LUFA Augustenberg
(Referat 1.3: Stoffhaushalt und Stoffdynamik)
Dipl. Geogr. Ingo Gueinzius
Dr. Markus Mokry
Staatliche Landwirtschaftliche Untersuchungs-
und Forschungsanstalt Augustenberg
Neßlerstr. 23
76227 Karlsruhe
e-Mail: markus.mokry@lufa.bwl.de
Tel.: 0721/9468-184
Fax: 0721/9468-112
In Deutschland wurden im Jahr 1999 672 000 t Ammoniak emittiert. Davon stammen über 80 % aus der Landwirtschaft, insbesondere aus der Tierhaltung (DÖHLER et al 2002). Nach Schätzungen des Umweltbundesamtes stammten im Jahr 2000 sogar 95 % aller Ammoniakemissionen aus der Landwirtschaft (BVEL 2003).
Abbildung 1: Verteilung der Ammoniak-Emissionen in Deutschland im Jahr 1999 ( Quelle: DÖHLER et al 2002)
Abbildung 2: Anteile der Ammoniak-Emissionen aus den verschiedenen Bereichen der Tierhaltung einschließlich des Wirtschaftsdüngereinsatzes im Jahr 1999 (Quelle: DÖHLER et al 2002)
Mit über 41 % ist die Rinderhaltung bei weitem der größte Ammoniak-Emittent (siehe Abbildung 1). Das Umweltbundesamt schätzt den Anteil der Ammoniak-Emissionen aus der Rinderhaltung sogar auf 70
% (NATIONALES KLIMASCHUTZ-PROGRAMM DER BUNDESREGIERUNG 2000). In der Tierhaltung treten die größten Ammoniak-Verluste bei der Ausbringung der Wirtschaftsdünger auf (siehe Ab-bildung 2). Wobei die
Wirtschaftsdüngerausbringung mit 49 % die höchsten Ammoniak-Emissionen in der Rinderhaltung verursacht (DÖHLER et al 2002).
Ammoniak-Emissionen stellen in mehrfacher Weise ein Problem dar:
Der in vorliegender Untersuchung getestete Güllezusatzstoff wird sowohl unter der Bezeichnung GLENOR KR+ als Güllefermenter als auch unter
der Bezeich-nung GLENOR KR+ Se Zn als Mineralfutterzusatz vom Hersteller empfohlen. Ver-wendung findet
das Produkt vor allem als Futtermittelzusatz in der Rinderhal-tung.
Die Inhaltsstoffe von GLENOR KR+ sowie GLENOR KR+ Se Zn sind, neben Kräu-tern, biologisch dynamischen Aktivatoren und Spurenelementen nach Anga-ben des Herstellers:
Die aufgeführten Hauptinhaltsstoffe sind geeignet, Ammoniak-Verluste aus Gülle - sei es im Stall, im Lager oder bei der Ausbringung - zu vermindern. Kalk-Ton- und Bentonit-Suspensionen werden
unter verschiedenen Produktnamen als Güllezusätze angeboten. Deren Wirkung, insbesondere von Bentonit, auf die Ammoniak-Emissionen aus Gülle wurde mehrfach unter dem Aspekt einer ausschließlichen
Güllebehandlung überprüft.
Mit einem Windtunnelversuch auf vegetationsfreiem Ackerboden konnte HUBER (1994) zeigen, dass durch Bentonit-Zugabe die Ammoniak-Emissionen aus Bi-ogasgülle um 28 bis 42 % reduziert werden
konnten (siehe Abbildung 3).
In einem Feldversuch auf Dauergrünland konnten PAAß & KÜHBAUCH (1992) zeigen, dass durch die Zugabe von 5 % Bentonit zu einer Rindergülle die Am-moniak-Emissionen um ca. 50 % reduziert werden
konnten (siehe Abbildung 4).
In beiden Versuchen war die erreichte Reduzierung der Ammoniak-Emissionen größer als die theoretische Sorptionskapazität des Bentonits. Neben der Sorpti-on des Kations Ammonium durch den Bentonit
ist die Verbesserung der Fließ-fähigkeit hochviskoser Gülleinhaltsstoffe durch die Bindung an den Bentonit Ursache für die Reduzierung der Ammoniakverluste. Die Gülle kann durch die verbesserte
Fließfähigkeit rascher in den Boden infiltrieren.
