Quantifizierung der N Austräge

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1 Quantifizierung der N Austräge kg N/ha/Jahr N N 2 3 N 2 Denitrifikation 7-80 kg N/ha/Jahr NH 3, N 2 volatile NH3 Verluste in seneszenten Pflanzen 1 N Düngung Mikroben-Pool - N kg N/ha/Jahr H - NH 3 NH 3 Harnstoff Volatilisierung 2 Fixierung (physikalisch) kg N/ha/Jahr rgan. Immobilisierung Mills et al., 1974 Matocha, 1976 DuPlessis and Kroontje, 1964 Terman, 1979 Sharpe et al., lson and Swallow, 1984 Sharpe et al., 1988 Timmons and Cruse, Francis et al., 1993 Hooker et al., 1980 Deen, 1986, 1989 Daigger et al., 1976 Parton et al., Auswaschung 0-20 kg N/ha/Jahr 4 Aulackh et al., 1984 Colbourn et al., 1984 Bakken et al., 1987 Prade and Trolldenier, Chaney, 1989 Sommerfeldt & Smith, 1973 Macdonald et al., 1989 Kladivko, 1991 Resultat einer radioakt. ( 15 S 4 Düngung In den Boden eingebrachter Dünger-N reagiert mit belebten und unbelebten Bodenbestandteilen. % Denitrifiziert In die organische Substanz des Bodens aufgenommen -Dünger-N Von der Pflanze aufgenommen Tage nach der Düngung Umsetzung von -Dünger-N, Haferbestand auf Schwarzerde (Zamyatina et al.) Page 1

2 Ergebnisse zusammengefaßt: mit fortschreitender Entwicklung des Pflanzenbestandes nimmt N-Aufnahme der Pflanzen zu und der Bestand an Mikoroorganismen zu nach ca. 40 Tagen ist Dünger-N aufgebraucht teilweise Verlust durch Denitrifikation. Der in die Mikroorganismen eingebaute Dünger-N wird durch Mineralisation wieder frei: Großteil: Noch in der gleichen Vegetationsperiode Geringerer Teil: In der folgenden Vegetationsperiode. Faustregel: Auf gut versorgten Böden: in der laufenden Vegetationsperiode wird nur ca. 50% des Dünger-N für die Ertragsbildung genutzt, der restliche von den Pflanzen aufgenommene N war bereits vor der aktuellen Düngung im Boden vorhanden. Mineralisierung N Aufnahme bzw. Mineralisierung in [kg/ha] Weizen N- Aufnahme Mais N-Aufnahme N-Mineralisierung April Mai Juni Juli Aug. Sept. kt Page 2

3 Verbleib des Dünger-N in Kulturpflanzen Lysimeterversuch mit Lehmboden: Die Ausnutzung des Dünger-N kann stark schwanken = ca. 50% (60% unter optimalen Bewirtschaftungsverhältnissen). Niedrige N-Ausnutzung bei: hoher Auswaschung hoher Denitrifikation Wassermangel Aufnahme durch Pflanzen im Boden gebunden ausgewaschen nicht nachweisbar %-Anteil des Dünger-N im Verlauf von 3 Jahren Ausbringungszeitpunkt = standortbedingt N-Ausnutzung im gemäßigten Klima: besser als unter semiariden Bedingungen. In humiden Tropen große Gefahr der N-Auswaschung, N zum Pflanzenbestand düngen, nicht vor der Saat düngen, selbst Ummanteln z. B. von Harnstoff ( SCU * ) hilft hier wenig. Unter extremen Klimabedingungen: Z.B. Tropen: Ausnutzung von Dünger-N (67 kg/ha) durch Mais in Abhängigkeit von: Düngerform und Ausbringungszeit: Kornertrag dt/ha % Ausnutzung Düngung vor der Saat Düngung in Pflanzenbestand Düngung vor Saat mit SCU SCU = Sulfur Coated Urea Page 3

4 Definitionen zur Effizienz der N-Düngung landwirtschaftliche Ausnutzung: Kornertrag f Kornertagc = kgkorn / kgdüngern N Düngermenge apparente Ausnutzung: N Aufnahme f N Aufnahmec 100 = % tuelledünausnutzung N Düngermenge physiologische Ausnutzung: Kornertrag f Kornertag c = kgkorn / kgaufgenommenendüngern N Aufnahme N Aufnahme f c f = fertilizer, c= control. und - in der Rhizosphäre Welche Form ist unter welchen Umständen am effektivsten? Verhalten in der Bodenlösung: Ammonium adsorbiert an Austauschkomplexen Nitrat bleibt gelöst Auswaschung Page 4

