Biogasgülle als aufgewerteter Wirtschaftsdünger für den landwirtschaftlichen Betrieb

Transkript

1 Kurzfassung Biogasgülle als aufgewerteter Wirtschaftsdünger für den landwirtschaftlichen Betrieb Dr. Harald Schaaf LUFA Kassel Am Versuchsfeld Kassel Tel.: Fax.: In drei thematischen Schwerpunkten werden düngungs- und schadstoffrelevante Fragen bearbeitet. Im ersten Abschnitt werden die vergleichenden Untersuchungen der LUFA Kassel über Wirtschafts- und Sekundärrohstoffdünger zu anwendungsbegrenzenden Nährstoffen und Schwermetallen vorgestellt. Dabei werden auf der Grundlage einer kombinierten mineralischen und organischen Düngung bedarfsgerechte und umweltverträgliche Anwendungsstufen definiert und die hieraus resultierenden Schwermetallfrachten genannt. In einem zweiten Abschnitt wird über einen Modellversuch (Betonkastenanlage; 1m 3 Boden/Versuchsglied) des Hessischen Dienstleistungszentrums für Landwirtschaft, Gartenbau und Naturschutz (HDLGN) berichtet, in der u.a. über die Ertragswirksamkeit von bedarfsgerechten Gaben organischer Dünger im dreijährigen Wechsel im Vergleich zu niedrigen jährlichen Gaben berichtet wird. In einem dritten Abschnitt werden Literaturdaten über veränderte Stoffeigenschaften von Biogasgülle im Vergleich zu Rohgülle und ihre Relevanz für eine Verwertung von Biogasgülle im Pflanzenbau beschrieben. 1. Einleitung Im Nachgang zu den Beschlüssen der Agrar- und Umweltministerkonferenz in Potsdam am hat sich das Bundesland Hessen in einem Antrag bzgl. der Entschließung des Bundesrates für ein Verbot der Klärschlammaufbringung auf landwirtschaftlichen Flächen (BR- Drucksache 226/01) zur Thematik der Wirtschaftsdünger wie folgt inhaltlich positioniert: In einem intregralen und agrikulturchemisch begründeten Ansatz sind an die Ausbringung von Wirtschaftsdüngern grundsätzlich die gleichen Maßstäbe anzulegen wie bei Sekundärrohstoffdüngern (im weiteren: Serodünger). Bei der Bewertung der Risiken durch betriebseigene Dünger ist jedoch zu beachten, - dass Teilmengen der Stofffrachten lediglich im betrieblichen Kreislauf geführt werden - dass der außerbetriebliche Schadstoffinput vorwiegend über Zukauffuttermittel, Tierarzneimittel und Stalleinrichtungen erfolgt. Insofern bestehen bei der Verwertung ausschließlich betriebseigener Wirtschaftsdünger gegenüber der Verwertung von Sero- und Mineraldüngern Besonderheiten, die zu berücksichtigen sind. Alle erforderlichen Maßnahmen müssen an den bekannten Eintragspfaden für Schadstoffe ansetzen. Schadstoffanforderungen an die Verwertung betriebseigener Wirtschaftsdünger sind allerdings kritisch zu sehen, da dies sowohl Nachweispflichten für die Betriebe nach sich ziehen als auch für die für den Vollzug des Düngemittelrechts zuständigen Behörden einen erheblichen Mehraufwand erfordern würde. Diese Grundsätze können jedoch nicht gelten, wenn entsorgungspflichtige Materialien in landwirtschaftliche Betriebskreisläufe eingeschleust werden. Grundsätzlich sollte jedoch vorzüglich eine Problemlösung über den Beratungsansatz herbeigeführt werden.

