Organische Dünger, insbesondere Gülle aus Vieh haltenden Betrieben, werden in Zukunft in weitaus größerem Umfang in Ackerbaubetrieben eingesetzt werden müssen, um den Nährstoffbedarf der Kulturpflanzen trotz knapper Mineraldünger zu decken oder um die regionalen Nährstoffüberschüsse in Gebieten mit hoher Viehhaltungsdichte zu vermindern. Neben der Notwendigkeit, die Ausbringung organischer Dünger in Entstehungsregionen zu verringern, kann die effiziente Nutzung organischer Dünger zur Verminderung des Einsatzes mineralischer Dünger beitragen und somit die N-Intensität der deutschen Landwirtschaft insgesamt und die mineralische N-Düngung verringern.
Ein zentraler Grund für den hohen Mineraldüngereinsatz in Betrieben mit organischer Düngung ist, neben der zum Teil schwer kalkulierbaren zeitlichen Verfügbarkeit von Nährstoffen aus Wirtschaftsdüngern, die große Streuung der tatsächlichen Nährstoffgehalte (Abbildung 1), auch in vermeintlich homogenen Wirtschaftsdüngern, und die dadurch bedingte Unsicherheit bei der Düngeplanung und -applikation. Nennenswerte Fortschritte in der Nährstoffnutzungseffizienz sind zu erwarten, wenn Betriebsleiterinnen und Betriebsleiter mit genauen Angaben zu den Nährstoffgehalten in Gülle und Gärrest planen und Düngesicherheitszuschläge in Form mineralischer Dünger reduzieren können. Dies gilt gleichermaßen für die Düngeplanung und -dokumentation in Wirtschaftsdünger abgebenden Betrieben als auch für aufnehmende Betriebe, sowohl in Überschuss- als auch in Zuschussregionen.
Wie die Nährstoffgehalte richtig ermitteln?
Nach den Vorgaben der DÜV müssen die Nährstoffgehalte in Wirtschaftsdüngern vor der Ausbringung bekannt sein. Die Ermittlung der Nährstoffgehalte kann dabei nach Standardtabellenwerten (Richtwerten für die Düngung) oder nach wissenschaftlich anerkannten Analysemethoden (im Labor) erfolgen. Die Deklaration der Inhaltsstoffe mit diesen Verfahren ist oftmals nicht ausreichend, da mit ihnen ungenaue Angaben erzeugt werden können.
Die größten Fehler bei der Quantifizierung der Nährstoffkonzentrationen mittels Laboranalyse entstehen bei der Probennahme und dem Homogenisieren der Lager. Viele Lagerbehälter lassen sich nur unzureichend aufrühren (zu kleine Rührwerke) oder können überhaupt nicht homogenisiert werden (Unterstalllagerung). Die hier genannten Fehlerquellen können auch durch eine genaue Laboranalyse nicht mehr ausgeglichen werden. Zudem vergehen von der Probennahme bis zur Vorlage der Analyseergebnisse teilweise bis zu zwei Wochen. Standardrichtwerte geben nur den Durchschnittswert aus einer Vielzahl von Betrieben mit dem gleichen Haltungs- und Fütterungsregime wieder. Es ist kein tatsächlicher Wert, der die Situation des Einzelbetriebes darstellt. Neben den ungenau erfassten Inhaltsstoffen in organischen Düngern und den unterschiedlichen Düngerbedarfen der verschiedenen Kulturen in Interaktion mit den Standorten besteht in der bedarfsgerechten flächigen Dosierung der Nährstoffe aus den organischen Düngern große Variabilität.
In Abbildung 1 ist die Variabilität von 41 Fassbefüllungen bei Sauengülle dargestellt, im Durchschnitt der 41 Messungen wurden 3,06 kg Gesamtstickstoff je Kubikmeter ausgebracht – im Minimum 1,70 kg/ m³ und im Maximum 4,30 kg/m³. Die betriebseigene Probe vor der Ausbringung betrug 1,83 kg N/m³ und der Richtwert der Landwirtschaftskammer Niedersachsen beträgt 3,70 kg N/ m³. Diese Streuung ist für eine bedarfsgerechte pflanzenbauliche Anwendung zu hoch und kann nur durch kontinuierliche NIRS-Sensormessungen hinreichend erfasst werden.