5 Nitrat als N Quelle Vorteile Nitrat: - Ion nicht-toxisch für Pflanzen (jedoch für Säuger) Absorbtion der (Makro-) Kationen: K, Ca und Mg erhöht durch - - erhöht die Pfl. Produktivität unter salinen Bedingungen Einfluss der N Versorgung auf die Ionen- Bilanz (meq pro 100 g Spross- TS, nach Kirkby 1986). * rg.s = organ. Säuren Nachteile Nitrat: Energie-aufwändiger Prozess: Reduktion vor Verbrauch Schnelle Auswaschung, da negativ geladen - Absorption der Pflanze: Energie-verbrauchender Prozess ( - Permeasen und GGAT ) da die Aufnahme von - ohne Ansäuerung der Rhizosphäre erfolgt, kann dies Defizienzen bei Spurenelementen verursachen (Mikros: Metalle) als N Quelle Vorteile NH 4 muß nicht reduziert werden (vor Einbau in Aminosäuren) Erhöhte Absorption von Anionen (H 2 P - 4 und HP 2-4 ) Absorptionssystem: passiv und aktiv Positive Ladung Kaum Auswaschung aus dem Boden Nachteile NH 3 = hoch toxisch Hohe Mengen an Kohlehydraten (KH) binden NH 4 Antagonismus: NH 4 reduziert die Aufnahme der Kationen K, Ca und Mg Page 5

6 vs. Saure und alkalische Wirkung von - und in der unmittelbaren Rhizosphäre während der Aufnahme vs. - als Anion von Bodenkolloiden nicht gebunden raschere Wirkung als Auf sauren Böden mit ph-wert < 4,1 gilt: kaum mehr Nitrifikation, Bakterien produzieren kein - mehr Pflanzen nehmen dann stattdessen vorwiegend auf. Einzelne Pflanzenarten reagieren unterschiedlich auf verschiedene N-Formen. Pflanzen die auch bei niedrigen ph-werten gut gedeihen: Kartoffel, Roggen, Mais, Hafer, Reis und Tee diese reagieren besser auf -Düngemittel Alkalische Böden: NH 3 - Verluste nach Düngeranwendung. Page 6

7 N-Aufnahme verändert die Rhizosphäre Links, 1A: ph-werte Mitte, 1B: Veränderter ph in Rhizosphäre Boden durch Nährstoff-Aufnahme: ph - Alkalisierung Versauerung Rechts, 1C: Species-spezifische Variabilität in der ph-veränderung Marschner 1995 Boden-pH Veränderung kann verursacht sein durch: N-Quelle oder Eisenmangel (Pflanzen mussten org. Säuren abgeben) Einfluß anderer Nährstoffe auf die N Aufnahme Si: steigert Blattstabilität neutralisiert negative Effekte hoher N Gaben P: N Fixierung der Rhizobien benötigt adäquate P Versorgung ( hoher ATP Bedarf) Mo: Komponente der NitratReduktase, Rhizobien: Komponente der Nitrogenase, Ursache von N Mangel in Leguminosen Fe: Notwendig für Rhizobien zur Herstellung von: Nitrogenase Ferredoxin Leg-Hämoglobin Fe-Mangel reduziert die Knöllchenmasse Page 7

8 Einfluß auf den N Verlust Urease-Aktivität (höher bei hohem org.c) Luft-Austausch (anaerobe Denitrifikation) Temperatur (Aktivität der Ms) N Quelle (s.o.) Kationenaustauschkapazität (KAK) Ausbringungsmethode (z.b. vol. Verluste) H Puffer-Kapazität des Bodens Erntereste Boden-Wassergehalt Acidität: NH 3 H Hohe NH 3 Verluste durch Hohen ph und Temperatur Selbsttest zum Ausfüllen: In den Boden eingebrachter -Dünger reagiert mit belebten und unbelebten Bodenbestandteilen: % Denitrifiziert In die organische Substanz des Bodens aufgenommen -Dünger-N Von der Pflanze aufgenommen Umsetzung von -Dünger-N, Haferbestand auf Schwarzerde (Zamyatina et al.) Tage nach der Düngung Page 8