2 2. Vergleichende Untersuchungen von Wirtschafts- und Sekundärrohstoffdüngern Schaaf und Janßen (2000) haben aus den laufenden Untersuchungsreihen der LUFA Kassel der Untersuchungsjahre Rinder- und Schweinegüllen, 232 Klärschlämme und 182 Bioabfallkomposte ausgewertet und die Schwermetallgehalte in verschiedenen Percentilen ermittelt. Sie verweisen in ihrer Publikation darauf, dass die Festlegung von Schwermetallgrenzwerten in organischen Abfällen nicht mit dem Querverweis auf die Schwermetallgehalte in betriebseigenen Wirtschaftsdüngern begründet werden kann. Vielmehr entspricht ausschließlich eine Bewertung der Schmermetallzufuhren nach dem Konzept der Nährstoffnormierung dem wissenschaftlichen Erkenntnisstand. Die Bewertung von Schadstoffzufuhren muss nach den Grundsätzen des integrierten Pflanzenbaus vor dem Hintergrund einer kombinierten organischen und mineralischen Düngung erfolgen. Nach Ebertseder (1995) sollte die Lieferung an Gesamtstickstoff aus organischer Düngung auf 130 kg N/ha und Jahr begrenzt werden, weil i.b. nach schlechter N-Ausnutzung nur so eine N- Akkumulation im Boden mittelfristig vermieden werden kann. Andererseits wird die nach Nährstoffbilanz mögliche zusätzliche mineralische N-Düngung im Sinne der Feinsteuerung der Bestände damit erst ermöglicht und so ein angemessenes Ertragsniveau mit großer Wahrscheinlichkeit realisiert (s. auch Kapitel 2). Für optimal versorgte Böden (Gehaltsklasse C, Bodenuntersuchung) ist weiterhin eine P-Düngung von 25 kg/ha P im Mittel der Fruchtfolgen bedarfsgerecht. In Tabelle 1 werden die durchschnittlichen Gehalte an Wertstoffen und hieraus resultierend in Tabelle 2 die Anwendungsstufen in t Originalsubstanz pro ha genannt. In Tabelle 3 werden die durchschnittlichen Schwermetallgehalte von Rinder- und Schweinegülle sowie von Klärschlamm und Biokompost beschrieben. Klärschlamm weist danach grundsätzlich relativ die höchsten Schwermetallgehalte auf. Biokompost ist mit deutlicher Abstufung geringer belastet. Rindergülle weist die geringsten Schwermetallgehalte auf. Mit Ausnahme von Kupfer (Cu) und Zink (Zn) gilt dies auch für Schweinegülle. Damit zeigt sich, dass Wirtschaftsdünger eine grundsätzlich geringere Schwermetallbelastung aufweisen als Serodünger. In ihren Cu- und Zn-Gehalten ist Schweinegülle jedoch mit Klärschlamm vergleichbar. In Tabelle 4 wird ergänzend gezeigt, dass 35-40% der Schweinegüllen die Grenzwerte der BioAbfV (1998) einhalten. Die beschriebenen höheren Cu- und Zn-Konzentrationen betreffen ca. 60% der Schweinegüllen. In der Routineanalytik von Schweinemisten und Schweinegüllen zeigt sich, dass Wirtschaftsdünger von Mastbetrieben i. Vgl. zu Betrieben mit Ferkel- und Sauenhaltung in der Regel geringere Cu- und Zn-Gehalte aufweisen. Tabelle 1: Nährstoffgehalte verschiedener organischer Düngemittel. Angaben in % TM. Untersuchungsreihen der LUFA Kassel (zit. nach Schaaf und Janßen, 2000) Rindergülle Schweinegülle Klärschlamm Biokompost (nass) TM 10,1 7,78 5,04 65,0 Gesamt-N 4,16 7,20 3,57 1,46 Gesamt-P 0,71 2,19 1,46 0,28 Tabelle 2: Bedarfsgerechte Anwendung organischer Düngemittel in t Originalsubstanz pro ha und Jahr nach den Kriterien einer kombinierten organischen und mineralischen Düngung (zit. nach Schaaf und Janßen, 2000) Kalibrationsparameter Rindergülle Schweinegülle Klärschlamm Biokompost (nass) (a) Stickstoff (130 kg N) (b) Phosphor (25 kg P)

