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Verfahrenstechnische Bewertung ausgewählter technologischer Verfahren zur Verlustminimierung bei der Wirtschaftsdüngerausbringung und beim Phosphorrecycling

dc.contributor.advisorWeghe, Herman van den Prof. Dr.
dc.contributor.authorSeverin, Maximilian
dc.date.accessioned2015-08-26T09:40:24Z
dc.date.available2015-08-26T09:40:24Z
dc.date.issued2015-08-26
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0022-6087-6
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-5221
dc.description.abstractDie Nutzung von verlustmindernden Verfahren im Stickstoff- und Phosphorkreislauf gewinnt aufgrund ökonomischer, ökologischer und sozialer Aspekte immer stärker an Bedeutung und bildet die Grundlage für eine ressourcenschonende Landbewirtschaftung. Gegenstand dieser Arbeit ist die ökologische und ökonomische Bewertung von unterschiedlichen Verfahren zur Minimierung von Nährstoffverlusten im Stickstoff- und Phosphorkreislauf. In diesem Zusammenhang wurden folgende Fragestellungen untersucht: • Welchen Einfluss haben Boden, Applikationstechnik und Nitrifikationsinhibitor auf Stickstoffverluste (NH3 und N2O) und Nmin-Gehalte bei der Gülle- und Gärrestausbringung? • Können durch eine Gülleablage in zwei Bändern vertikal übereinander Stickstoffverluste (NH3 und N2O) reduziert und Erträge im Silomaisanbau gesteigert werden? • Wie können aus Klärschlammaschen P-Recyclingdüngemittel hergestellt werden, die in ihrer P-Löslichkeit, mineralischen Zusammensetzung und Ertragswirksamkeit mit Triplesuperphosphat (TSP) vergleichbar sind? Die Einflüsse unterschiedlicher Applikationstechniken (Schleppschlauch mit Einarbeitung und Injektion in 15 und 20 cm Bodentiefe) von verschiedenen Substraten (Gülle und Gärrest) auf unterschiedlichen Böden (Plaggenesch, Gley und Erd-Niedermoor) unter Anwendung eines Nitrifikationsinhibitors (3,4-Dimethyl-Pyrazol-Phosphat – DMPP) auf die Emissionsfreisetzung (NH3, N2O, CO2 und CH4) wurden in zwei Mikrokosmenversuchen untersucht. In einem Feldversuch wurden die im Mikrokosmenversuch gewonnenen Ergebnisse überprüft. Außerdem wurde in diesem Versuch erstmalig der Einfluss einer Gülleablage in zwei Bändern vertikal übereinander auf Stickstoffverluste und Ertragswirksamkeit im Silomaisanbau untersucht. In den Mikrokosmenversuchen mit ungestörten Bodensäulen wurde festgestellt, dass der Boden (Bodentextur, Bodenfeuchtigkeit, Bodenkohlenstoffgehalt) (P < 0,001), der Zusatz von einem Nitrifikationsinhibitor (P < 0,001) zu Gärrest und die Applikationstechnik (P < 0,01) einen Einfluss auf die N2O-Freisetzung haben können. Die Tiefe der Gülle- und Gärrestinjektion hatte nur bei dem untersuchten Erd-Niedermoorboden einen signifikanten Einfluss (P < 0,01) auf die Höhe der N2O-Emissionen. Bei den Böden mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt (Gley: 1,7 % Corg; Plaggenesch: 2,4 % Corg) und einem geringen Wassergehalt (Gley: 28 % H2O vol.; Plaggenesch: 21 % H2O vol.) hatte die Applikationstechnik einen geringen Einfluss auf die Freisetzung von N2O-Emissionen. Auf kohlenstoffreichen Böden war ein Unterschied (P < 0,5) zwischen den beiden Substraten Gülle und Gärrest auf die N2O-Freisetzung gegeben. Der Einsatz des Nitrifikationsinhibitors DMPP reduzierte die N2O-Emissionen im Mikrokosmenversuch durchschnittlich um 45 % (P < 0,001). Die Wirkung von DMPP (P < 0,001) war unabhängig von der Applikationstechnik und hatte einen statistisch größeren Einfluss auf die N2O-Freisetzung als die Applikationstechniken (P < 0,01). Zur weiteren Reduzierung von Stickstoffverlusten wurde im Feldversuch mit Silomais ein Premaister (Unterfußinjektor - Firma Kotte Landtechnik, Deutschland) so modifiziert, dass in zwei Bändern vertikal übereinander (10 und 20 cm) Gülle ausgebracht werden konnte. Das sollte die Nährstoffbedürfnisse von Mais in mehreren Wachstumsphasen berücksichtigen. Im Feldversuch wurden zwischen den unterschiedlichen Varianten [Schleppschlauch mit sofortiger Einarbeitung (Gülle