9 Technische N Fixierungsverfahren Fritz Haber 1. Kompressor: Gasgemisch N 2 auf 450 bar 2. Gasreiniger: Abtrennung von Schwefelverbindungen und C 3. Im Kontaktofen: Erhitzung bei 450 Bar auf 500 C Katalysator besteht aus einem Gemisch von Eisenoxid und Aluminiumoxid. Beschichtete Fläche NH Kühler Ammoniakgas kühlt ab 5. Abscheider Trennung des NH 3 von nicht umgesetzten H 2 und N 2 Die globale N Fixierung in modernen Haber-Bosch-Anlagen verbraucht pro Tag 72 Millionen Liter Erdgas und produziert 1350 Tonnen NH 3 [Quelle: Christen, Chemie: 12. Auflage 1984] Nitrat Hochebene von Chile: Lagerstätten K und NatriumNitrat Caliche: abbaufähiges Nitrat bis zu 5m mächtig Nitratgehalte: 5-15 % Page 9

10 N-Dünger ART HANDELSNAME FRMEL GESAMT GEHALT % N (% Nebenbestandteile) HERSTELLUNG Dünger Ammoniak (Gas) NH 3 82 Haber-Bosch- Verfahren Schwefelsaures Ammoniak (Ammoniumsulfat) ( S % S Sättigerverfahren / Kohledestillation Nitrat (Salpeterdünger) Kalksalpeter (Calciumnitrat) Ca( (mit 5 % ) % Ca H Natronsalpeter (Natriumnitrat) Na % Na Rohsalpeter Ammon nitrat Ammonnitrat (Ammoniumnitrat) 35 NH 3 -Verbrennung NitrAmonCal = KalkAmmonSalpeter (74 %) CaC 3 (26 %) % Ca Komponenten- Mischung Ammonsulfatsalpeter *( S % S Komponenten- Mischung Amide Harnstoff C(NH 2 46 C 2 NH 3 (200at, 170 C) Kalkstickstoff CaNCN (60 %) Ca, C, etc % Ca CaC 2 N 2 (1000 C) N Dünger Kalkammonsalpeter Ammoniumnitrat Schwefelsaures Ammoniak Ammoniumsulfat Kalksalpeter Calciumnitrat Harnstoff (Urea, Carbamid) Kalkstickstoff Nitrifikationshemmer, z. B. Entec 26 AHL-Lösung (flüssig) Wirksamer Inhaltsstoff, ( S 4 Ca( C(NH 2 Ca CN 2 7,5% Nitrat 18,5 % Ammonnitrat Harnstoff N- Gehalt in % , % 28% Einsatz Schnell und mittelfristig wirkend Mittelfristig wirkend, physiologisch sauer Schnell wirksam, physiologisch alkalisch Wirkt über den Boden langsam, über das Blatt rasch. Auf alkalischen Böden: möglichst rasche Einarbeitung, sonst Stickstoffverluste Sehr langsam wirkend, herbizide Wirkung Mäßige Anfangswirkung Gleichmäßige Dauerwirkung 7 % Nitrat-N, 7 % Ammonium-N, 14 % Amid-N ist zur Flüssigdüngung auf u. in den Boden geeignet (Tiefendüngung). Korrodierende Wirkung auf Metalle Page 10

11 Gängige N Dünger NitrAmmonCal (NAC) (=KalkAmmonSalpeter = KAS7 %N Z.Z. in der landwirtschaftlichen Praxis meist verbreiteter N-Dünger Harnstoff = Carbamid = Urea = Kohlensäurediamid Kalkstickstoff CaNCN = Ca-Cyanamid physiologisch alkalisch Toxische Wirkung des Cyanamids Ätzwirkung des Branntkalks (Ca = beigemengter Bestandteil) = Herbizid Fungizid keine Rückstandsprobleme je nach Umweltbedingungen in wenigen Tagen abgebaut Kalkstickstoff Umsetzung des Kalkstickstoff: CaNCN = Ca-Cyanamid = entsprechend folgendem Schema: Direkter Weg über Harnstoff Auch Umwege : 5 25 % des Gesamtumsatzes abhängig von Reaktionsbedingungen im Boden Guanidino-N: Zwischenprodukte entfalten phytosanitäre Wirkungen Dicyandiamid Nitrifikationshemmer. Page 11

