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Pflanzenbauliche Verwertung von Gärrückständen aus Biogasanlagen
Berlin den 22.03.2013
Untersuchungen zur Abbaustabilität organischer Substanz
in Gärprodukten aus Biogasanlagen
Kerstin Nielsen, Karen Sensel-Gunke
Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte
an der Humboldt-Universität zu Berlin (IASP)
2
1. Einleitung
2. Material & Methoden
3. Erste Ergebnisse
4. Fazit
5. Ausblick
Gliederung
Kerstin Nielsen
3
Einleitung
Humus bezeichnet die Gesamtheit der toten organischen Substanz des
Bodens (Scheffer & Schachtschabel, 2002)
Humus ist einem stetigen Abbau, Umbau und Aufbau unterworfen
Humusgehalt ist ein entscheidender Faktor für die Bodenfruchtbarkeit
Durch Energiefruchtfolgen – starke Humuszehrung befürchtet
In welchem Maße kann durch die Rückführung von Gärprodukten in den
Boden zur Humusreproduktion beigetragen werden?
Humus im Ackerboden
Kerstin Nielsen
4
Materialien TS-Gehalt (%)
Humus-Reproduktion
kg Humus-C (t Substrat)-1
Stallmist, verrottet 25 40
Gärreste, fest 25 36
Rindergülle 4
10
6
12
Gärreste, flüssig 4
10
6
12
Einleitung
Kerstin Nielsen
5
Einleitung
In welchem Maße kann durch die Rückführung von Gärprodukten (GP) in den Boden
zur Humusreproduktion beigetragen werden?
Projekt: „Humusreproduktion von Gärprodukten aus Biogasanlagen“ gefördert vom BMELV, Projektträger: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR)
Erforschung der Grundlagen für eine differenzierte Beurteilung
der Humusreproduktionsleistung von Gärprodukten
Beurteilung der Stabilität der organischen Substanz
Fokus: Gärprodukte aus Biogasanlagen, die NawaRo-Substrate einsetzen
Kerstin Nielsen
6
Gärprodukte
Fermentationsart Inputsubstrat T-Bereich HRT [d]
Fermenter/Nachgärer
Gärprodukt-lager
Nassfermentation Rindergülle (50%), Maissilage (35 %), Grassilage (15%)
mesophil 70 2/1 geschlossen
Nassfermentation Schweinegülle (50 %), Maissilage (50%)
mesophil 60 1/0 offen
Nassfermentation Maissilage (100 %)
thermophil 72 1/0 geschlossen
Nassfermentation Rindergülle (30 %), Stallmist (10%) Maissilage (30 %), Grassilage (30 %)
mesophil 80 1/1 Separation des Gär-
produktes
TR
GM
SE
RB
Material & Methoden
Kerstin Nielsen
7
Material & Methoden
Methoden zur Beurteilung
der Stabilität der organischen Substanz
1. Inkubations- versuche
Aerob: Messung der Bodenatmung in
Laborversuchen über mindestens 100 Tage CarbO2Bot® nach ISERMEYER
Anaerob: Restgaspotenzialbestimmung (VDI 4630) zur Untersuchung der Stabilität der org. Substanz unter anaeroben Bedingungen (Eudiometerapparatur)
2. Gefäß- Versuche
Messung der Bodenatmung im
Gewächshaus (Abbau unter kontrollierten Bedingungen ohne Vegetation)
3. Statischer Kleinparzellen- Versuch
Freilandversuch, 3 Vegetationsperioden
(Weiterführung geplant)
CarbO2Bot
Isermeyer
Eudiometer
Feldversuch Gefäßversuch
8
Methoden zur Beurteilung der Stabilität der organischen Substanz
Inkubations- versuch
Aerob: Messung der Bodenatmung in
Laborversuchen CarbO2Bot®
• Messprinzip: Konduktometrie • Stündliche kumulative Erfassung der