3 Auf Basis einer Begrenzung der P-Zufuhr von 25 kg/ha und Jahr werden die Schwermetallzufuhren durch Wirtschafts- und Serodünger in g/ha und Jahr ermittelt. Grundlage der Berechnungen sind die Medianwerte der Schwermetallgehalte in organischen Düngemitteln (vgl. Tabelle 3) sowie die in Tabelle 2 genannten Anwendungsstufen. Die Schwermetallfrachten werden relativ zu den Grenzfrachten gemäß BioAbfV (1998) ausgedrückt. Dabei zeigt sich, dass diese Grenzfrachten von Wirtschaftsdüngern nur zu max. 25% ausgeschöpft werden. Die maximale Ausschöpfungsrate bei Klärschlamm beträgt ca. 55% und bei Bioabfallkompost ca. 70%. Damit wird klar, dass die Verwertung von Bioabfallkompost selbst unter der Voraussetzung einer bedarfsgerechten Anwendung von besten Qualitäten zu relativ höheren Schwermetallzufuhren beiträgt. Im Vergleich hierzu ist die mit Wirtschaftsdünger auf bewirtschaftete Einheiten ausgebrachte Schwermetallfracht zu vernachlässigen. Vor diesem Hintergrund erweist sich ein Nachweis- bzw. Lieferscheinverfahren für wirtschaftseigene Rohund Biogasgülle als überflüssig. Tabelle 3: Vergleich der Schwermetallgehalte (= Medianwerte) von Rinder- und Schweinegülle, Klärschlamm und Kompost. Untersuchungsreihe der LUFA Kassel (n = 668). Angaben in mg/kg TM Schwermetall Rindergülle Schweinegülle Klärschlamm (nass) Bioabfallkompost Blei (Pb) 2,64 3,09 99,0 65,0 Cadmium (Cd) 0,27 0,32 1,58 0,60 Chrom (Cr) 3,66 5,07 71,0 30,0 Kupfer (Cu) 29, ,0 Nickel (Ni) 4,45 7,87 38,0 25,0 Quecksilber (Hg) 0,02 0,02 1,01 0,01 Zink (Zn) 10, Tabelle 4: Kupfer- und Zinkgehalte von Schweinegülle. Untersuchungsreihe der LUFA Kassel Angaben in mg/kg TM Parameter 25. Perc. 30. Perc. 35. Perc. 40. Perc. 50. Perc. Kupfer (Cu) 45,1 46,9 62,7 99,5 174 Zink (Zn) Anmerkung: Grenzwerte BioAbfV Cu 100 mg/kg TM; Zn 400 mg/kg TM

4 Prozent Grenzfracht Rindergülle Schweinegülle Klärschlamm Biokompost Pb Cd Cr Ni Cu Zn Hg Abbildung 1: Vergleich der Schwermetallfrachten (Medianwerte) von Wirtschaftsdüngern und Sekundärrohstoffdüngern bei einheitlichen Nährstoffgaben von 25 kg/ha P (= 57 kg/ha P 2 O 5 ), Ausschöpfung der Grenzfrachten der BioAbfV (= 100%) (zit. nach Schaaf und Janßen, 2000) 3. Ertragswirksamkeit verschiedener organischer Dünger In der Gefäßversuchsstation der damaligen Hessischen Landwirtschaftlichen Versuchsanstalt (HLVA) wurde 1994 in einer Betonkastenanlage (ein Versuchsglied 1m 3 Boden - Bodensubstrat Löß-Harleshausen) ein Modellversuch zur Nährstoffwirkung verschiedener organischer Düngemittel im Vergleich zu einer ausschließlich mineralischen N-Düngung angelegt. Die Prüfung der organischen Düngemittel erfolgte im Rahmen einer dreifeldrigen Fruchtfolge bestehend aus Zuckerrüben (ZR), Winterweizen (WW) und Hafer (Ha) bzw. Wintergerste (WG). Der Versuch befindet sich nunmehr in der 3. Fruchtfolgerotation. Die Anwendung der organischen Dünger erfolgte sowohl im dreijährigen Wechsel als auch jährlich. In den ersten beiden Rotationen wurden Gaben verabreicht, die sich an praxisüblichen Anwendungsstufen für Wirtschaftsdünger bzw. abfallrechtlichen Anwendungsobergrenzen orientierten. Ab der 3. Rotation werden einheitlich mineralisch und organisch 200 kg N/ha alle 3 Jahre bzw. 67 kg N/ha jedes Jahr verabreicht. Im Versuch werden zwei ungedüngte Varianten mit/ohne Erntereste verglichen. Im Vergleich zu optimaler mineralischer N-Düngung (N 100%) werden als weitere N- Stufen N 50% und N 150% (im letzteren Fall mit/ohne Erntereste) verglichen. Bei den wirtschaftseigenen Düngemitteln kommen Rinder-, Schweine- und Hühnermist sowie Rinderund Schweinegülle sowohl im dreijährigen Wechsel als auch jährlich zur Anwendung. Von den Serodüngern werden jährlich und im dreijährigen Wechsel Grüngut- und Bioabfallkompost, Nass- und Trockenklärschlamm geprüft. In Abbildung 2 werden nach einer Anwendung im dreijährigen Wechsel die Relativerträge in der Direktwirkung von Rinder- und Schweinemist bzw. -gülle, von Bioabfallkompost sowie Nass- und Trockenklärschlamm gegen eine ungedüngte Kontrolle bzw. optimale mineralische Düngung zur Versuchsfrucht Zuckerrüben verglichen.

