Auswirkungen eines Strohzusatzes zur Gärrestdüngung auf Emissionen klimarelevanter Gase aus dem Boden

Effect of straw addition to fertilization with fermentation residue on emissions of greenhouse gases from soil

Die Versuchsansätze (Tab. 1) wiesen jeweils 5 Prüf­varianten mit 3 Wiederholungen auf. In den Ergebnis­darstellungen sind entweder alle 5 Prüfvarianten (z.B. Abb. 5) oder nur 3 für die Strohdüngung relevante Varianten (z.B. Abb. 1) dargestellt. Das verwendete Weizenstroh war auf maximal 1 cm Länge zerkleinert und hatte einen TS-Gehalt von 91,6%, einen N_t-Gehalt von 0,595% in FM sowie einen C_t-Gehalt von 39,6% in FM. Es wurde in einer Aufwandmenge von 4,30 g/Gefäß (äquivalent 50 dt/ha) zusammen mit dem Gärrest in den Boden eingearbeitet.

Abb. 5. N₂O-Freisetzung im Versuch L8.

Abb. 1. Laborversuchsanlage mit Schlauchpumpe, Reaktionsgefäßen, Gas-Vials und NH₃-Waschflaschen.

Die Merkmale der in den einzelnen Versuchen eingesetzten Gärreste und Böden sind in Tab. 2 und 3 enthalten. Die Böden stammen von Standorten, an denen auch Feldversuche zum oben genannten Projekt durchgeführt wurden. Der Boden wurde aus der Ackerkrume entnommen und auf < 10 mm zerkleinert. Der Trockenmasse­gehalt bei Versuchsansatz entsprach dem Zustand bei der Entnahme im Feld und wurde bewusst in weiten Grenzen geprüft. Neben Gärresten aus Praxisbiogasanlagen wurde auch ein speziell aus ¹⁵N-markiertem Mais in einem Laborfermenter hergestellter Gärrest (14,5 at%¹⁵N) sowie ¹⁵N-markiertes Ammoniumsulfat (99,0 at%¹⁵N) und ¹⁵N-markiertes Kaliumnitrat (86,8 at%¹⁵N) als Düngestoffe geprüft. Die Aufwandmenge betrug stets äqui­valent 100 kg NH₄-N/ha bzw. bei Kaliumnitrat 100 kg NO₃-N/ha.

Als Reaktionsgefäße dienten Saugflaschen mit einer Bodenoberfläche von 86 cm² und einem Volumen von 1120 cm³ (Abb. 1). In die Gefäße wurden 400 g Boden gegeben und die Düngestoffe darin oberflächig einge­arbeitet. Daneben blieb auch eine Variante ungedüngt. Durch die Gefäße wurde mittels einer 16-Kanal-Schlauchpumpe in einem offenen System ein Luftstrom mit einer Flussrate von 5 ml/min geleitet. Dieser Luftstrom wurde anschließend durch Septum-Vials geführt. Die aus den Vials abströmende Luft gelangte in Waschflaschen mit 2%iger Borsäure, um freigesetztes Ammoniak in Form von Ammonium zu binden. Der Austausch der Vials erfolgte am ersten Versuchstag mehrfach, in den folgenden Versuchstagen einmal täglich und gegen Versuchsende im Abstand von mehreren Tagen. Die Messung der Ammoniakfreisetzung geschah täglich und so lange, wie Ammoniak auftrat. Alle Messungen erfolgten bei Raumtemperatur zwischen 18 und 25°C. Die Versuchsdauer lag zwischen 17 und 42 Tagen. Zum Abschluss der Ver­suche erfolgte im Boden nach erfolgter Mischung die Messung des pH-Wertes, des mineralischen und teilweise Gesamt-Stickstoffs.

