Brauckmann, Hans-Jörg

Broll, Gabriele

Warnecke, Sylvia

German

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   Stickstoffmineralisierung verschiedener Gärreste aus Biogasanlagen Sylvia Warnecke1, Hans-Jörg Brauckmann1, Gabriele Broll1  Schlüsselworte: Gärrest, Biogas,  potentielle N-Mineralisierung  EINFÜHRUNG UND ZIEL Mit den Novellen des Gesetzes für den Vor-rang erneuerbarer Energien (EEG) ab dem Jahr 2004 (EEG 2004) und dem damit ver-bundenen Ausbau der Biogasproduktion auf Basis nachwachsender Rohstoffe (Nawa-Ros) erfährt die Landnutzung in Deutsch-land wesentliche Änderungen. Neben ver-änderten Fruchtfolgen steigt die mit Gär-resten aus NawaRo-Biogasanlagen gedüng-te Fläche stark an. Zum Zweck der Biogas-produktion wurden im Jahr 2008 auf etwa 0,5 Mio ha bzw. ca. 4,3 % der Ackerfläche NawaRos angebaut (FNR 2009). Auf etwa dem Zweifachen dieser Fläche ist mit der Ausbringung von Gärresten aus NawaRo-Biogasanlagen zu rechnen (BRAUCKMANN et al. 2009). Herkömmliche Wirtschaftsdünger wie Gülle und Stallmist (z.B. KLIMANEK 1982) und teil-weise auch Gärreste, die aus der Monofer-mentation von Gülle entstanden sind (z.B. REINHOLD et al. 1991), sind bezüglich der Mineralisierung der organischen Substanz und der damit zusammenhängenden Hu-musbilanz und Stickstoff-Mineralisation gut untersucht. Jedoch gibt es diesbezüglich wenig Erfahrung mit Gärresten aus Nawa-Ro-Biogasanlagen und ihren durch Aufberei-tung (Fest-Flüssig-Separation) erhaltenen Fraktionen. Humusbilanzen und N-Minerali-sation sind jedoch wichtige Parameter in Hinblick auf Pflanzenernährung sowie  Boden- und Gewässerschutz, die zudem Eingang als Inputparameter in komplexe Bodenprozessmodelle finden. Deshalb geht diese Studie der Frage nach, ob sich Gär-reste aus NawaRo-Biogasanlagen und un-vergorene Güllen in der potentiellen Netto-N-Mineralisierung unterscheiden.  MATERIAL UND METHODEN Der für den Versuch verwendete Boden stammt vom Dauerversuchsfeld „Thülsfelde“ des Oldenburg-Ostfriesischen Wasserver-bandes (OOWV) an der Thülsfelder Talsper-re im Landkreis Cloppenburg, West-Nieder-sachsen: Podsol, schwach schluffiger Sand, Ap 0-30 cm, C/N 23 (2,56 % Corg, 0,11 % N), pH (CaCl2) Wert 5,3, Düngungsstufe 150 kg N ha-1 mineralisch, Frucht zum Zeitpunkt der Probennahme Mais. Sichtbare Pflanzen- und Wurzelrückstände wurden entfernt, der Boden auf 2 mm gesiebt und bis zum Ver-suchsbeginn vorinkubiert. Die Wirtschaftsdünger stammen von ver-schiedenen landwirtschaftlichen Betrieben der Region Weser-Ems. Alle ausgewählten Gärreste aus NawaRo-Biogasanlagen sind im Wesentlichen aus der Vergärung der In-putsubstrate Mais und Gülle entstanden und damit typisch für diese Region (Tab. 1). Tab. 1: Inputsubstrate der untersuchten NawaRo-Biogasanlagen (BGA) in Masse-% des Gesamtinputs und die zugehörigen Gärreste (GR) BGAGRSubstratBGA1GR1BGA2 GR2 BGA3GR3GR4BGA4GR5GR5dGR5f [%] [%] [%] [%]Mais 24 20 57 42GPS 6 20 7 -CCM 6 1 - 4Getreide- körner - - - 1Gülle a56 a46 b36 c52Hähnchen-mist 8 12 - 1GPS = Ganzpflanzensilage; CCM = Corn Cob Mix; a Rinder- und Schweinegülle in veränderlichen Anteilen; b Schweinegülle; c 15 % Rinder-, 85 % Schweinegülle Es wurden insgesamt vier unvergorene Gül-len – drei Schweinegüllen (SG1 bis SG3), Tagungsbeitrag zu: Jahrestagung der    DGB, Kom. VI  Titel der Tagung: Böden – eine  endliche Ressource Veranstalter: DBG, September 2009, Bonn Berichte der DBG  (nicht begutachtete online Publikation) http://www.dbges.de  1 Universität