und Gärrest), Injektion 15 cm (Gülle und Gärrest), Injektion 10 und 20 cm (Gülle), Injektion 15 cm mit DMPP (Gülle) und Kontrolle ohne Düngung und Bodenbearbeitung] hinsichtlich der durchschnittlichen N2O-Emissionen (52 - 153 µg N/h/m²) Unterschiede festgestellt, die aber statistisch nicht absicherbar waren. Die Ablage von Gülle in zwei Bändern übereinander führte tendenziell zu den höchsten N2O-Emissionen (153 µg N/h/m²). Durch die Ablage von zwei Güllebändern übereinander bildeten sich verstärkt „anoxic hot spots“, welche Nitrifikation und Denitrifikation förderten. Im Vergleich zur Gülleinjektion ohne DMPP (64 µg N/h/m²) konnte die Gülleinjektion mit DMPP (71 µg N/h/m²) N2O Emissionen nicht reduzieren. Im Vergleich zu allen gedüngten Varianten konnte DMPP die N2O-Emissionen um durchschnittlich 33 % reduzieren. Die freigesetzten NH3-Emissionen aller Varianten lagen unter der Bestimmungsgrenze. Die unterschiedlichen Applikationstechniken zeigten keinen Einfluss auf die Nmin-Gehalte. Die Nmin-Gehalte waren in den mit DMPP behandelten Varianten am höchsten. Der Nitrifikationsinhibitor DMPP reduzierte die Umwandlung von NH4-N zu NO3-N und erhöhte den Nmin-Gehalt im Boden um durchschnittlich 16 %. Zwischen den Erträgen (537 - 620 dt/ha FM und 197 - 225 dt/ha TM) und den Erntequalitäten der Versuchsvarianten konnten im Feldversuch keine signifikanten Unterschiede festgestellt werden. Ein Nitrifikationsinhibitor kann nach der Wirtschaftsdüngerapplikation die Umwandlung von NH4-N zu NO3-N verlangsamen und die Freisetzung von N2O-Emissionen reduzieren. Gegenüber der Schleppschlauchausbringung mit sofortiger Einarbeitung (141 €/ha) hat die Injektion (82 €/ha) eine höhere monetäre Vorzüglichkeit. Zur Steigerung der Verfahrenseffizienz bei der Gülle- und Gärrestapplikation ist auf Böden mit einem geringem Kohlenstoff- und Wassergehalt der Einsatz der Injektionstechnik (Injektion in 12 - 15 cm) kombiniert mit Nitrifikationsinhibitoren zu empfehlen. Auf Böden mit einem Kohlenstoffgehalt über 5 % und einer Feldkapazität von über 60 % sollte die Schleppschlauchapplikation kombiniert mit einem Nitrifikationsinhibitor eingesetzt werden. In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurde das P-Recyclingpotential von thermochemisch aufbereiteten Klärschlammaschen untersucht. In einem Laborversuch wurden verschiedene Produkte aus der thermochemischen Klärschlammaufbereitung (Klärschlammasche + Na, Ca, Si und Klärschlammasche + Konverterschlacke) auf ihre P-Löslichkeitsformen (analog zur DüMV, ANONYM 2012) und auf ihre mineralische Zusammensetzung untersucht. Außerdem wurden die Produkte auf ihre Düngewirkung überprüft. Durch die thermochemische Behandlung von Klärschlammasche werden die enthaltenen schlecht pflanzenverfügbaren Phosphate (Ca3(PO4)2) in gut pflanzenverfügbare Calcium- und Natrium-Silico Phosphate (Na2Ca4(PO4)2SiO4 und Ca2SiO4 x 0,05Ca3(PO4)2) umgewandelt. Die unbehandelte Klärschlammasche hatte eine relative Neutralammoniumcitratlöslichkeit von 54 %. Mit ihrer NAC-Löslichkeit von über 85 % lagen die aufgeschlossenen Klärschlammaschen deutlich höher. In einem anschließenden Gefäßversuch mit Mais wurden verschiedene thermochemisch aufbereitete Klärschlammaschen (Klärschlammasche + Na, Ca, Si und Klärschlammasche + Konverterschlacke) im Vergleich zu einer nicht aufbereiteten Klärschlammasche und TSP, in drei Stufen, auf ihre Düngewirkung untersucht. Die Düngung mit thermochemisch aufbereiteteten Klärschlammaschen (45 - 55 g/Gefäß TM Ertrag) führte im Vergleich zur unbehandelten Variante (8,35 g/Gefäß TM Ertrag) zu signifikant (P < 0,05) höheren Erträgen. Die Ertragswirkung der thermochemisch aufbereiteten Klärschlammaschen ist mit der von TSP (48 g/Gefäß TM) vergleichbar. Die RAE der thermochemisch aufbereiteten Klärschlammaschen (102 %) liegt deutlich über der von unbehandelten Klärschlammaschen (21 %) und ist vergleichbar mit der von TSP (100 %). Die Marktpreise für thermochemisch aufbereitete Klärschlammaschen zur Nutzung als Düngemittel liegen zwischen 2,50 - 3,50 €/kg P (Aufschluss von Klärschlammasche mit Na, Ca und Si) und 2,15 €/kg P (Klärschlammasche + Konverterschlacke).de