5 Legende: RIMI (Rindermist); MiSw (Schweinemist), GüRi (Rindergülle), GüSw (Schweinegülle), BAK (Bioabfallkompost), KSn (Nassklärschlamm), KStr (Trockenklärschlamm), MW = Mittelwert Abbildung 2: Düngungsversuch Kassel-Harleshausen (Betonkastenanlage). Vergleich der Ertrags wirksamkeit (Relativerträge) verschiedener organischer Dünger, Anwendung alle 3 Jahre zu Beginn einer Fruchtfolgerotation (Zuckerrüben, Winterweizen, Hafer bzw. Wintergerste). Direktwirkung zu Zuckerrüben, Bezugsgröße: bereinigter Zuckerertrag) Abbildung 2 ist zu entnehmen, dass relativ zur ungedüngten Variante No die Anwendung aller organischen Dünger zu Mehrerträgen geführt hat. Im Vergleich zum Relativertrag bei optimaler mineralischen N-Düngung traten indes nur nach Schweinemist-, Schweinegülle- und Nassklärschlammapplikation in der Direktwirkung Mehrerträge >100% auf. Damit erweisen sich gerade die genannten Dünger als besonders ertragswirksam. Die geringsten Ertragszuwächse waren nach der Applikation von Bioabfallkompost festzustellen. Die Ertragswirksamkeit von Anwendungen organischer Dünger im dreijährigen Wechsel nimmt in einer dreifeldrigen Fruchtfolge von der ersten Nachwirkung hin zur abtragenden Frucht erwartungsgemäß deutlich ab. Doch auch in der ersten Nachwirkung zu Winterweizen schneidet Schweinegülle am besten ab. Diese Experimente sind als Ergänzung zu entsprechenden langjährigen Felddauerversuchen zu verstehen. So hat v. Boguslawski (1981) über einen in den 50er Jahren angelegten Felddauerversuch berichtet, in dem er neben einer klassischen Stallmistanwendung von 300

6 dt/ha alle 3 Jahre niedrige jährliche Stallmistgaben verabreichte. Hierdurch war gerade im dritten Fruchtfolgeglied eine höhere Wirksamkeit des verabreichten organischen Düngers nachweisbar. Dem gleichen Versuchskonzept ist auch der Versuchsplan des vorliegenden Betonkastenversuchs gefolgt. In Abbildung 3 wird über die Ertragswirkung kleiner jährlicher Gaben auf die Getreideerträge berichtet. Es handelt sich jeweils um das zweite bzw. dritte Fruchtfolgeglied in einer dreifeldrigen Fruchtfolge. Legende: Optimale Düngung zu Wintergerste und Hafer = 120 kgn/ha, zu Weizen 160 kgn/ha, siehe auch Abbildung 2 Abbildung 3: Düngungsversuch Kassel-Harleshausen (Betonkastenanlage). Vergleich der Ertrags-wirksamkeit (Relativerträge) verschiedener organischer Dünger, Anwendung jedes Jahr im Rahmen einer dreifeldrigen Fruchtfolge. Getreidejahre Abbildung 3 ist zu entnehmen, dass die Relativerträge bei optimaler mineralischer N-Düngung durch Variante mit organischer Düngung überschritten wurde. Insbesondere durch Schweinegülle und Nassklärschlamm werden jedoch im Vergleich zur Kontrolle (= N 0 ) deutliche Mehrerträge erzielt. Somit eignet sich unter Berücksichtigung eines im weiteren beabsichtigten Einsatzes im Pflanzenbau insbesondere Schweinegülle zur Vergärung. In jedem Fall sollte Schweinegülle im Falle einer Mischung mit anderen organischen Düngern bei der Vergärung nicht fehlen. 4. Biogasgülle - aufgewerteter Wirtschaftsdünger

