte RP-Gehalt eines C- Weizens) und Ertragseinbußen (etwas mehr als die Hälfte der mineralischen Variante) beider Gärrestvarianten festgestellt werden. Zum jetzigen Zeitpunkt kann jedoch hinsichtlich der Ertragsverluste noch keine eindeutige Aussage getroffen werden, ob es sich hierbei um einen Einfluss des Prüffaktors oder um witterungsbedingte oder standortabhängige Wirkung handelt. Fest steht jedoch, dass die darauf folgenden Maiserträge in 2010 diese Tendenz so nicht zeigten und eine bedarfsgerechte Düngung zum Winterweizen mit Gärresten nicht zufriedenstellend realisiert werden kann (fehlende Qualitätsgabe). Durchgeführte Bodenuntersuchungen zeigten in Anlage I nach der Maisernte 2009 den höchsten N min -Gehalt in der mineralischen Variante (99 kg/ha) (Abb. 6). Dieser Überhang konnte in abgeschwächter Form auch noch im Frühjahr 2010 festgestellt werden. Die hohen N min -Werte aller Prüfglieder ab dem wurden durch die applizierte Frühjahrsdüngung verursacht. Diese enormen Stickstoffmengen konnten jedoch von der Folgefruchtart Zuckerhirse gut verwertet werden, so dass zu Vegetationsende ein N min -Gehalt im tolerierbarem Bereich von 40 kg/ha -50 kg/ha lag. Lediglich die gemisch-

9 te Variante verzeichnet einen erhöhten N min -Gehalt von > 70 [kg/ha], was dem geringeren Trockenmasseerträgen der Zuckerhirse und daraus resultierenden niedrigeren Entzug durch die Biomasse zuzuschreiben ist. Abb. 6: N min-gehalte (0 bis 90 cm Tiefe) Anlage I am Standort Gülzow Hohe N min -Werte zu Vegetationsende in Anlage II 2009 (Abb.7) verdeutlichen den Einfluss der Witterung auf die mikrobiellen Bodenaktivitäten. Lagen die N- Hinterlassenschaften nach der Winterweizenernte in allen Varianten noch im tolerierbaren Bereich von kg/ha, so mussten zu Vegetationsende 82 bis 123 kg N min /ha festgestellt werden. Das zeugt von einer Begünstigung der Mineralisation durch die milde und feuchte Witterung im Herbst Wie in Anlage I so musste auch in der zweiten Anlage zur Maisernte ein erhöhter N min -Gehalt in der mineralisch gedüngten Variante (113 kg/ha) gemessen werden. Die Ursache liegt möglicherweise bei einem relativ trockenen Juni und einer Hitzeperiode im Juli, die teilweise Trockenstress bei Mais erzeugte und somit zu verminderte Nährstoffaufnahmen geführt haben könnte.

10 Abb.7 : N min-gehalte (0 bis 90 cm Tiefe) Anlage II am Standort Gülzow Zur Absicherung der genannten Annahmen müssen unter Einbezug der Nährstoffentzüge die Nährstoffflüsse zu Rotationsende kalkuliert werden. Abschließend kann jedoch festgestellt werden, dass eine organische Düngung als adäquate Alternative zum Mineraldüngereinsatz angesehen werden kann. Ertragsunterschiede könnten durch Veränderung der Berechnungsalgorithmen zur Gärrestapplikation verringert werden. Hierzu sollten unbedingt weitere Untersuchungen hinsichtlich der Bestimmung von Mineraldüngeräquivalenten (MDÄ), Ausbringungs-verlusten und Anrechnungsmenge auf die Folgejahre durchgeführt werden. Literatur/Quellen [1] ASCHMANN, V.; EFFENBERGER, M.; GRONAUER, A.; KAISER, F.; KISSEL, R.; MITTERLEITNER, H.; NESER, S.; SCHLATTMANN, M.; SPECKMAIER, M.; ZIEH- FREUND, G. (2007): Grundlagen und Technik. In: BAYERISCHES LANDESAMT FÜR UMWELT (LFU): Biogashandbuch Bayern Materialienband, Kapitel 1.1, [2] DEDERER, M. (2006): Pflanzenbauliche Verwertung von Gärresten. Verwertung von Wirtschafts- und Sekundärrohstoffdüngern in der Landwirtschaft. Nutzen und Risiken ; KTBL-Schrift, Nr Darmstadt [3] DÖHLER, H.; LORBACHER FELIPE, R. (2004): Stellung von Biogas im Vergleich der erneuerbaren Energiequellen. Biogas in Bayern; LfL Schriftenreihe, Nr. 13. [4] FACHAGENTUR NACHWACHSENDE ROHSTOFFE E.V. (FNR) (1999): Nachwachsende Rohstoffe. Spitzentechnologie ohne Ende. Gülzow

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