Vechta, ISPA, Abteilung für Geo- und  Agrarökologie, swarnecke@ispa.uni-vechta.de  eine Bullengülle (BG) – sowie Gärreste aus vier NawaRo-Biogasanlagen repräsentativ beprobt, in mehrere Aliquote aufgeteilt und bis zum Versuchsbeginn eingefroren. Eines der Aliquote wurde frisch mittels Standard-methoden charakterisiert (Tab. 2). Einer der Gärreste wurde sowohl vor (GR3) als auch nach (GR4) einer Verweilzeit im Gärrestla-ger beprobt. Von einem anderen Gärrest (GR5) wurden zusätzlich zwei durch mecha-nische Separation erhaltene Fraktionen (GR5 dünn = GR5d, GR5 fest = GR5f) ver-wendet. Tab. 2: Beim Ansetzen des Perkolationsversuchs zu-gegebene Mengen von Wirtschaftsdüngern (WD) und deren Zusammensetzung bezogen auf den Trocken-boden (TB) Para- meter  Ge- misch FM  WD  [mg g-1 TB] TS WD  [mg g-1 TB] oTS WD  [mg g-1 TB] Ges.-NWD  [mg g-1 TB] NH4+-NWD  [mg g-1 TB] B - - - - -B+SG1 68,97 5,32 4,16 0,41 0,20B+SG2 74,07 5,17 3,77 0,52 0,20B+SG3 43,57 3,88 2,97 0,33 0,20B+BG 143,88 10,91 9,04 0,55 0,20B+GR1 55,56 4,42 3,41 0,43 0,20B+GR2 48,90 5,54 4,35 0,39 0,20B+GR3 129,03 9,48 7,69 0,63 0,20B+GR4 141,84 9,84 7,86 0,69 0,20B+GR5 47,62 4,59 3,58 0,37 0,20B+GR5d 47,62 2,34 1,55 0,34 0,20B+GR5f 59,88 23,29 20,86 0,60 0,20B = Boden, B+… = Boden + Wirtschaftsdünger Methoden: Ges.-N DIN ISO 11261; NH4+-N DIN EN ISO 11732 (E23); TS (Trockensubstanz) DIN 38414, S 2; oTS (organische Trockensubstanz) DIN 38414, S 3 Das Versuchsdesign entsprach dem aero-ben Inkubations-Perkolationsversuch nach STANFORD & SMITH (1972). Für diese Studie wurde eine Veränderung des Originalver-suchsansatzes, der dem Vergleich der po-tentiellen N-Mineralisierung verschiedener Böden diente, vorgenommen: der Boden wurde mit den verschiedenen Wirtschafts-düngern inkubiert. Hierfür wurde der Boden 1:1 mit geglühtem Quarzsand vermischt. Die verschiedenen Wirtschaftsdünger sind nach ihrem NH4+-N-Gehalt (entsprechend 200 kg NH4+-N ha-1) zugefügt worden. Zum Einstellen des glei-chen Wassergehaltes in allen Boden-Sand-Wirtschaftsdünger-Gemischen wurde entio-nisiertes Wasser hinzu gegeben (Tab. 2). Jeweils 39 g dieses Gemisches sind auf ei-ne Schicht Glaswolle und eine Schicht Sand in die Perkolationsgefäße gefüllt und mit ei-ner Sandschicht bedeckt worden (je 8 Wie-derholungen). Eine Kontrolle enthielt nur das Boden-Sand-Gemisch (B) mit der nötigen zugegebenen Wassermenge. In zuerst 1- bis zuletzt 3-wöchigen Abständen wurden folgende Schritte wiederholt: • Auswaschen des mineralisierten Stickstoffs (Nmin) mit 100 ml 0,01 mol l-1 CaCl2-Lösung pro Gefäß in Einzelgaben von 10-20 ml, Auffangen und Analysieren dieses Perko-lats auf Ammonium-N (NH4+-N), Nitrat-N (NO3--N) und Nitrit-N (NO2--N) (FIA Autoa-nalyzer: FIAmodula MLE GmbH Dresden) • Gabe von 25 ml Nährelementlösung (ohne N), Verwerfen dieses Perkolates • Anlegen eines Unterdruckes von 800 hPa,  • Inkubieren bei 35°C. Auf diese Weise wurde auch am Tag des Ansetzens des Versuches verfahren, um den schon vorhandenen mineralischen Stickstoff auszuwaschen. Dieses Initial-Perkolat wird lt. STANFORD & SMITH (1972) verworfen. Im Folgenden werden die Ergeb-nisse ab der zweiten Perkolation dargestellt.  