Formen der N-Stabilisierung Wirkung, Wirtschaftlichkeit und praktische Anwendung Michael Fuchs, SKW Stickstoffwerke Piesteritz GmbH
Effizientere N-Düngemittel Stabilisierungsmöglichkeiten Umhüllung Chemische Struktur (Langkettige N- Verbindungen) Nitrifikationsinhibitoren Ureaseinhibitoren 2
Idealbild der Nährstoffbereitstellung 250 Nährstoffbereitstellung aus dem Dünger Pflanzenaufnahme 3
1. N-Gabe 2. N-Gabe 3. N-Gabe Anpassung an den N-Bedarf durch Mehrfachgaben 250 Pflanzenaufnahme 4
N-Verluste und -Verfügbarkeitsprobleme Winter Denitrifikation N 2 NO x N 2 O N-Düngung mineralisch organisch NH 3 org. Dünger Sommer Mineralisation NO 3 - Schlechte Befahrbarkeit Verfügbarkeitspobleme Verlagerung Wassersättigung im Boden Michael Fuchs, SKW-Fachtagungen Düngung 2012/13 5
Strategien zur Erhöhung der N-Dünger-Effizienz verbesserte Anwendung Ausbringtechnik Alle Düngemittel kein Privileg des Nitrates Bedarfsermittlung Precision Farming Platzierte Düngung effiziente Düngemittel Langsame Freisetz. Umhüllung hpts. Harnstoff bzw. Ammonium Ureaseinhibitoren Nitrifikationsinh. 6
N-Umsetzung im Boden und Verlustrisiken Ammoniakverluste Lachgas- und Denitrifikations -verluste Ha NH 4 + NO 3 - Hydrolyse Max. 4 Tage ( 2 0 C) < 1 Tag (20 0 C) Nitrifikation 6 Wochen ( 5 0 C) 1 Woche (20 0 C) Nitrat 7
Effizientere N-Düngemittel Stabilisierungsmöglichkeiten Umhüllung Chemische Struktur (Langkettige N- Verbindungen) Nitrifikationsinhibitoren Ureaseinhibitoren 8
Umhüllte Dünger Polymerhülle Wachse Schwefel Ha NH 4 NO 3 3-9 Monate 9
Mechanismus Nährstoff-Freisetzung Schwefelumhüllung Polymerumhüllte Dünger 10
Nitrat-N-Auswaschung (mg N / Gefäß) Umhüllte Dünger - Nitratauswaschung Gefäßversuch Nitrat-N-Auswaschung (mg N/Gefäß) Simulation Starkniederschlag 21 Tage nach Düngerapplikation a 200 187 180 A Mais 160 152 Weidelgras 140 b 120 B 113 100 92 80 BC 61 60 c 40 D 15 c 20 20 2 0 ohne N NPK Plantacote OSMOCOTE Signifikanzen Newman-Keuls-Test 11
Trockenmasseertrag (g TM/pot) Umhüllte Dünger - Ertragsbildung Gefäßversuch Ertrag (g Trockenmasse/Gefäß) Einjährigem Weidelgras 25 1. Schnitt a 20 15 2. Schnitt 3. Schnitt 4. Schnitt 5. Schnitt gesamt c b 10 d 5 0 ohne N NPK Plantacote OSMOCOTE Signifikanzen Newman-Keuls-Test 12
Einsatz von controlled-release-düngern 2005 USA West-Europa Japan 31% Sonderkulturen landwirtschaftliche Kulturen Gartenmarkt Quelle: Fertilizer International 455/ July-August 2013 insgesamt < 1 % des Weltdüngermarktes davon 70 % USA 19 % West-Europa 11 % Japan 13
Effizientere N-Düngemittel Stabilisierungsmöglichkeiten Umhüllung Chemische Struktur (Langkettige N- Verbindungen) Nitrifikationsinhibitoren Ureaseinhibitoren 14
Langzeitdünger Ha NH 4 NO 3 15
Langzeitdünger + umhüllte Dünger zu teuer bei 200 kg/ha N = 3.400 /ha Quelle: www.allianz-arena.de/de/bilder/bilderarchiv/?f=20140708_1726 16
Effizientere N-Düngemittel Umhüllung Chemische Struktur (Langkettige N- Verbindungen) Nitrifikationsinhibitoren Ureaseinhibitoren Stabilisierungsmöglichkeiten 17