7 Über den Wert von Wirtschaftsdüngern bezüglich der Erhöhung bzw. Stabilisierung von Erträgen und auch zur Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit wurde vielfach berichtet. In den Kapiteln 2 und 3 wurden dem Konzept einer ganzheitlichen Bewertung folgend ökologische und pflanzenbauliche Fragestellungen mit positivem Tenor beantwortet. Dass durch den Einsatz organischer Dünger im Pflanzenbau mineralische Düngemittel eingespart und damit zur Ressourcenschonung beigetragen wird ist unstrittig. Für Biogasgüllen stellen sich im Vergleich zu Rohgüllen die folgenden Fragen: - Haben sich die Kohlenstoff- und Stickstoffanteile verändert? - Wie ist die Nährstoffausnutzung und damit die Gefahr einer Auswaschung aus der durchwurzelbaren Bodenschicht zu bewerten? - Gibt es erhöhte Emissionen klimarelevanter Spurengase? - Welche Maßnahmen sind insgesamt bzgl. der beabsichtigten umweltverträglichen Verwertung zu ergreifen? Die Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft (Jäckel et al, 2001) konnte in einem Gefäßversuch mit Raps feststellen, dass im Vergleich zu Rohgülle die Ertragswirksamkeit von Biogasgülle erhöht ist. Die Trockenmasseerträge der Prüfglieder mit ausschließlicher Mineraldüngung konnten jedoch nicht erreicht werden. Die Ergebnisse wurden bei einer ergänzenden Aufdüngung sowohl von 0,5 g NH 4 NO 3 als auch 1,0 g NH 4 NO 3 je Gefäß erzielt und gelten für diesen Versuch als signifikant nachgewiesen. Aus diesem Versuchsergebnis folgt zwingend, dass aufgrund des stofflichen Abbaus von bis zu 60% des Ausgangssubstrates der Kohlenstoffgehalt abgenommen und sich damit zumindest ein engeres C/N-Verhältnis eingestellt hat. Die folgende Abbildung 4 zeigt zusätzlich, dass im Ergebnis dänischer Erhebungsuntersuchungen von drei verschiedenen Biogasbetrieben die Ammoniakemissionen im Vergleich zu unvergorener Gülle zunehmen. Damit liegt indirekt der experimentelle Beweis vor, dass durch die Vergärung die Ammoniumgehalte über den Abbau und die Mineralisation des organisch gebundenen Stickstoffs ansteigen. Biogasgülle weist im Vergleich zur Rohgülle einen höheren Anteil von unmittelbar verfügbarem Ammoniumstickstoff auf, wodurch sich zusätzliche Einsparungspotentiale für mineralische N-Düngemittel erschließen (Jäckel et al., 2001). Weiterhin wird festgestellt, dass die Trockensubstanzgehalte von vergorener Gülle deutlich niedriger sind, wodurch deren Fließeigenschaften verbessert werden (Lutzenberger, 2001). Biogasgülle weist zusätzlich eine gleichmäßigere Struktur und eine geringere Teilchengröße auf, wodurch sich ihre Fließeigenschaften verändern. Dadurch wird zum einen eine bessere Infiltration in den Boden sowie eine geringere Verätzungsgefahr bei Kopfdüngung ermöglicht. Bedingt durch die höheren Ammonium-N-Gehalte von Biogasgülle steigt die unmittelbare N- Düngewirkung und N-Ausnutzung von Kulturpflanzen an. Umgekehrt nimmt aber auch die Auswaschungsgefahr aus der Wurzelzone zu, wenn Biogasgülle unmittelbar vor der Sickerperiode auf unbewachsenen Boden ausgebracht wird. In Wasserschutzgebieten gehört eine ausschließliche Gülleapplikation zu winterannuellen Kulturen mit einem messbaren N- Aneignungsvermögen ohnehin zur fachlichen Grundforderung. Ansonsten entspricht die Gülleapplikation im Herbst ausschließlich in Verbindung mit Zwischenfruchtbau der guten fachlichen Praxis im allgemeinen und der grundwasserschutzorientierten Anwendung im besonderen. Der