ERGEBNISSE Abb. 1 zeigt die tägliche potentielle Netto-N-Mineralisierung (NH4+-N + NO3--N = Nmin-N) der Boden-Wirtschaftsdünger-Gemische und des Bodens (B) nach 21 Wochen. Der Bo-den liefert im Durchschnitt 0,30 mg Nmin-N kg-1 Trockenboden (TB) d-1 nach und ist sig-nifikant verschieden von allen anderen Pro-bematerialien. Die täglichen Netto-N-Minera-lisationsraten liegen bei den Boden-unver-gorene-Gülle-Gemischen zwischen 0,52 und 0,98 mg Nmin-N kg-1 TB d-1 und bei den Bo-den-Gärreste-Gemischen zwischen 0,44 und 0,94 mg Nmin-N kg1 TB d-1. Damit liegen vier der fünf Gärreste in dem von den Güllen aufgespannten Wertebereich. Es lassen sich nur wenige signifikante Unterschiede zwi-schen einzelnen Boden-Wirtschaftsdünger-Gemischen feststellen. Ein eindeutiger Un-terschied zwischen unvergorenen Güllen und Gärresten konnte nicht festgestellt wer- Abb. 1: Über die In-kubationsdauer auf-summierte tägliche Netto- N- Mineralisie-rung (Wochen 2 bis 22, NH4+-N + NO3--N) der Boden- Wirt-schaftsdünger- Gemi-sche sowie des Bo-dens. Unterschiedli-che Buchstaben über den Boxplots zeigensignifikant verschie-dene tägliche Netto-N- Mineralisationsra-ten der Vergleichspaa-re (paarweise Mann-Whitney U-Tests,P > 0,05, durchgeführt mit SPSS 16.0; IQR = Interquartil-Abstand). den. Die feste Separationsfraktion (B+GR5f) des einen Gärrestes liegt mit ihrer mittleren täglichen N-Mineralisierung weit unter der Mineralisationsleistung des Bodens. In Abb. 2 sind die Anteile des NH4+-N und NO3--N an der über die Inkubationsdauer aufsummierten täglichen Netto-N-Minerali-sierung dargestellt. Beim Boden entfallen mehr als 90 % des Nmin-N auf die NO3--N-Fraktion. Mit Ausnahme der festen Gärrest-fraktion (B+GR5f) ist auch bei allen Wirt-     Abb. 2: Anteile des NH4+-N und NO3--N an der über die Inkubationsdauer ermittelten täglichen Netto-N-Mineralisierung (Wochen 2 bis 22, NH4+-N + NO3--N, Mittelwerte der Wiederholungen) bezogen auf den Trockenboden (TB).  schaftsdüngern der NO3--N-Anteil am Nmin-N am höchsten (mit Werten zwischen 0,36 und 0,60 mg NO3--N kg-1 TB d-1), während zwi-schen 20 und 45 % des mineralisierten N auf die NH4+-N-Fraktion entfallen (0,07 bis 0,42 mg NH4+-N kg-1 TB d-1). Bei B+GR5f wurde über die gesamte Inkubationsdauer kein NO3--N in den Perkolaten festgestellt. Erwartungsgemäß war zudem bei allen Pro-bematerialien kaum NO2--N messbar.  Auch der Verlauf der Netto-N-Mineralisie-rung der festen Gärrestfraktion (B+GR5f) über den gesamten Inkubationszeitraum un-terscheidet sich wesentlich von allen ande-ren Probematerialien. Sie ist an jedem Per-kolationstermin deutlich geringer als die des Ausgangsgärrests (B+GR5) und der Dünn-fraktion (B+GR5d) (Abb. 3). Auch liegt sie niedriger als die des Bodens (B). B+GR5 und B+GR5d wiederum haben über die In-kubationsdauer sehr ähnliche Netto-N-Mine-ralisationsraten.    Abb. 3: Kumulative Netto-N-Mineralisierung (Wochen 2 bis 22, NH4+-N + NO3--N, Mittelwerte der Wiederho-lungen) der dünnen und festen Gärrestfraktionen nach mechanischer Separierung (Bo+GR5d, Bo+GR5f) und ihres Ausgangsgärrests (Bo+GR5) sowie des Bodens (B) bezogen auf den Trockenbo-den (TB).  DISKUSSION Die potentielle Netto-N-Mineralisierung des untersuchten Bodens verhält sich bezüglich des Verlaufs und des nach 21 Wochen ge-bildeten Nmin wie andere Sandböden in Nordwest-Deutschland (HEUMANN et al. 2002). Die potentielle Netto-N-Minerali-sierung ist sowohl innerhalb der Gruppe der untersuchten Boden-unvergorene-Gülle-Ge-mische als auch innerhalb der Gruppe der Boden-Gärreste-Gemische nach 21 Inkuba-tionswochen heterogen, bewegt sich jedoch in gleicher Größenordnung. Über die Inku-bationsdauer sind Unterschiede in der tägli-chen potentiellen Netto-N-Mineralisierung festzustellen, die sich primär auf die NH4+-N-Fraktion zurückführen lassen. Die