Die Analyse der in den Vials vorliegenden Gase Methan, Lachgas und Kohlendioxid erfolgte mittels Gaschromatographie (GC-14B, Shimadzu, siehe Segschneider et al., 1996). Die im Untersuchungszeitraum emittierten Gasmengen wurden aus den ermittelten Konzentrationen und der die Reaktionsgefäße durchströmenden Luftmenge errechnet. Beim Ammoniak wurden die emittierten N-Mengen direkt durch eine potentiometrische Titration der 2%igen Borsäure mit 0,05 N Schwefelsäure bestimmt. Die Bodenanalysen erfolgten im feuchten Boden bei einer Einwaage von 20 g Boden und Doppelbestimmung. Der pH-Wert im Boden wurde in einer Aufschlämmung mit 0,01 M Calciumchlorid-Lösung (50 ml/Probe) potentiometrisch bestimmt. Die Analyse des Gehaltes an mineralischem Stickstoff erfolgte nach Extraktion mit 0,0125 M Calciumchlorid-Lösung (100 ml/Probe) mittels Wasserdampfdestillation. In den Versuchen mit ¹⁵N-Anwendung wurden der Gesamt-N-Gehalt und dessen ¹⁵N-Anteil im getrockneten Boden mittels Elementaranalysator Vario EL gekoppelt mit Stabilisotopenanalysator NOI 7 (Fa. Fischer) bestimmt. Der Verbleib des Dünger-N im Boden wurde unter Berücksichtigung der natürlichen Isotopenhäufigkeit (0,366 at%¹⁵N) und dem ¹⁵N-Markierungsgrad der Düngestoffe ermittelt. In den Abbildungen stellen die Fehlerbalken die Standardabweichung der 3 Wiederholungen dar.

Ergebnisse

Die Freisetzung von CO₂ aus dem Boden wurde sowohl durch den Gärresteinsatz als auch durch den Strohzusatz beachtlich erhöht. Dabei lagen in der Regel die Frei­setzungsraten in den ersten Tagen nach der Applikation am höchsten (Abb. 1a). Aus dem ungedüngten Boden erfolgte keine Ammoniakemission. Bei Einsatz eines Gärrestes trat eine solche nur in 3 der 6 Versuchen (L1, L3, L9) auf. In diesen 3 Versuchen wurde die im Unter­suchungszeitraum freigesetzte Ammoniakmenge durch den Strohzusatz signifikant reduziert (Abb. 2). Ein typischer Verlauf der Ammoniakfreisetzung ist in Abb. 3 dargestellt.

Abb. 1. Verlauf der CO₂-Konzentration im Versuch L3.

Abb. 2. NH₃-Freisetzung in den Versuchen L1, L3, L9 (ohne Zusatz erfolgte keine NH₃-Freisetzung).

Abb. 3. Verlauf der NH₃-Freisetzung im Versuch L3.

Im ungedüngten Boden war die Lachgasfreisetzung in allen Versuchen gering. Sie wurde durch die Gärrest­düngung aber deutlich erhöht. Der Einfluss der zusätz­lichen Strohzugabe auf die N₂O-Emission war unterschiedlich. In 2 Versuchen zeigte der Strohzusatz keine eindeutige Wirkung (L1, L7), in 2 Versuchen wurde die Lachgasfreisetzung gesenkt (L3, L9) und in 2 Versuchen erhöht (L6, L8). In Abb. 4 ist für alle 3 Fälle die im Untersuchungszeitraum freigesetzte Lachgasmenge dargestellt. Besonders deutlich fiel die Erhöhung beim Strohzusatz zu einer mineralischen Ammonium-Düngung aus (Abb. 5 und 6). Die Differenziertheit der Ergebnisse wird vor allem im Versuch L9 deutlich. Die Lachgasfreisetzung lag bei der Gärrestdüngung deutlich höher als bei der Ammoniumdüngung, wurde aber bei der Gärrestdüngung durch den Strohzusatz in der Summe der im Untersuchungszeitraum freigesetzten Menge deutlich gemindert und bei der Ammoniumdüngung dagegen gesteigert.