dc.language.isodeude
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject.ddc630de
dc.titleVerfahrenstechnische Bewertung ausgewählter technologischer Verfahren zur Verlustminimierung bei der Wirtschaftsdüngerausbringung und beim Phosphorrecyclingde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedEvaluation of different selected technological processes to minimize losses during manure spreading and the phosphorus recyclingde
dc.contributor.refereeWeghe, Herman van den Prof. Dr.
dc.date.examination2015-05-21
dc.description.abstractengThe use of loss-mitigation techniques in nitrogen and phosphate cycles become more important due to economic, environmental and social aspects and form the basis for a resource-saving agriculture. Subject of this study was the evaluation of different methods to minimize nutrient losses in nitrogen and phosphate cycles under ecological and economic points. In this context, the following questions were investigated: • What is the influence of soil, application technique and nitrification inhibitor on nitrogen losses (NH3 and N2O) and mineral soil N in relation to slurry and digestate application? • Is it possible to reduce N losses (NH3 and N2O) and to achieve higher maize yields after a slurry application in two rows on top of each other? • Is it possible to produce P recycling fertilizers from sewage sludge ash with characteristics in P solubility, mineral components and effect on yield comparable to triplesuperpshophate (TSP)? The influence of slurry and digestate application techniques (trailing hose with incorporation and injection in 15 and 20 cm) on emissions (NH3, N2O, CO2 und CH4) in different soils (Plaggic Anthrosol, Gleysol and Histosol) was studied using the nitrification inhibitor 3,4-Dimethyl-Pyrazol-Phosphate (DMPP).This was done in two microcosm studies. Subsequently a field try was performed, testing the mentioned parameters on N losses during the application of digestate and slurry. Additionally slurry was injected in two rows on top of each other to characterise the influence on N losses and the effect on maize yields. In the microcosm studies with undisturbed soil cores it was found that the soil (texture, water and carbon content) (P < 0,001), the addition of a nitrification inhibitor to digestate (P < 0.001) and the application technique (P < 0.01) can influence N2O emissions. The injection depth (P < 0.01) only influenced N2O emissions in the investigated Histosol. In soils with low soil carbon contents (Gleysol: 1,7 % Corg; Plaggic Anthrosol: 2,4 % Corg) and low soil water contents (Gleysol: 28 % H2O vol.; Plaggic Anthrosol: 21 % H2O vol.) the application technique had only few influence on the N2O emission. Significant differences (P < 0.5) between slurry and digestate application are only recognized on the Histosol in regard to Gleysol and Plaggic Anthrosol. The use of the nitrification inhibitor DMPP reduced N2O emissions on an average of 45 % (P < 0.001) in the microcosm study. The effect of DMPP was independent on the application technique, the influence of DMPP (P < 0.001) on the N2O emission was significantly larger than the application techniques (P < 0.01). For further reduction of N losses a Premaister (underfootinjector – company Kotte Landtechnik, Germany) was modified with two injection slits (10 and 20 cm) on top of each other. This modification had the aim to optimize the nutrient requirement of the maize in different growing stages. The field trial did not show any significant influences on N2O emission between the used application techniques [trailing hose with incorporation (slurry and digestate), injection 15 cm (slurry and digestate), injection 10 und 20 cm (slurry), injektion 15 cm with DMPP (slurry) and control without fertilization and soil tillage]. Average emissions were between 52 - 153 µg N/h/m². Slurry