Eine Verbesserung des Fließverhaltens von Gülle nach Zusatz von GLENOR KR+ wurde von der LVVG Aulendorf festgestellt (LVVG 2004).
Abbildung 3: Reduzierung der Ammoniak-Emissionen aus Biogasgülle durch eine Bentonit-Zugabe im Wind-Tunnelversuch (Quelle: HUBER 1994)
Abbildung 4: Vergleich der relativen Ammoniak-Verluste aus Rindergülle mit und ohne Bentonit- Montmorillonit-Zusatz (Quelle: PAAß & KÜHBAUCH 1992)
Ziel vorliegender Untersuchung war es, zu überprüfen, ob das Produkt GLENOR KR+ geeignet ist, die Ammoniak-Emissionen aus Gülle zu
reduzieren, wie es die aufgeführten Eigenschaften der Hauptinhaltsstoffe vermuten ließen.
Nachfolgende konkretisierte Fragestellungen wurden bearbeitet:
Die Ammoniak-Freisetzung aus den Güllen wurde in Laborversuchen mit ei-nem Dynamischen-Kammer-System gemessen, welches nach PACHOLSKI (2003) gut für den Vergleich von Behandlungsvarianten geeignet ist. Dazu wurde folgende Versuchs-Apparatur gebaut (Siehe Abbildungen 5 bis 8):
Abbildung 5: Versuchsapparatur zur Messung der Ammoniak-Freisetzung aus Gülle nach dem „Dynamischen-Kammer-System“ im Labor
Als Probenkammern wurden PVC-Rohre (Innen-Ø:150 mm, Innen-Länge: 500 mm) verwendet, in welche Einsätze zur Reduzierung des durchströmten Luft-raums (auf 30 mm Höhe über den Probenbehälter)
eingebaut wurden. Als Pro-benbehälter dienten PVC-Halbschalen (Innen-Ø:120 mm, Innen-Länge: 465 mm), die in die Probenkammern eingeführt werden. Die insgesamt 10 Proben-kammern wurden für die
Versuche je mit einem Deckel mit Lufteinlass-Öffnung (Innen-Ø:5 mm) verschlossen. Auf der Rückseite der Probenkammern wurde die Luft über eine Pumpe abgesaugt und durch Waschflaschen mit Fritten
(Fa. Schott, 250 ml, Porösität 1) geleitet.
Die Waschflaschen wurden mit 100 ml 2%iger Borsäure, die mit NaOH genau auf den Umschlagpunkt des eingesetzten Indikators (pH 5,2) eingestellt wurde, als sog. Vorlage gefüllt. Das mit der
Probenluft durch die Borsäure geleitete Ammoniak wird quantitativ gemäß Gleichung 2 in der Borsäure gelöst. Mit 0,1 M HCl als Maßlösung wird die Menge des in Lösung gegangenen NH3 durch Titration
bis zum Umschlagspunkt des zugegebenen Indikators (siehe Gleichung 3) ermittelt. Der eingesetzte Indikator weist im Bereich des Umschlagpunktes eine graue Färbung auf, die sich mit sinkendem
pH-Wert nach Rosa verändert. Nach Lösung des NH3 färbt der Indikator die Borsäure grün (s. Abbildung 9).
(1) Lösung von Borsäure in aqua dest.:
B(OH)3 + H2O <--> H+ + [B(OH]4]-
(2) Lösung von Ammoniak in Börsäure:
H[B(OH)4]- + NH3+ --> NH4[B(OH)4]
(3) Titration mit Salzsäure:
NH4[B(OH)4] + HCl --> NH4Cl + H[B(OH)4]
Dieses Ammoniak-Nachweisverfahren wurde analog der Verfahrensschritte „Auffangen des NH3 und dessen maßanalytische Bestimmung“ der Methode zur Bestimmung von Gesamt-Stickstoff nach KJELDAHL
(VDLUFA 1997) durch-geführt.