Abb. 4. N₂O-Freisetzung in den Versuchen L6, L7, L9.

Abb. 6. Verlauf der N₂O-Konzentration im Versuch L9.

Abb. 7. pH-Wert des Bodens zu Versuchsende in den Versuchen L3 und L9.

Abb. 8. pH-Wert des Bodens zu Versuchsende im Versuch L8.

Die Zufuhr der N-haltigen Düngestoffe vergrößerte in allen Versuchen die Menge an mineralischem Stickstoff (N_min) im Boden. Die zusätzliche Stroheinbringung reduzierte diesen Effekt jedoch in allen Versuchen deutlich (in Abb. 9 für Versuch L3 dargestellt). In den Versuchen mit ¹⁵N-markierten Düngestoffen war bei der zusätzlichen Strohdüngung auch eine Abnahme der wiedergefundenen ¹⁵N-Düngermenge festzustellen (Abb. 10). Bei Versuchen, in denen bis Versuchsende noch Ammonium-N aus der Gärrestapplikation vorlag, nahm diese Menge bei Strohzusatz noch stärker ab als die Summe aus Ammo­nium- und Nitrat-N, was auf eine intensivere NH₄⁺-Umsetzung (beispielsweise durch Nitrifikation oder mikro­bielle NH₄⁺-Aufnahme) oder NH₄⁺-Fixierung (Kowalenko, 1981) des mit dem Gärrest zugeführten Ammonium-N bei Strohzusatz hindeutet (Abb. 9).

Abb. 9. N_min im Boden zu Versuchsende im Versuch L3.

Abb. 10. Dünger-N im Boden zu Versuchsende im Versuch L8.

Abb. 11. Bilanzbetrachtung der N-Düngermenge in Versuch L9.

Im Rahmen des eingangs genannten Projektes wurden verschiedene Methoden und Mittel, u.a. auch Stroh, in ihrer Wirkung auf die Gasfreisetzungen geprüft (Herbst und Gans, 2010). Ähnliche Untersuchungen zur Prüfung der Wirkung von Stroh auf die Freisetzung der 4 genannten Gase sind im Zusammenhang mit der Gärrestdüngung nicht bekannt. Dagegen werden schon seit Ende des 19. Jahrhunderts die Wirkungen des Strohes auf das Pflanzenwachstum und Umsetzungen im Boden untersucht und diskutiert. Bereits Maercker (1895) hatte auf die wachstums- und ertragshemmende Wirkung des Strohes sowie dessen Wirkung als stickstoffzehrenden Bestandteil des Stallmistes hingewiesen. Die N-Verluste im Boden bei der Strohdüngung diskutierte schon Schneidewind (1897) im Zusammenhang mit der Denitrifikation und der mikrobiellen Eiweißbindung. Auf eine denitrifikationssteigernde Wirkung von leicht löslichen organischen Substanzen haben bereits Pfeiffer und Lemmermann (1900) aufmerksam gemacht.

Alle erzielten Ergebnisse zu den Umsetzungen im Boden stehen in Übereinstimmung mit den damals schon bekannten Erkenntnissen. Das Stroh stellt eine leicht verfügbare Kohlenstoff- und damit auch Energiequelle für die Mikroorganismen dar, wodurch offensichtlich deren Entwicklung direkt gefördert wird. Ausdruck dafür ist die erhöhte CO₂-Freisetzung bei Strohzusatz zum Gärrest, obwohl mit dem Gärrest bereits Kohlenstoff in einem großen Umfang dem Boden zugeführt wurde. Von dieser erhöhten CO₂-Freisetzung profitieren autotrophe Nitrifikanten, d.h., sie können Kohlendioxid assimilieren und benötigen keinen organisch gebundenen Kohlenstoff (Schilling, 2000). Die in drei Versuchen festgestellte schnellere Abnahme der NH₄-N Gehalte bei Gärrest- plus Strohzusatz könnte daher die Folge einer verstärkten Nitrifikation durch die verbesserte CO₂-Verfügbarkeit aus der Strohmineralisierung sein.