mg N pro 100 g Boden HS-Umsetzung unter verschiedenen Temperaturen Applikation von 10 mg HS-N pro 100 g Boden Cunnersdorf (50 % WKmax) Mittelwerte aus 3 Wiederholungen 12 10 8 6 4 20 C - HS-N 20 C - NH4-N 5 C - HS-N 5 C - NH4-N HS-Abbau (t 50 -Wert): 20 C: 3,9 Stunden 5 C : 9,5 Stunden 2 0 0 6 12 18 24 Stunden nach Applikation 18
Ureaseinhibitoren Ammoniakverluste Ureaseinhibitor Gaben können nicht zusammengelegt werden. Düngungssysteme wie bei traditionellen Düngern sind notwendig, Ha da kaum verzögert NH + 4 Nitrat entsteht NO - 3 Hydrolyse ca. 2 Wochen Nur wenig verzögert wird Ha zu NH 4 + und anschl. zu NO 3 - umgewandelt 19
Kumulative NH 3-N-Freisetzung (mg N/Gefäß) Verminderung NH 3 -Emissionen durch Ureaseinhibitor 23 mg Dünger-N pro 30 g Boden 50 % max. Wasserkapazität 20 C Bodentemperatur Modell-Untersuchungen 14 12 10 8 6 ohne Ureaseinhibitor mit Ureaseinhibitor 4 2 0 2 3 4 7 8 9 11 14 16 Tage nach Dünger-Applikation 20
NH 3 -Verlust rel. NH 3 -Verluste nach Ausbringung verschiedener N-Dünger 15 13 11 9 7 5 3 1-1 -3-5 Applikation zu Winterweizen Düngung 80 kg/ha N - 10-tägige Messperiode, 2000 0,6 0,2 0,1 0,2 NH3-Verlust rel. KAS 1,5 NH3-Verlust rel. HS 5,5 1,4 0,7 Ende März Anfang April Ende April Anfang Juni NS (mm) 10d 41,7 32,3 4,8 9,5 ØT ( C) 10d 5,7 8,0 15,4 18,5 Quelle: TU München/Lehrstuhl für Pflanzenernährung (SCHMIDHALTER, GUTSER, WEBER 2000)
NH 3 /NH 4 + -Verhältnis und ph-wert + Temperatur - - - in wässriger Lösung bei 20 C: bei ph 9,4 50 % NH 3, 50 % NH + 4 bei ph 8 4,0 % NH 3, 96 % NH + 4 bei ph 7 0,4 % NH 3, 99,6 % NH + 4 Quelle: Denmead et al. 1982 22
Temperatur beeinflusst Ureaseaktivität Quelle: Pacholski, 2012 23
War das nicht schön ( warm) in Brasilien? 24
Kornertrag (to/ha) Anwendung UI unter tropischen Bedingungen N-Düngung zu no-till-mais in Brasilien Mittel aus 7 Standorten (Cantarella etal., 2009) 10 9 a b b 8 7 7,1 7,4 7,5 6 5 4 3 Ha Ha + UI AN 25
Ertrag (relativ) Anwendung UI unter mitteleuropäischen Bedingungen N-Düngung zu WiWei, Raps und Mais LAF Cunnersdorf, 2014 110 108 106 WiWei Raps Mais a a a 104 102 100 98 96 101 100 100 100 100 100 128,5 dt/ha 50,6 dt/ha 217 dt/ha TM 99 102 99 94 92 90 Ha Ha + Agrotain KAS 26
N-Formenvergleich Harnstoff-KAS Relativertrag, 353 Versuche 1995-2013, verschiedene Standorte Getreide Raps Mais Kartoffel Zuckerrübe Gesamt Versuchsanzahl 227 47 32 25 22 353 ohne N 66 73 87 79 93 71 PIAGRAN 46 100 100 100 100 100 (91,6 dt/ha) Kornertrag (47,3 dt/ha) Samenertrag (106,7 dt/ha) Kornertrag (432 dt/ha) Knollenertrag (713 dt/ha) Rübenertrag 100 KAS 100 100 98 98 101 100 27
Kornertrag (dt/ha), N-Entzug (kg/ha) Rohprotein (%) Harnstoff gleich KAS: Ertrag und N-Effizienz N-Düngung des Winterweizens Düngerformen im Vergleich (Boese, L., LLFG Sachsen-Anhalt 2003-2006) 180 160 159 12,7 159 12,7 12,7 140 12,7 120 12,7 100 80 60 84,7 84,1 12,6 12,6 12,6 12,6 40 12,6 20 0 KAS Harnstoff 12,6 12,5 Ertrag (dt/ha) N-Entzug (kg N/ha) RP (%) 28