Für die Versuche wurden die Probenbehälter u.a. mit zwei verschiedenen Bö-den (vgl. Tabelle 1) gefüllt, um die Ammoniak-Emissionen von unterschiedlichen Oberflächen bei jeweiliger Wechselwirkung
der Gülle mit dem Untergrund zu simulieren:
Abbildung 6: Einführen einer gülle-applizierten Grassode in die Probenkammer
Abbildung 7: Blick in die Probenkammer
Die für die Gülle-Applikation vorhandene Oberfläche in den Probenbehältern entspricht einer Fläche von 0,0558 m². Auf diese Fläche wurden durch gleich-mäßiges Verteilen mit einem Löffel jeweils 150g Frischmasse (FM) der Ver-suchsgüllen (Entnahme nach gründlichem Mischen der Gülle im Lagerbehäl-ter) appliziert. Das entsprach einer praxisüblichen, einheitlichen Güllegabe von 27 m³ Gülle-FM/ha für alle Versuchsglieder.
Die Versuche wurden bei einer konstanten Raumtemperatur von 20 °C ± 1°C durchgeführt. Die Lagerung der Gülle und Böden erfolgte bei Raumtemperatur. Die Temperatur der Güllen lag jeweils zu
Versuchbeginn bei 18 °C ± 1°C.
Der vorliegende Laborversuch konzentrierte sich ausschließlich auf Rindergül-le, da einerseits die Rinderhaltung der größte NH3-Emittent ist und anderseits das zu testende Mittel vorrangig in der
Rinderhaltung eingesetzt wird. Für den Versuch wurden 2 Güllepaare mit jeweils einer unbehandelten Rindergülle und einer Gülle bei der GLENOR
KR+ als Mineralfutterzusatzstoff verfüttert worden war (vgl. Tabelle 2) verwendet. Zusätzlich wurde in eine der unbehandelten Güllen GLENOR
KR+ vor Versuchsbeginn - gleichsam direkt zur Ausbringung - einge-mischt:
Aus versuchstechnischen Gründen konnte nur mit geringen Windgeschwin-digkeiten von 0,004 m/s in der Probenkammer gearbeitet werden. Es wurde je-doch mit der eingestellten Windgeschwindigkeit ein kontinuierlicher Luftaus-tausch von 50% des Luftraums pro Minute über der Probe erreicht.
Die Messung erfolgte über 23 h, da der größte Teil des NH3 innerhalb des ers-ten Tages nach Ausbringung aus der Gülle emittiert (vergleiche SML 1997, THOMPSON & MEISINGER 2002, LfL 2003). Mit
einer Messung über 71 h konnte bestätigt werden, dass ca. 80 % der NH3-Emissionen in den ersten 23 h erfol-gen. Um die höheren Emissionsraten in den Anfangsstunden gut erfassen zu können, wurden
die NH3-Freisetzung nach 2, 4, 8 und 23h Versuchsdauer ge-messen.
Ein Vorversuch zur Leistungsfähigkeit des Messverfahrens, in welchem die Probenluft zusätzlich durch eine nachgeschaltete, zweite Waschflasche gelei-tet wurde, zeigte, dass unter den
beschriebenen Messbedingungen mit den im Versuch eingesetzten Güllen innerhalb von 4 h das emittierte NH3 quantitativ in einer Waschflasche aufgefangen werden kann. Bei einer Versuchslaufzeit von
16 h (ohne Austausch der Waschflaschen) konnten mindestens 90 % des NH3 in der 1. Waschflasche gebunden werden.
Abbildung 8: Waschflasche, in der das Ammoniak aus der Probenluft gewaschen wird
Abbildung 9: Zugabe des Indikators zur Borsäure mit gelöstem Ammoni-um (Farbumschlag nach „grün“).
Nachfolgend werden die Messergebnisse der durchgeführten Laborversuche dargestellt und beschrieben. Die Untersuchungsergebnisse wurden je Variante (= Gülle) mit vier Parallelmessungen erzielt. Als Maß für die Streuung der Mes-sungen wird in den Abbildungen die einfache Standardabweichung jeweils als positiv und negativ vom arithmetischen Mittelwert der 4 Wiederholungen abwei-chender Fehlerbalken dargestellt. Die Streuung der Messwerte (s. Tabelle 4 und Abbildungen) war in allen Versuchen niedrig und somit ein Maß für die hohe Aussagefähigkeit der Versuche.