CO2-Freisetzung • mind. 100 d Versuchsdauer bei 20 ± 1 °C • 6-fach Wiederholung • Boden-Dünger-Mischung • WHKmax: 60 % • 50 %ige Erhöhung des Corg des Bodens
CarbO2Bot
Material & Methoden
Kerstin Nielsen
9
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Min
era
lisi
erte
r An
teil
Co
rg S
ub
stra
t [%
]
Zeit [d]
Inkubationsversuch - Messung der Bodenatmung
GM-Ü TR-E RB-fest RB-flüssig SE-E
Regr_GM-Ü Regr_TR-E Regr_RB-fest Regr_RB-flüssig Regr_SE-E
Stallmist Rindergülle Glukose Humussäure
Regr_Stallmist Regr_Gülle Regr_Glu Regr_HS
Gärprodukte
Rindergülle
Stallmist (Rotte)
Erste Ergebnisse
Messung der Bodenatmung im Inkubationsversuch
Kerstin Nielsen
Varianzanalyse und Tukey-Test (α=0,05)
Substrat
Minerali-sierter Anteil Corg Substrat
STABW
Mathem. Grenzwert der Regressions-
funktion [%]
nach 100 d
[%]
Rindergülle 64e 2 66
SE-E 42d 1 55
GM-Ü 39d 3 44
RB-flüssig 40d 1 42
TR-E 34c 3 42
RB-fest 30b 2
Stallmist 15a 2
Glukose 93 1 102
Humussäure 3 0 4
f = a(1-e-bx) + c(1-e-dx) , R2 > 0,99
10
kg Corg t-1 Frischmasse (nicht mineralisiert) Humus-
Reproduktion kg Humus-C (t Substrat )-1 2. Inkubationsversuch 1. Inkubationsversuch
Substrat TS [%] nach 100 d nach 140 d
mathem. Grenzwert nach 100 d
mathem. Grenzwert (VDLUFA)
GM-Ü 6 14 13 12 8
7 16 15 9
GM-E 4 9 8 6
TR-E 6 15 14 16 14 8
RB-flüssig 6 15 14 8
7 16 15 14 9
SE-E 6 17 15 13 16 13 8
Rindergülle 7 11 10 9
8 13 13 11 10
RB-fest 18 46 27
21 54 52 30
Stallmist Rotte 23 69 36
Stallmist frisch 26 37 34 35
Erste Ergebnisse
Beurteilung der Stabilität der organischen Substanz in Gärprodukten
Kerstin Nielsen
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• Die Stabilität und der Anteil der organischen Substanz in Gärprodukten
unterscheiden sich von denen in Gülle und Stallmist.
• Die nicht mineralisierte Menge an organischem Kohlenstoff je Frischmasse lag bei den flüssigen Gärprodukten 30-50 % über der von Rindergülle.
• Durch flüssige Gärprodukte wird deutlich mehr stabiler organischer Kohlenstoff in den Boden eingebracht als durch Gülle.
Fazit
Beurteilung der Stabilität der organischen Substanz in Gärprodukten
Kerstin Nielsen
Nach derzeitigem Kenntnisstand sind die Humusreproduktionsleistungen für flüssige Gärprodukte an die Richtwerte für Rindergülle und für feste Gärprodukte an die von Stallmist angelehnt (VDLUFA).
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Mathematische Beschreibung des Mineralisierungsverhaltens der organischen Substanz
Korrelation des Mineralisierungsverhaltens der Gärprodukte mit stofflichen Paramerten (Fasern, Huminstoffe, C/N- Verhältnis, FT-IR-Spektren…)
Abhängigkeit des Mineralisierungsverhaltes von der Bodenart
• aus Dauerfeldversuchen sind Zahlen zur Humusreproduktion von Stallmist bekannt
Beurteilung der Stabilität der organischen Substanz der Gärprodukte im Vergleich mit der von Stallmist
Überprüfung durch Dauerfeldversuche (statischer Kleinparzellenversuch in Berge)
Ausblick
Kerstin Nielsen
Beurteilung der Stabilität der organischen Substanz in Gärprodukten
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