Harnstoff gleich KAS: Ertrag und N-Effizienz 29
N-Umsetzung im Boden und Verlustrisiken Ammoniakverluste Verluste der N- Formen in der Summe gleich Lachgas- und Denitrifikations -verluste Ha NH 4 + NO 3 - Hydrolyse Max. 4 Tage ( 2 0 C) < 1 Tag (20 0 C) Nitrifikation 6 Wochen ( 5 0 C) 1 Woche (20 0 C) Nitrat 30
Zielindikationen zur Emissionsminderung Kyoto-Protokoll 1997 Minderung Emission Treibhausgase um 21 % (2008-2012) im Rahmen EU-Lastenverteilung Zielindikation BRD CH 4-53 % N 2 O - 30 % 1990/2008-2012 NO x - 61 % Reduzierung NH 3 -Emission auf 550 kt/a bis 2010 (-28 %) Internationale Vereinbarungen UN/ECE Protokoll zur Bekämpfung von Versauerung, Eutrophierung und bodennahem Ozon (Göteborger Protokoll 1999) EU-Richtlinie für nationale Emissionshöchstgrenzen (NEC-Richtlinie) SKW Stickstoffwerke Piesteritz GmbH
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2020 NH 3 -Emissionen [kt/a] Politische Vorgaben Ammoniak-Emissionen 700 600 500 574 548 560 545 NEC (2010) 550 kt Kommissionspläne (2030) 400 300 energy industry solvent etc. -40% 200 mineral fertilizer cattle 100 grazing pigs poultry 0 horses other Quelle: in Anlehnung an Döhler, H. 2014, UBA 2014
Fazit Ureaseinhibitoren Ureaseinhibitoren (UI) werden nach DüMV zugelassen UI verlangsamen die N-Umsetzung von Ha zu Ammonium und verminderen dadurch Ammoniakverluste Ammonium wird trotzdem ungebremst zu Nitrat umgesetzt Gabenzusammenfassung wie bei NI nicht möglich Gunstlage Mitteleuropa für Harnstoff (Klima + Böden) Ha und KAS sind in der Ertragswirkung gleich (UI notwendig?) UI wirtschaftlich gerechtfertigt? Forderungen der Politik? Nicht jeder UI ist stabil auf Harnstoff (Wirkstoffverlust) UI der SKW ist stabil auf Harnstoff 04.02.2015 33
Effizientere N-Düngemittel Umhüllung Chemische Struktur (Langkettige N- Verbindungen) Nitrifikationsinhibitoren Ureaseinhibitoren? Stabilisierungsmöglichkeiten 34
Nitrifikationsinhibitoren Lachgas- und Denitrifikations -verluste Nitrifikationsinhibitor Ha NH 4 + NO 3 - Nitrifikation 6 Wo. ( 5 0 C) 10-14 Wochen 1 Wo. (20 0 C) 4-8 Wochen Nitrat 35
Einsatz von NI-stabilisierten N-Düngern Risikominderung: N-Verluste und Witterung 250 Wasserüberschuss zu Vegetationsbeginn Starkregen- Risiko Frühjahrs- und Frühsommertrockenheit traditionelle N-Düngung N G a b e n (kg/ha) 70 60 60 N-stabilisierte Düngung 100 150 (110) 90 (60) + 40 36
N-Dünger auf trockenem Boden (Gerste 15.04.2009) ca. 2 Wochen ohne Niederschlag Dünger bleibt auf der Bodenoberfläche liegen und steht der Pflanze nicht zur Verfügung N-Stabilisierte Düngung senkt diese Risiken durch Gabenzusammenlegung, frühzeitige Düngung und höher pflanzenverfügbare N-Vorräte im Boden