beim Boden-Festphase-Gemisch (B+GR5f) im Gegensatz zum Boden allein wesentlich geringeren Netto-N-Minerali-sationsraten legen den Schluss nahe, dass es beim Abbau der festen Phase zur N-Immobilisierung kommt. Wenn die feste Phase eines Gärrestes zur Düngung einge-setzt werden soll, muss vermutlich eine zu-sätzliche N-Zufuhr erfolgen, um die Minerali-sierung der organischen Substanz und da-mit eine weitere Nährstofffreisetzung zu er-möglichen. Dagegen gleicht das Boden-Dünnphase-Gemisch im Mineralisationsver-halten über den gesamten Untersuchungs-zeitraum dem Boden-Ausgangsgärrest-Ge-misch. Es scheint plausibel, dass die Gär-restbestandteile, die im Wesentlichen mine-ralisiert werden, wahrscheinlich fein-kolloidal im flüssigen Anteil des Gärrestes verteilt sind, wie BURTON (2007) für Separations-fraktionen von unvergorenen Güllen fest-stellt. Diese Ergebnisse entsprechen auch den Beobachtungen von FANGUEIRO et al. (2008), die in einem anaeroben Inkubations-versuch zeigen, dass dünnflüssige Separa-tionsfraktionen verschiedener Rindergüllen hohe Mineralisationsraten aufweisen. Die festen Fraktionen derselben Güllen hinge-gen führen zur N-Immobilisierung.  DANKSAGUNG Wir danken dem Niedersächsischen Ministe-rium für Wissenschaft und Kultur und der VolkswagenStiftung für die finanzielle Förde-rung im Rahmen des Forschungsverbundes Agrar- und Ernährungswissenschaften Nie-dersachsen FAEN (www.verbundprojekt2-faen.de). Außerdem danken wir Annegret Fier vom Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie in Niedersachsen für die Bo-denproben. Besonderer Dank gilt den Landwirten und Unternehmern der Region Weser-Ems, die uns immer wieder bei Pro-bennahmen unterstützen, sowie Barbara Parizsky, Monika Kolbeck, Claudia Dornie-den, Marina Rudeleva und Andreas Hothan, die den Versuch engagiert begleitet haben.  LITERATUR Brauckmann, H.-J., Warnecke, S. und G. Broll (2009): Nährstoffstromanalyse einer Biogasanlage mit Gärrestaufbereitung. Gülzower Fachgespräche 30, 53-77 Burton, C.H. (2007): The potential contribu-tion of separation technologies to the man-agement of livestock manure. Livest. Sci. 112, 208-216. EEG (2004): Gesetz für den Vorrang Erneu-erbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG) vom 21. Juli 2004 (BGBl. I Nr. 40 S. 1918) Fangueiro, D., Chadwick, D. und R. Bol (2008): Assessment of the potential N min-eralization of different particle-size fractions in two dairy cattle slurries. J. Plant Nutr. Soil Sci. 171, 313-315 FNR (Fachagentur Nachwachsende Roh-stoffe e.V.) (2009): Entwicklung der Anbau-fläche nachwachsender Rohstoffe in Deutschland. http://www.nachwachsende rohstoffe.de/service/daten-und-fakten/anbau.html, Zugriff am 23.08.2009 Heumann, S., Böttcher, J., und G. Springob (2002): N mineralization parameters of san-dy arable soils. J. Plant Nutr. Soil Sci. 165, 441-450 Klimanek, E.-M. (1982): Mineralisierung un-terschiedlicher organischer Substanzen in Abhängigkeit von der Bodenart. Arch. Acker- Pflanzenbau Bodenkd. 26, 523-532 Reinhold, G., Klimanek, E.-M. und Breit-schuh, G. (1991): Zum Einfluss der Bio-gaserzeugung auf Veränderungen in der Kohlenstoffdynamik von Gülle. Arch. Acker- Pflanzenbau Bodenkd. 35, 129-137 Stanford, G. und Smith, S. J. (1972): Nitro-gen Mineralization Potentials of Soils. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 36, 465-472 

Stickstoffmineralisierung verschiedener Gärreste aus Biogasanlagen

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