Die Abbildungen 10 bis 12 zeigen die Summenkurven der relativen Ammoniak-Verluste der Güllen 1 bis 3 auf unterschiedlichen Bodenoberflächen.
Auf allen in vorliegender Untersuchung berücksichtigten Bodenoberflächen beträgt der relative NH3-Verlust der Gülle 3 (GLENOR KR+ verfüttert)
nur etwa die Hälfte der Verluste, die bei unbehandelter Vergleichsgülle (Gülle 1) gemessen wurden. Die Variante, in der GLENOR KR+ vor
Versuchsbeginn der Gülle beige-mischt wurde (Gülle 2), zeigt Verlustraten, die niedriger als in der unbehandel-ten Gülle, aber höher als in der Gülle mit GLENOR KR+- Verfütterung sind.
Die höchsten Ammoniak-Emissionen wurden auf versiegelter Bodenoberfläche gemessen. Die unbehandelte Gülle 1 verliert innerhalb von 23 h 50% ihres NH4-N. Auf dieser Oberfläche wurden die maximal
möglichen Verluste unter den gegebenen Versuchsbedingungen ermittelt. Die Gülle konnte auf der ver-siegelten Oberfläche weder einsickern, noch von Bodenpartikel adsorbiert werden.
Abbildung 10: Summenkurve der relativen NH3-Verluste nach Applikation auf Grassoden
Abbildung 11: Summenkurve der relativen NH3-Verluste nach Applikation auf sandigen Boden
Abbildung 12: Summenkurve der relativen NH3-Verluste nach Applikation auf „bindigen“ Boden
Die NH3-Emissionen auf Grünland (Abbildung 10) sind nur etwa halb so hoch wie auf der versiegelten Bodenoberfläche, da die Gülle in Wechselwirkung mit der Oberfläche treten und infiltrieren kann.
Durch die Verteilung der Gülle auf der Vegetation ist ihre Oberfläche größer als in den Varianten mit vegetations-freier Bodenoberfläche. Folglich liegen auch die Verlustraten höher als auf den
Böden.
Die Messungen auf lockerem, sandigen Boden (Abbildung 11) bestätigen wie-der einen deutlich geringeren relativen NH3-Verlust aus der Gülle-Variante, in welcher GLENOR KR+ verfüttert wurde (Gülle 3); ein Unterschied zwischen der Variante mit GLENOR KR+-Zumischung
(Gülle 2) und der unbehandelten Gülle (Gülle 1) kann jedoch nicht mehr abgesichert werden. In diesem Fall überlagert die Reduzierung der Ammoniak-Emissionen durch Einsickern der Gülle in den
Boden die Wirkung des Güllezusatzes.
Die Messungen der NH3-Emissionen nach Applikation der Gülle auf bindigen Boden (Abbildung 12) liefert die geringsten NH3-Verlustraten, da durch die Bo-denbestandteile (Tonminerale und Humus) der
Ammonium-N aus der Gülle zum großen Teil adsorbiert wird.
Zu einer weiteren Bewertung der Ergebnisse der ersten Versuchsreihe wurden zusätzlich zwei Güllen (Gülle 4 und 5) von verschiedenen Betrieben mit sehr unterschiedlichen TS-Gehalten untersucht. Da
die größten Unterschiede in der NH3-Emission aus den Güllen durch Applikation auf die versiegelte Bodenober-fläche erzielt wurden, erfolgte der Test auf diese Weise.
Um die Ergebnisse aller Versuche mit den teils sehr unterschiedlichen Rinder-güllen (siehe Tabelle 2), vergleichen zu können, wurden die Messwerte einheit-lich auf eine Güllegabe von 40 kg
NH4-N/ha normiert. Dies entspricht nach §3 der Düngevorordnung der zulässigen maximalen NH4-N-Gabe, die nach Ernte der Hauptfrucht im Herbst erfolgen darf („Herbstdüngung“). Die Abbildung 13
zeigt die normierten Ergebnisse der Ammoniak-Verluste aus allen Güllen auf versiegelter Oberfläche.