Die in allen Versuchen im Boden zu Versuchsende nachgewiesene geringere Menge an mineralischem Stickstoff bei Strohzugabe steht offensichtlich in Beziehung zu einem verstärkten Wachstum verschiedener Mikroorganismen. Der Fehlbetrag gegenüber ausschließlicher Gärrestdüngung kann entweder mikrobiell gebunden und/oder zusätzlich gasförmig entbunden worden sein. Aufgrund eines solchen Fehlbetrages an mineralischem Stickstoff im Boden nach Strohzugabe hatten Schuster und Garz (1990) eine Bestimmung der Biomasse durchgeführt. Dabei wurde zwar bei Strohzusatz eine höhere Bindung an Stickstoff in der Biomasse gefunden, welche aber nur zu einem geringen Teil den Fehlbetrag erklärte. Eine gasförmige Entbindung des Stickstoffs wurde unter jenen Versuchsbedingungen für nicht möglich gehalten. Schmädeke (1998) ermittelte in ähnlichen Modellver­suchen neben dem bilanzierten N-Verlust die N₂O- und N₂-Freisetzung. Die festgestellten gasförmigen N-Verluste waren jedoch nur gering, so dass die mikrobielle N-Festlegung als Hauptursache für den bilanzierten N-Verlust angenommen wurde. Kowalenko (1981) wies darauf hin, dass die Zugabe von Stroh die abiotische NH₄-Fixierung an Tonmineralen stark erhöht. Die hier bei Strohzugabe z.T. beobachtete beschleunigte Abnahme der NH₄-Menge im Boden (Abb. 9) könnte demnach auch auf eine verstärkte NH₄-Fixierung an Tonmineralen zurückzuführen sein.

In den hier vorgestellten Versuchen wurde die Freisetzung von Ammoniak und Lachgas gemessen und nachgewiesen. Eine Analyse von elementarem Stickstoff erfolgte nicht. Seine Freisetzung kann aber nicht ausgeschlossen werden, da durch die Zugabe der Gärreste bzw. N-Lösungen eine Zunahme der Bodenfeuchte und damit ver­bunden eine Ausdehnung der anaeroben Bodenbereiche wahrscheinlich ist. Darüber hinaus weisen die ermittelten, erhöhten Defizite des applizierten ¹⁵N-Düngerstickstoffs bei Strohzusatz auf einen nicht quantifizierten gasförmigen N-Verlust hin. Ein direkter analytischer Nachweis der N₂-Freisetzung erscheint deshalb zukünftig dringend erforderlich, um die Bilanzierung zu vervollständigen und die Düngungsstrategien zu präzisieren. Der elementare Stickstoff ist zwar nicht klimarelevant; er stellt aber einen für die Landwirtschaft relevanten N-Verlust dar. Diesen N-Verlust gilt es neben den Verlusten von Ammoniak und Lachgas ebenfalls zu mindern, um den Einsatz der N-Düngemittel prinzipiell effizienter zu machen. Darüber hinaus ermöglicht ein besseres Verständnis des mikrobiellen N₂O-Abbaus im Boden (durch N₂O-Reduktion zu N₂ im Zuge der Denitrifikation) die Entwicklung von neuen Minderungsstrategien der dünger­induzierten N₂O-Freisetzung.