ph-wert der Biogasgülle steigt an, wodurch sich die Möglichkeit einer erhöhten Ammoniakausgasung bei einer unsachgemäßen Behandlung bzw. Anwendung ergibt. Dies wird auch in Abbildung 4 durch Ergebnisse dänischer Erhebungsuntersuchungen bestätigt. So konnten die erhöhten Ammoniakemissionen erst durch Schwimmschichten in den Güllelagerstätten deutlich vermindert werden. Bei Kohlendioxid und Lachgas wird bereits durch die Vergärung eine Verminderung der Emissionen festgestellt, die jedoch durch

8 Schwimmschicht im Güllelager weiter vermindert wird. Uneinheitlich ist das Bild bei den Methanemissionen. Die z.t. festgestellte Erhöhung der Methanemission in Biogasgülle ohne Schwimmschicht ist möglicherweise darauf zurückzuführen, dass die Proben unmittelbar an der Gülleeinlassstelle gezogen und mithin auf die kontinuierliche Zufuhr frisch vergorener Gülle zurückzuführen ist. Außerdem kann bei Biogasgülle eine Nachgärung mit zusätzlicher Methanbildung nicht ausgeschlossen werden. Abbildung 4: Emissionen von Biogasgülle im relativen Verhältnis zu Rohgülle (= 0%). Mittelwerte dänischer Erhebungsuntersuchungen aus drei verschiedenen Landwirtschaftsbetrieben (zit. nach Jäckel et al., 2001) 5. Schlußfolgerungen Biogasgülle ist für den integrierten Pflanzenbau wegen seiner höheren Gehalte an unmittelbar verfügbarem Ammonium-Stickstoff interessant. Hierdurch kann der Bedarf an Mineraldüngerstickstoff weiter reduziert werden. Durch die Anhebung des ph-wertes steigt jedoch die Gefahr einer erhöhten Ammomiakausgasung bei unsachgemäßer Lagerung bzw. nach unsachgemäßer Anwendung. Die auch im Glührückstand vorliegenden Nährstoffe Phosphor, Kalium, Calcium und Magnesium werden durch die Vergärung gegenüber Rohgülle nicht verändert. Wegen der Möglichkeit der Emission spurenrelevanter Klimagase müssen die Endlager zwingend mit einem Foliendach oder einer Schwimmschicht abgedeckt werden. Dabei sind im letzteren Fall dickere Schwimmschichten vorzuziehen. Die Möglichkeit einer Ammoniakentgasung macht es zwingend erforderlich, dass bei der Anwendung im Pflanzenbau bodennahe Ausbringungsverfahren bzw. Injektionsdrill durchzuführen sind und die einschlägigen Vorschriften der Düngeverordnung (1997) sowie ihrer Ausführungsbestimmungen einschließlich des Verbots der Ausbringung in der Sickerungsperiode genau zu beachten sind. 6. Literatur

9 BMELF (1997): Die neue Düngeverordnung. Verordnungstext. Erläuterungen. Bestell-Nr /96 BMU (1998): Verordnung über die Verwertung von Bioabfällen auf landwirtschaftlich, forstwirtschaftlich und gärtnerisch genutzten Böden (Bioabfallverordnung - BioAbfV). Bundesgesetzblatt Teil I/65 vom , S. 2955ff. Boguslawski, E. v. (1981): Ackerbau. Grundlagen der Pflanzenproduktion. DLG-Verlag, Frankfurt/Main Lutzenberger, J. A. (2001): Biogasgülle: Dünger und Pflanzenschutzmittel vom eigenen Hof. Fachververband Biogas. Öffentliche Mitteilung Jäckel, K., U. Wanka und E. Albert (2001): So nutzen Sie die Vorteile der Biogasgülle. Top agrar extra S Schaaf, H. und E. Janßen (2000): Schwermetallgehalte von Wirtschafts- und Sekundärrohstoffdüngern sowie Schwermetallfrachten bei Anwendung nach den anerkannten Regeln der guten fachlichen Praxis. VDLUFA-Schriftenreihe H. 55 Teil VI, S