Der Vergleich der Güllen 1 bis 3 zeigt eine deutliche Reduzierung der Ammoni-ak-Verluste in den mit GLENOR KR+ behandelten Güllen. Gülle 2,
in welche Gle-nor KR+ eingemischt wurde, weist um ca 25 % geringere Ammoniak-Emissionen auf als die unbehandelte Gülle. In der Variante mit Glenor-Verfütterung sind die NH3-Verluste sogar um 40%
geringer als bei unbehandel-ter Gülle.
Die Ammoniak-Messungen zeigen keine Unterschiede zwischen den Güllen 4 und 5. Die erwartete Wirkung des GLENOR KR+ scheint durch die sehr
unter-schiedlichen Trockensubstanzgehalte (TS) der Güllen überlagert worden zu sein. Die unbehandelte Gülle 4 hat mit 7,55 % TS eine deutlich höheren Was-sergehalt als die behandelte Gülle 5
(12,09 %TS). Je höher der TS-Gehalt einer Gülle ist, umso größer sind die Ammoniak-Emissionen bei der Ausbringung (SOMMER & OLESEN 1991, MOAL et al 1995). Daher wurden für den Vergleich
dieses Versuches mit den Ergebnissen der vorherigen Versuchsreihen die Ammoniak-Verluste einheitlich auf eine TS-Gehalt von 7,5 % normiert berech-net (siehe Abbildung 14).
Abbildung 13: Absolute Werte der NH3-Verluste auf versiegelter Oberfläche in 23 h auf 40kg NH4-N/ha normiert
Nach Normierung der Werte auf einen TS-Gehalt von 7,5 % werden auch die Unterscheide zwischen den Güllen 4 und 5 deutlich. Die mit GLENOR KR+
be-handelten Güllen weisen in allen Fällen geringere Ammoniak-Verluste auf als die unbehandelten Vergleichsgüllen. Die NH3-Emissionsraten der Behand-lungsvarianten 2 und 3 unterscheiden sind
nicht mehr. Sie weisen ca. 30 % geringere Ammoniak-Verluste auf als Gülle 1. Die Verluste der behandelten Gülle 5 liegen um ca.15% unter denjenigen der unbehandelten Gülle 4.
Es ist zu beachten, dass die Effekte der TS-Gehalte auf die Ammoniak-Emissi-onen nicht von allen Autoren einheitlich beschrieben werden. THOMPSON & MEISINGER (2002) konnten keine gesicherten
Unterschiede in der Ammoniak-Ge¬samt-Emission aus Güllen über eine Dauer von 3 Tagen in Abhängigkeit von ihrem TS-Gehalt messen. Sie haben in den ersten 18 h nach Ausbringung der Gülle einen
eindeutig positive Korrelation, in den nachfolgenden 54 h eine negative Korrelation zwischen NH3-Emisionen und TS-Gehalten ermittelt. Zu-erst senkt in den Güllen mit hohem Wassergehalt die
erhöhte Infiltrationsrate die Ammoniak-Verluste. Später bewirkt die Krustenbildung auf der Oberfläche der höher viskosen Güllen eine relative Reduktion der Ammoniak-Emissionen. Hierin kann eine
zusätzliche, länger anhaltende NH3-Verlustquelle bei dünnen bzw. mit Wasserzusatz verdünnten Güllen nach Ausbringung auf Grünland oder verdichteten Ackerflächen - insbesondere bei Trockenheit -
vermutet werden.
Will man Güllen verschiedener Herkünfte - unbehandelt oder auf unterschied-liche Weise behandelt - vergleichen, stellt die Normierung auf einen
einheitlichen TS-Gehalt (vgl. Bewertung der Nährstoffe in Gülle) die beste Möglichkeit dar. Alternativ müsste jede Gülle einer Herkunft unbehandelt oder mit GLENOR KR+ beaufschlagt vorliegen bzw. werden (s. Gülle 2), um den Einfluss eines GülleZusatzes auf die NH3-Emission vergleichen zu können.