Ertrag/N-Entzug (relativ) ALZON im statischen Dauerversuch Einfluss der Düngung mit ALZON flüssig auf Ertrag und N-Entzug (Mittelwerte statischer Dauerversuch 2 Standorte, 1994-2014, n=34) 110 100 90 Ertrag N-Entzug 100 100 104* 103 97 84 80 70 62 60 50 44 40 ohne N AHL 28 ALZON flüssig (100%) LSD 0,05 rel. = 2,88 (Ertrag), 3,95 (N-Entzug) ALZON flüssig (70%) * signifikant
Relativertrag ALZON im statischen Dauerversuch Nass/kaltes Frühjahr ausgeglichenes Frühjahr Trocken/warmes Frühjahr 140 130 120 110 100 90 80 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 ALZON flüssig (100%) AHL 28 (100%)
Reduktion Nitratauswaschung Lysimeterversuch Bodentyp erodierte Braunerde Nitrifikations- inhibitor ohne mit N-Austrag mit dem Sickerwasser kg N/ha 50,8 30,9 % Minderung 39 Bleichstaugley ohne mit 19,4 9,2 51 Braunerde Parabraunerde ohne mit 33,0 21,3 35 N-Austrag: 97 % Nitrat-N 40
N 2 O-Emissionen (g N ha -1 ) Reduzierung Lachgas-Emissionen (N 2 O) 200 Feldversuch TU München, Weihenstephan 180 160 140 120 Reduktion 112 g N ha -1 = 60 % 100 80 60 40 20 0 Harnstoff Harnstoff ALZON + DCD/TZ 46 Reduzierung der Lachgas-Emissionen durch Nitrifikationsinhibitor um 50 70 % im Mittel zahlreicher Versuche 41
Zulassung von Nitrifikations- (Urease) inhibitoren Für die Zulassung eines Nitrifikationsinhibitors müssen (a) die Wirksamkeit (b) die toxikologische und ökotoxikologische Unbedenklichkeit (c) die Unbedenklichkeit hinsichtlich sonstiger Umwelteffekte des Inhibitors gesichert und belegt sein. Die derzeit in der Praxis verfügbaren Nitrifikationsinhibitoren der SKWP (DCD/TZ und TZ/MP) besitzen sowohl die deutsche als auch die EU-Zulassung. 42
Umweltverhalten der NI Toxikologische Beurteilung Ökotoxikologie und Umweltwirkung Akute Toxizität Akute Hauttoxizität, Haut- & Augenreizung Sensibilisierungstest Akute Inhalationstoxizität Chronische Toxizität Kanzerogenität Multignerationstest Teratogentoxizität / Embryotoxizität Mutagenität Neurotoxizität Kinetik & Metabolismus Fisch- und Algentoxizität Wasserschadstoff-Einstufung Vogeltoxizität Effekte auf Bodenmikroorganismen Effekte auf Bodentiere Austrag von Nitrat-N Nitratgehalt von Kulturpflanzen Phytotoxizität Rückstandsverhalten Metabolismus in Pflanze, Boden, Tier 43
number of individuals (% of untreated soil solution) Umweltverhalten der NI 130 untreated 120 110 100 90 80 treated Laborversuche Bodensuspension 70 60 50 40 30 5.25 ppm MP = 15.75 kg ha -1 20 10 0 konstant 20 C 24 h Einwirkung Proteolyts Cellulolyts nitrifying bacteria N fixing bacteria symbiotic bacteria Aspergillus Fusarium Penicillien Nuccraceen Bodenbakterien Bodenpilze 44 44 44
Umweltverhalten der NI Beispiel: PIADIN (TZ / MP) Lysimeter- und Drainageversuche, Versuche mit 15 N: kein Wirkstoffeintrag in das Grundwasser geringes Verlagerungsverhalten Zitat: Daher ist die intendierte Verwendung von 1H-1,2,4-Triazol als robust sicher anzusehen. Hieraus folgt weiterhin, dass auch die vorgesehene Verwendung des Produktes PIADIN sicher ist. 45 45