application in two rows on top of each other tended to emit highest rates of N2O (153 µg N/h/m²).This application technique of slurry resulted in „anoxic hot spots“. These hot spots favor nitrification and denitrification. Comparing the slurry injection without DMPP (64 µg N/h/m²) to the slurry injection with DMPP (71 µg N/h/m²) a reduction of N2O emissions was not found. In comparison to all fertiliser applications DMPP application resulted in average reduction of N2O emissions of 33 %. NH3 emissions were under the detection limit. The different application techniques did not show any influence on the mineral N content of the soil. Mineral N contents in both microcosm studies and the field trial were highest in the treatments with DMPP addition. DMPP reduced the conversion of NH4-N into NO3-N. In consequence the mineral N content in the soil was increased about 16 %. Regarding yield and quality in the field trial the different application techniques did not show significant differences in plant yield (537 - 620 dt/ha fresh matter and 197 - 225 dt/ha dry matter). The trailing hose technique with immediate incorporation (141 €/ha) is more expensive than the injection technique (82 €/ha). To increase the efficiency of slurry and digestate application the use of the injection technique (injection in 12 - 15 cm) combined with nitrification inhibitors is recommended in soils with low carbon and water contents. In soils with carbon contents > 5% and a field capacity larger than 60 % the trailing hose technique in combination with a nitrification inhibitor should be applied. In addition to the studies on N losses after slurry and digestate application the P recycling potential of thermochemical treated sewage sludge ashes was analysed. In a laboratory trial different thermochemical treated sewage sludge ashes (sewage sludge ash + Na, Ca, Si and sewage sludge ash + steel mill slag) were analysed on their P solubility and mineral composition. Besides the fertilization effect of these products was studied in a pot trial. By thermochemical treatment of sewage sludge ashes poor plant available phosphates (Ca3(PO4)2) can be converted to good available calcium and sodium silico phosphates Na2Ca4(PO4)2SiO4 and Ca2SiO4 x 0,05Ca3(PO4)2. The thermochemical treated sewage sludge ashes showed high P solubilities (> 85 %) in neutral ammonium citrate, whereas the untreated sewage sludge ash only showed a solubility of 54 % in neutral ammonium citrate. For further analysis a pot trial with maize was conducted. In this trial different thermochemical processed sewage sludge ashes (sewage sludge + Na, Ca, Si and sewage sludge + steel mill slag) were compared to an untreated sewage sludge ash and to TSP in three different fertilization levels. Compared to an untreated sewage sludge ash (8,35 g/pot dry matter yield) the fertilization with thermochemical treated sewage sludge ashes (45 – 55 g/pot dry matter yield) increased yields significantly (P < 0.05). The yield effect of the thermochemical treated sewage sludge ashes is comparable to the treatments fertilized with TSP (48 g/pot dry matter). Thermochemical treated sewage sludge ashes (102 %) show a higher RAE than untreated sewage sludge ashes (21 %) and are comparable in their RAE to TSP (100 %). The product prices for thermochemical treated sewage sludge ahes are ranging between 2,50 to 3,50 €/kg P (sewage sludge ash + Na, Ca, Si) and 2,15 €/kg P (sewage sludge ash + steel mill slag).de
dc.contributor.coRefereeGreef, Jörg Michael Prof. Dr.
dc.subject.gerP Recyclingde
dc.subject.gerN2O Emissionende
dc.subject.gerGülle und Gärrest Injektionde
dc.subject.engP recyclingde
dc.subject.engN2O emissionsde
dc.subject.engslurry and digestate injectionde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0022-6087-6-4
dc.affiliation.instituteFakultät für Agrarwissenschaftende
dc.subject.gokfullLand- und Forstwirtschaft (PPN621302791)de
dc.identifier.ppn833989804


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