12 Düngung mit Harnstoff C(NH 2 Für Blatt- aber auch Bodendüngung. AHL Ammonnitrat-Harnstoff-Lösung relativ hoher N-Gehalt Auskristallisationstemperatur: Lösungskälte: je nach Anteil der Mischungspartner um 0 C oder tiefer Auskristallisationstemperatur von N-Düngerlösungen: N-Gehalt in % % - Anteil an Harnstoff Wasser Auskristallisation bei C 32 44,3 35,4 20, ,2 32,7 25, ,8 31,0 30,2 18 ph Anhebung bei der Harnstoff-Hydrolyse C(NH 2 Entzug von H aus der Bodenlösung: Bei Entstehung von HydrogenCarbonat: C(NH 2 H 2H 2 2 HC 3 - (ph ) HC 3- H C 2 ph (H Ionen ) Bei Entstehung von DihydrogenCarbonat: C(NH 2 2H 2H 2 2 C 3 ph H 2 C 3 (ph < 6.3 ) C 2 C 2 -Verbrauch durch Einbau in Biomasse und Ausgasung Page 12

13 Harnstoff-Applikation Problematik ph und NH 3 ph der kg NH 3 -N/ha VLATILIZED SIL SURFACE ph. Kg NH 3 / ha Boden- berfläche Volatiler N Puffer-Kapazität des Bodens: SIL Hoch MI 3-High Buffering Capacity SIL Mittel MI 2-Moderate Buffering Capacity SIL Niedrig MI 1-Low Buffering Capacity TageDAYS nachafter der Ausbringung APPLICATIN(112 kg N/ha) Harnstoff: C(NH 2 ph der Boden- berfläche und Volatilisierung in Abhängigkeit der ph Puffer-Kapazität des Bodens (Ferguson et al. 1984). Einwaschung von Harnstoff Mangelnde Einwaschung des Harnstoffs in den Boden führt zu geringerer Ausnutzung: Simuliert durch Unterfuß-Bewässerung für die ersten 10 Tage nach der Düngung nachhaltiger Effekt: N-Aufnahme nach Düngung mit Harnstoff bei unterschiedlicher Bewässerung: Aufwuchs von Weidelgras BASF apparente N Ausnutzung = N Aufnahme / Düngermenge Page 13

14 N Dünger-Lösungen Wasserfreies Ammoniak (82 % N): Problem: hoher technischer Aufwand: cm tief in Boden einbringen, Unterfuß-Düngung Im Drillstrang Anstieg des ph-wertes um 2 Einheiten Anorganische N-Düngersalze leicht wasserlöslich erhöhen rasch N-Gehalt der Bodenlösung ungünstige Stoßwirkung Abhilfe: Geteilte Gaben langsam wirkende organische N-Dünger Dünger auf Basis von Harnstoff und Aldehyden Z.B.: Ureaform Gemisch aus Monomethylen-di-Harnstoff Dimethylen-triharnstoff und Trimethylen-tetraharnstoff N-Gehalt etwas über 40 % Harnstoff-Aldehyd-Dünger Generell: wenig wasserlöslich, aber mikrobiologisch schneller Abbau Hydrolytische Spaltung abh. von Bodenfeuchte Bodentemperatur parallel zum Pflanzenwachstum Ausserdem geringere Stosswirkung Vorteil hoher Preis Nachteil. Einsatz Zierpflanzenbau (Containerpflanzen), Rasen. IsobutylidenDiharnstoff: IsobutyrAldehyd und 2 x Harnstoff: 32 % N Vorteil: N wird über ca. 3-4 Monate freigesetzt: Page 14

15 CrotonylidenDiHarnstoff aus Crotonaldehyd und Harnstoff (32,5 % N). Vorteil: N wird über ca. 3-4 Monate freigesetzt 2 Moleküle Harnstoff 1 Molekül Crotonaldehyd = zyklisches Molekül: Langsamwirkende N-Dünger SCU = S ummantelte Dünger (meist Harnstoff) und smocots = Düngerkorn mit Kunststoff ummantelt Page 15