Die Wirkung der Strohzugabe auf die Lachgasfrei­setzung fällt wie in den Untersuchungen von Hao et al. (2001), Ma et al. (2009) und Ma et al. (2010) nicht eindeutig aus. Durch den Strohzusatz zur Gärrestapplika­tion wurde die Emission von Lachgas sowohl gesenkt als auch erhöht. In den Untersuchungen von Hao et al. (2001) führte die Strohdüngung zusammen mit einer N-Düngung zu einem Anstieg, aber ohne N-Düngung zu einer Minderung der Lachgasfreisetzung. Die Ursachen für die unterschiedliche Wirkung in den dargestellten Ergebnissen konnten noch nicht geklärt werden und sind Gegenstand der weiterführenden Untersuchungen. Dabei werden Boden- und Gärrestmerkmale und insbesondere der Einfluss unterschiedlicher Bodenfeuchten geprüft.

Auf die offenbar besondere Bedeutung von leicht verfügbaren Kohlenstoffverbindungen auf die Lachgasfreisetzung wiesen bereits Flessa und Beese (1995) bei Einsatz von Zuckerrübenblatt als C-Quelle hin. Dieser Einfluss wird vor allem auch im Versuch L9 deutlich, bei dem ein Gärrest mit einer Ammoniumlösung verglichen wurde. Die Gärrestdüngung ergab, wie in Untersuchungen von Köster et al. (2009), eine deutlich höhere Lachgasfreisetzung als die Ammoniumdüngung, wofür eine Ursache in der gleichzeitigen Kohlenstoffzufuhr mit dem Gärrest gesehen werden kann. Durch die zusätzliche Stroheinbringung wurde die Lachgasemission bei der Gärrestdüngung vermindert, bei der Ammoniumdüngung dagegen erhöht. Die Erklärung dafür ist noch offen und wird in weiterführenden Untersuchungen gesucht.

Bedeutungsvoll kann für die Zusammenhänge außerdem der Verlauf des pH-Wertes im Boden nach der Applikation sein, worauf auch Schmädeke (1998) hinweist. Es zeigte sich, dass sich dieser bis zum Versuchsende durch den Gärrest- und Strohzusatz in den einzelnen Versuchen unterschiedlich eingestellt hat. Bei der Bewertung der Ergebnisse ist neben der unterschiedlichen Versuchsdauer zu beachten, dass der Gärrest und das Stroh beim Versuchsansatz nicht gleichmäßig dem Boden untergemischt, sondern praxisnah eingearbeitet wurde. Zu Versuchsende erfolgte vor der Probennahme eine Mischung des ge­samten Bodens pro Gefäß. Aus der Gegenüberstellung der pH-Werte mit Düngestoffen zum ungedüngten Boden kann davon ausgegangen werden, dass in der Umgebung der zugeführten Düngestoffe stärkere Veränderungen vorgelegen haben als mit der Analyse nachgewiesen wurde. Diese tatsächlichen pH-Werte in den mit Düngestoffen angereicherten Bodenaggregaten könnten gegebenenfalls genauere Erklärungen für den Verlauf der Umsetzungen geben. Dieser Aspekt sollte künftig bei der Probenahme und Untersuchung Berücksichtigung finden.

Das Experiment mit dem Einsatz von Ammonium- und Nitrat-Lösungen (L8) belegt eindrucksvoll, dass Lachgas vor allem auch bei der Nitrifikation entstehen kann, wozu bereits von Senbayram et al. (2009) gezielte Un­tersuchungen vorgenommen wurden. Auch Schmädeke (1998) stellte nach Ammonium-Zugabe zum Boden eine höhere Lachgasfreisetzung fest als nach Nitrat-Zugabe und kommt zu dem Schluss, dass das gebildete Lachgas zum überwiegenden Teil nitrifikationsbürtig war. Gleiches kann für die dargestellten Ergebnisse angenommen werden. Diese lassen jedoch keine Aussagen über das Verhältnis von nitrifikativen und denitrifikativen Lachgasverlusten zu. Auch ist es nicht möglich, aus der gemessenen Lachgasmenge auf eine vermutete Menge an freigesetztem N₂ zu schließen, da das Verhältnis von N₂O- und N₂-Freisetzung bei einem analytischen Nachweis in sehr weiten Grenzen schwankt (Walensik, 1996; Spott et al., 2006; Dittert und Mühling, 2009). Die vorgenommenen Bilanzbetrachtungen sind nur zur qualitativen Einschätzung einer Denitrifikation möglich, nicht aber zur Ermittlung des exakten Denitrifikationsverlustes, was auch Schmädeke (1998) aus seinen Untersuchungen ableitet.