Zusätzlich zur schlechten Homogenisierung in den Lagerbehältern kann sowohl eine ungleichmäßige Nährstoffkonzentration der organischen Dünger in dem Transportbehälter (Sedimentation) als auch eine ungleichmäßige Ausbringung mit dem Applikationssystem zu diesem Problem beitragen. Eine zu geringe oder überhöhte Dosierung oder zu konzentrierte Ablage kann den Ertrag und die Qualität des Ernteguts beeinflussen. Dies kann von einer ungleichmäßigen Abreife über das Nichtausnutzen des standortspezifischen Ertragspotenzials durch Nährstoffmangel oder Lagerbildung, herabgesetzte Kornqualitäten bis hin zu einer lokal überhöhten Nährstoffversorgung mit gesteigertem Risiko von Nährstoffverlagerung und -verlust mit einem anschließenden Eintrag in Grund- und Oberflächengewässer führen.
Neben der Kenntnis der Nährstoffzusammensetzung der organischen Dünger vor der Ausbringung sind auch während der Applikation Informationen zur Zusammensetzung und Ausbringmenge erforderlich, um teilflächenspezifische Nährstoffmengen zu dokumentieren und zu bilanzieren. Dies ist vor allem bei inhomogenen Chargen wichtig. Hierfür stehen mit einer Echtzeitanalyse (Abbildung 1) durch reflexionsoptische Systeme (zum Beispiel Nah-Infrarot-Reflexions-Spektroskopie – NIRS) technische Lösungen zur Verfügung, die jedoch bis jetzt nur vereinzelt in der Praxis verbreitet sind.
Welche Vorteile hat der Einsatz von NIRS?
Der Vorteil des Einsatzes der NIRS-Messmethode zur Bestimmung der Nährstoffkonzentrationen in flüssigen organischen Düngern liegt in der einfachen und kontinuierlichen Erfassung der Inhaltsstoffe und ihrer Konzentrationen während der Befüllung der Tankfahrzeuge beziehungsweise der Ausbringung der flüssigen Wirtschaftsdünger. Schwankungen der Nährstoffkonzentrationen könnten hierdurch erfasst und eine bedarfsgerechte Bestandsdüngung erleichtert werden. Zusätzlich ist durch die digitale Erfassung der Inhaltsstoffe eine deutliche Verringerung des Dokumentationsaufwands möglich.
Die Heterogenität in Boden und Relief bedingt sehr stark unterschiedliche N-Nachlieferungen und damit Düngebedarfe, die die Effizienz beeinflussen. Schleswig-Holstein ist durch seine drei Naturräume mit ihren naturräumlichen Eigenschaften und zusätzlich durch die Nähe zu Nord- und Ostsee geprägt. Getreide, Raps und Mais sind die wesentlichen Kulturen.
Die Effizienz von eingesetzten Wirtschaftsdüngern hängt neben standortspezifischen und klimatischen Faktoren maßgeblich vom TS-Gehalt der eingesetzten Wirtschaftsdünger ab. Daher ist die Erfassung der unterschiedlichen organischen Wirtschaftsdünger mittels NIRS-Technik die Basis für die Modellregion. Rinder-, Schweine- und Biogasanlagen liefern unterschiedliche Wirtschaftsdünger. Diese sind in ihrem TS-Gehalt und der inhaltsstofflichen Zusammensetzung sehr unterschiedlich. Die Praxis zeigt außerdem, dass auch die Nährstoffverteilung im Güllelager aufgrund der unterschiedlichen TS-Verteilung sehr verschieden sein kann, was durch Homogenisieren/Aufrühren zeitweise kompensiert werden kann. Auch hier gilt es, die Unterschiede zum Entnahmezeitpunkt mittels der NIRS-Technik zu erfassen und die Ausbringmenge daran anzupassen (Abbildung 1). Diese Unterschiede gilt es zu quantifizieren und bezogen auf die innerbetriebliche Nährstoffverteilung zu optimieren.
Kontinuierliche Beprobung macht Sinn
In der Tabelle sind die verschiedenen Messmethoden auf einem Betrieb in Schleswig-Holstein dargestellt, der die gesamte Rindergülle mit Zusatz Nachwachsender Rohstoffe (Nawaro) in der Biogasanlage verwertet. Auch hier ist das Ergebnis der einmaligen Beprobung das Maß für die Bemessung der auszubringenden Menge an Wirtschaftsdünger. Über die gesamte Frühjahrssaison wurde hier mit NIRS nährstoffabhängig dosiert. Da die Nährstoffgehalte geringer waren als bei der Beprobung, konnten insgesamt 1.537 m³ mehr ausgefahren werden, um die 170 kg N/ha zu erreichen. Die zum Versuch gezogenen Proben (n = 25) ergaben die niedrigste Nährstoffkonzentration. Es zeigt sich auch hier, dass eine kontinuierliche Erfassung der Nährstoffkonzentration dichter an der Wirklichkeit ist als sporadische Beprobungen mit zeitlichem Versatz, bis das Ergebnis vorliegt.