16 Verzögerung der N-Düngewirkung Urease-Inhibitoren: Z.B.: NBPT [N-(n-Butyl) Thio-Phosphor-Triamid] Phosphorsäure-Diamide verhindern Harnstoff-hydrolyse N -Stabilisatoren und Nitrifikationshemmer hemmen für gewisse Zeit die Umwandlung von in im Boden reduzieren die Anzahl der Düngergaben verringern die - Auswaschung Z.B.: DCD (Dicyandiamid = Didin ) DCDAmmoniumthiosulfat DCD3-Methylpyrazol bzw. 3,4-Dimethylpyrazolphosphat Ammonium-stabilisierte Dünger Einsatz von N -Stabilisatoren und Nitrifikationshemmern: NH 3 Pflanzenverfügbarer N Harnstoff- Hydrolyse Nitrifikationshemmer Z.B. DiDiN N 2 Harnstoff 1 Tag (20 C) 4 Tage (2 C) H 2 Urease Tage - - Page 16

17 C : N Verhältnis = in Böden relativ konstant in bewirtschaft. Böden 10:1 bis 12:1 in Pflanzenmaterial Leguminosen 20:1 Stroh 90:1 Zerfallsaktivität rganismen & C 2 -Entstehung Zunahme C bzw. - - Level Im Boden Neues - Level im Boden Erntereste mit weitem C/N Verh. eingearbeitet - Depressionsphase Zeit C:N Ratio und Stroh in bewirtschaft. Böden 10:1 bis 12:1 in Pflanzenmaterial Leguminosen 20:1 Stroh 90:1 - Level Im Boden Page 17

18 Saure Wirkung von N Düngern MDELL: Ca: allg. adsorbierende Komplexe im Boden mit austauschbaren Basen Unlösliche Anionen in Kombination mit austauschbarer Form -- Ca Def.: kann nur mit 1 Ca kombinieren ( S 4 H 2 : Säuren (z.b. H 2 S 4 ) Dissoziation H 2 S 4 H HS 4 2H S 2 4 ( S 4 zum Austauschkomplex S 4 = kombiniert mit Base vom Austauschkomplex -- Von Betrachtung ausgeklammert: Verluste von N als NH 3 reduzieren theoretisch die Nitrifikation auch: H Konz. N Verluste via Denitrifikation hinterlassen einen alkalischen Rest ( H - ) Saure Wirkung von N Düngern - - Ca ( S 2 CaS Nitrifikation 2H 2H Ca Ca( H 2 = Z.B.: H 2 S 4 H HS 4 2H S 4 2 Page 18

19 Versauernde Wirkung Reaktion von N Düngemitteln im Boden (Westerman, 1985) 1. Ammonium-Sulfat a. ( S 4 Ca CaS 4 ( b. ( 4 2 Nitrifikation 2H 2H 2 c. 2H Ca Ca( result. Azidität = 4H /mol ( S 4 2. Ammonium-Nitrat a. 2 Ca Ca( ( b. ( 4 2 Nitrifikation 2H 2H 2 c. 2H Ca Ca( result. Azidität = 2H /mol 3. Harnstoff a. C(NH 2 2H 2 ( C 3 b. ( C 3 Ca ( CaC 3 c. ( 4 2 Nitrifikation 2H 2H 2 d. 2H Ca Ca( e. H 2 CaC 3 Neutralisierung Ca C 2 result. Azidität = 2H /mol C(NH 2 (2. Ammonium-Nitrat: resultierende Acidität = 4 / 2 =2, da mit 2 Mol gerechnet wurden) Versauernde Wirkung 4. Entwässerter Ammoniak a. 2NH 3 2H 2 2 H b. 2 H Ca Ca(H ( c. ( 4 2 Nitrifikation 2H 2H 2 d. 2H Ca Ca( e. H 2 Ca(H Neutralisierung Ca 2H 2 result. Azidität = 1H /mol NH 3 5. Wässiger Ammoniak a. 2 H Ca Ca(H ( b. ( 4 2 Nitrifikation 2H 2H 2 c. 2H Ca Ca( d. H 2 Ca(H Neutralisation Ca 2H 2 result. Azidität = 1H /mol H 6. Ammonium-Phosphat a. 2 H 2 P 4 Ca Ca(H 2 P 4 ( b. ( 4 2 Nitrifikation 2H 2H 2 c. 2H Ca Ca( result. Azidität = 2H /mol H 2 P 4 Reaktion von N Düngemitteln im Boden (Westerman, 1985) Page 19