Die besondere Bedeutung des Ablaufes der Nitrifika­tion für die Lachgasfreisetzung wird bei der Betrachtung von weiteren im Projekt erzielten Ergebnissen deutlich. Bei Einsatz eines Nitrifikationsinhibitors zum Gärrest kam es in 5 von 8 durchgeführten Versuchen zu einer deutlichen Reduzierung der Lachgasfreisetzung (Herbst und Gans, 2010; Herbst et al., 2010; Kraft et al., 2011). Dies steht in Übereinstimmung mit der Beobachtung, dass eine Strohdüngung, welche die Nitrifikation mög­licherweise beschleunigt (siehe oben), zu einer erhöhten Lachgasfreisetzung führen kann. Die Ergebnisse deuten somit darauf hin, dass der Lachgasproduktion durch die Nitrifikation von durch Düngungsmaßnahmen zugeführten Ammonium-N eine größere Bedeutung zukommt.

Zur Wirkung des Strohzusatzes auf eine mögliche Förderung der Denitrifikation kann davon ausgegangen werden, dass es durch den Abbau des Strohs zu einer O₂-Zehrung im Boden kommt. Bei limitierter Sauerstoffnachlieferung von der Bodenoberfläche (beispielsweise durch erhöhte Bodenfeuchte) tritt in Teilen des Bodens ein Sauerstoffmangel auf, wodurch Nitrat durch die Denitrifikanten verstärkt reduziert wird und infolge­dessen eine Zunahme der Lachgasproduktion erfolgen kann. Auf Basis der mikrobiellen Reduktion des denitrifikatorisch gebildeten N₂O ist darüber hinaus auch eine Zunahme der Produktion von elementarem Stickstoff (N₂) möglich. Flessa und Beese (1995) wiesen diesbezüglich die engen Beziehungen der Lachgasfreisetzung zum wassergesättigten Porenvolumen und den verfügbaren Kohlenstoffquellen nach.

Im Gegensatz zur Lachgasfreisetzung hat der Stroh­zusatz zur Gärrestdüngung in den vorgestellten Versuchen die Ammoniakfreisetzung eindeutig gemindert. Die Erklärung dafür sollte wiederum in der erhöhten mikrobiellen Aktivität liegen, wodurch der NH₄-N entweder schneller nitrifiziert und/oder stärker mikrobiell gebunden wurde. Dieser positive Aspekt einer Strohdüngung spielt aber für die Praxis kaum noch eine Rolle, da nach der Düngeverordnung ab 2011 eine Einarbeitung von Gülle/Gärrest innerhalb von 4 Stunden nach der Ausbringung erfolgen muss, womit eine Ammoniakemission stark reduziert bzw. ausgeschlossen wird.

Die erzielten Ergebnisse erfordern eine weitere Überprüfung, insbesondere unter Feldbedingungen, und einen analytischen Nachweis der N₂-Freisetzung. Sollte dabei die aus den durchgeführten Untersuchungen gewonnene Erkenntnis, dass der gemeinsame Einsatz von Gärrest und Stroh zu einer erhöhten Freisetzung von Lachgas und elementarem Stickstoff führen kann, eine Bestätigung erfahren, so ist in weiterführenden Untersuchungen zu prüfen, unter welchen Bedingungen ein gemeinsamer Einsatz nicht erfolgen bzw. wie lange die Ausbringung von N-haltigen Düngemitteln (Gülle/Gärrest) nach einer Strohdüngung verzögert werden sollte.

Die Arbeiten wurden mit Mitteln des BMELV/FNR gefördert (FKZ 22025207).