Ökologisches und ökonomisches Potenzial
Die Heterogenität der Naturräume bedingt auch die Nährstoffspeichervermögen und das Nachlieferungspotenzial. Das Herden- und Fütterungsmanagement beeinflusst die inhaltsstoffliche Zusammensetzung der organischen Wirtschaftsdünger. Angesichts weiterhin schlechter Grundwasser- und Luftqualität liegt in der Verbesserung der Verwertungseffizienz organischer Dünger im Ackerbau ein erhebliches ökologisches und ökonomisches Einsparpotenzial. Ausgehend von knapp 1 Mio. ha landwirtschaftlich genutzter Fläche in Schleswig-Holstein und einem angenommenen N-Einsparpotenzial von bis zu 50 kg N/ha bei einer von 50 auf 80 % gesteigerten Wirkung ergeben sich 50.000 t N-Einsparung pro Jahr. Gemäß Sachverständigenrat für Umweltfragen (2015) gelangen 70 % dieses Überschusses ökosystemwirksam in die Umwelt. Daraus lässt sich ableiten, dass der präzisen Abschätzung der N-Nachlieferung aus organischen Düngern eine zentrale Rolle zur Steigerung der N-Effizienz zukommt.
Wie Tabelle und Abbildung 2 zeigen, hat der Betrieb zu wenig Wirtschaftsdünger ausgebracht, einzig im Lager 4 wurde ein höherer Nährstoffgehalt mittels NIRS gemessen. Diesen Mangel hätte der Betrieb wahrscheinlich mit zusätzlichem Mineraldünger ausgeglichen, um seinen Ertrag zu sichern.
Wie verbreitet ist NIRS in der Praxis?
Der Sensoreinsatz gliedert sich in der Praxis meist in verschiedene Ausbaustufen. Strukturell bedeutet das: Die Erstnutzer von NIR-Sensoren sind meist die klassischen Vieh haltenden Betriebe, die sich klar auf das Herdenmanagement und die Prozesse im Stall konzentrieren. Für diese Betriebe kommt häufig eines der 356 landtechnischen Lohnunternehmen in Schleswig-Holstein beim Ausbringen der organischen Wirtschaftsdünger zum Einsatz. Die landtechnischen Lohnunternehmen bilden im Land den Multiplikator für die NIRS-Technik, vor allem auf dem Geestrücken in den Veredlungsregionen. Die landtechnischen Lohnunternehmen sind in Bezug auf die effiziente Arbeitserledigung hoch technisiert. In Bezug auf die NIRS-Technik sind derzeit allerdings nur etwa sieben bis zehn Lohnunternehmen mit der Echtzeitanalytik am Güllefass ausgestattet. Der Dienstleistungssektor in Schleswig-Holstein mit seinen Lohnunternehmen ist somit als relevante Anwendergruppe für den Sensoreinsatz auf allen Ausbaustufen im Modellvorhaben einzustufen.
Die Auswirkung auf die Lagerkapazität im dargestellten Beispiel ist nur kurzfristig wirksam, da der frei gewordene Lagerplatz über das Jahr wieder mit Wirtschaftsdünger gefüllt wird. Lediglich in dem Fall, dass weniger Gärreste ausgebracht werden als zuvor geplant, sollte an eine Separation gedacht werden oder eine Abgabe der Gärreste an Ackerbaubetriebe in Betracht gezogen werden.
Fazit
Die moderne NIRS-Technologie bietet mit der kontinuierlichen Messung viele Vorteile und ist mit hoher Wahrscheinlichkeit genauer als eine einmalige Beprobung. Mit dem Einsatz der Technik wird die Heterogenität von Gärrest und Gülle erfasst und für eine bedarfsgerechte Düngung nutzbar gemacht. Mit dem Wissen über die Nährstoffgehalte können folglich Stickstoffeinträge in die Umwelt und ein ineffizientes Nährstoffmanagement vermieden werden. Damit besteht rechnerisch bei fast allen Kulturen und dem geltenden Düngevorgaben die Möglichkeit, nahezu 100 % der Bestände aus Wirtschaftsdüngern zu versorgen. Das Modell- und Demonstrationsvorhaben wird gefördert aus Mitteln des BMEL.