Abbildung 14: Absolute Werte der NH3-Verluste auf versiegelter Oberfläche in 23 h auf 7,5 %TS normiert
Die Messergebnisse aller Versuchsreihen zeigen, dass die Zugabe von GLENOR KR+ zu einer Reduzierung der Ammoniak-Freisetzungen aus Rindergülle beitragen kann.
Da es sich bei vorliegenden Untersuchungen um Laborexperimente mit begrenzter Datenbasis handelt, ist es verständlich, dass einerseits die Ergebnisse nicht überinterpretiert und andererseits nicht quantitativ auf die Feldsituation übertragen werden dürfen.
Der Vergleich der Güllen 4 und 5 hat gezeigt, dass die Ammoniak-Emissions-raten aus Gülle von vielen Eigenschaften der Gülle abhängen können. Der Einfluss des TS-Gehaltes hat die Wirkung des
GLENOR KR+ in diesem Beispiel überlagert. Die positive Wirkung einer GLENOR KR+-Zugabe
konnte jedoch bei Normierung der Güllen auf 7,5% TS - wie beim Vergleich der Nährstoffe üblich - bestätigt werden.
Da die eine NH3-Emission beeinflussenden Faktoren im Feld - wie Windgeschwindigkeit, Lufttemperatur, Beschaffenheit der Bodenoberfläche, Nieder-schlag etc. - heterogen und nicht optimierbar sind,
sind Hochrechnungen an Einsparpotenzial durch Güllebehandlung prinzipiell nur bedingt möglich.
Die Messergebnisse zeigen jedoch, dass das Produkt GLENOR KR+ einen Beitrag zur Reduzierung der Ammoniak-Emissionen aus Rindergülle leisten
kann. Bei-de Ausgangs-Fragestellungen dieser Untersuchung konnten positiv beantwortet werden. Insbesondere durch Verwendung von GLENOR KR+
als Futtermittel-zusatz, aber auch allein zur Güllebehandlung kann die Ammoniak-Emission aus Rindergülle eindeutig nachweisbar reduziert werden.
Unter Berücksichtigung der theoretischen Überlegungen zur Wirkung der In-haltsstoffe von GLENOR KR+und der zitierten Feldversuche mit
vergleichbaren Güllezusatzmitteln kann angenommen werden, dass die Reduktions-Wirkung durch GLENOR KR+ auch im Feld deutlich nachzuweisen
ist. Ob die Senkung der Ammoniak-Verlustraten um bis zu 50 %, wie im vorliegenden Laborversuch aufgezeigt, auch im Feld erzielt werden kann, ist mit den vorhandenen Ergeb-nissen nicht
abzusichern.
Einen sinnvollen Beitrag zur Reduzierung der Ammoniakverluste kann GLENOR KR+ insbesondere dort leisten, wo andere Maßnahmen, wie sie nach
guter fachlicher Praxis empfohlen werden, nicht durchgeführt werden können. Bei-spielsweise bei der Gülleausbringung auf Grünland, wo keine Einarbeitung möglich ist, oder dann, wenn aufgrund
hohen Kostendrucks auf emissionsarme Applikationstechniken verzichtet werden muss.
Es ist anzunehmen, dass der Einsatz von GLENOR KR+ als Futtermittelzusatzstoff einen zusätzlichen Vorteil gegenüber anderen
Reduktionsmaßnahmen bietet. Die Reduzierung der Ammoniakverluste erfolgt nicht nur bei der Ausbringung der Rindergülle, sondern dürfte bereits nach der Verfütterung im Stall und bei der Lagerung
der Gülle, also während des gesamten „Produktkreislaufs“ der Gülle, stattfinden. Einen deutlichen Hinweis hierzu liefern die höheren relati-ven Ammoniumgehalte in den behandelten Güllen 3 und 5
(Tabelle 2). Ein Vergleich mit durchschnittlichen Gülle-Werten (Tabelle 3) zeigt, dass die Gülle 3 mit 54% relativem Ammoniumanteil bzw. Gülle 5 mit 45% die üblichen Werte der Milchviehgüllen mit
37% deutlich übersteigen.
Tabelle 4: Versuchsmessdaten (jeweils Messergebnisse aus 4 Wiederho-lungen)