Vorteile der N-Stabilisierung NI-stabilisierte N-Dünger Hemmung der Nitrifikation Geringere N-Verluste Ammoniumbetonte Pflanzenernährung Verminderte Verminderte gas- Nitratauswaschung förmige N-Verluste (N 2 O, N 2 ) geringerer N-Eintrag in die Umwelt bedarfsgerechte N-Bereitstellung ph-absenkung Rhizosphäre Bessere P-, Fe-, Mn-, Zn-, Cu-, Si- Verfügbarkeit Angepasstes Pflanzenwachstum Besseres Wurzelwachstum höhere N-Bereitstellung Gabenzusammenfassung flexible Termine Bessere Erträge und N-Effizienz 46
Fazit Nitrifikationsinhibitoren Nitrifikationsinhibitoren (NI) werden nach DüMV zugelassen NI verlangsamen die N-Umsetzung zu Nitrat Neben Ammonium auch stets geringe Mengen an Nitrat verfügbar Nutzung der Eigenschaften des Kations NH 4 + für Pflanzen und Boden N-Effizienz und Erträge werden erhöht N-Verluste vermindert Umstellung der Düngungssysteme Gabenzusammenfassung Flexible Düngungsterme verbessern die Witterungsunabhängigkeit Einschränkende Hinweise: Keine Einzelgaben < 60 kg/ha N (dann Anwendung konventioneller Düngemittel) keine Anwendung bei N-Gesamt bedarf kleiner 60-80 kg/ha N je nach Kultur Unsicherheiten beim Anwender durch anders Erscheinungsbild nach der Düngung visuell selten Vorteilswirkung sichtbar zunächst höherer Beratungsbedarf Anwendungsempfehlungen beachten!!!!! 04.02.2015 47
Effizientere Düngemittel Umhüllung Chemische Struktur (Langkettige N- Verbindungen) Nitrifikationsinhibitoren Ureaseinhibitoren? Stabilisierungsmöglichkeiten 48
Zusammenfassung (1) Mit Langzeitdüngern und umhüllten Düngern ist eine bedarfsgerechte N-Ernährung gut möglich Eingeschränkte Anpassung an schwankenden N-Bedarf Für Landwirtschaftliche Kulturen zu teuer N-Stabilisierung Sammelbegriff für Urease- und Nitrifikationsinhibitoren Erhebliche Unterschiede zwischen UI und NI in Wirkung und Nutzen 49
Zusammenfassung Ureaseinhibitoren Mitteleuropa stellt Gunstlage für Harnstoff dar (Klima und Böden) Keine Ertragsunterschiede der N-Formen UI notwendig???? UI senkt Ammoniakverluste soweit vorhanden UI verbessert N-Effizienz unter außergewöhnlichen Bedingungen Düngungssysteme mit Gabenteilung müssen erhalten bleiben!!!! UI erhöhen den Düngerpreis rechnet sich das??? Fordert die Politik zukünftig die Anwendung von UI????» SKW ist darauf vorbereitet und forscht intensiv an diesen Fragen!!!! 50
Zusammenfassung Nitrifiaktionsinhibitoren NI-stabilisierte Düngungssysteme mit ALZON und PIADIN haben sich durch zahlreiche wirtschaftliche und umweltrelevante Vorteilswirkungen in der Praxis bewährt durch eine ammoniumbetonte, bedarfsgerechte Stickstoffernährung wird die N-Effizienz erhöht und N-Verluste vermindert Gabenzusammenlegung spart Arbeit Flexible Düngungsterme verbessern die Witterungsunabhängigkeit NI-stabilisierte N-Dünger lassen sich mit innovativen Düngetechniken gut kombinieren NI-stabilisierte N-Düngungssysteme bedeuten: Weniger Arbeit - Mehr Ertrag - Umwelt schonen 51
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und viel Erfolg 2015 21. SKW-Feldtag 10. Juni 2015 52