Die 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).

Vor dem Hintergrund der aktuellen energiepolitischen Entwicklungen und des zunehmenden Kostendruckes steigen die Anforderungen an eine präzise und zugleich praxisnahe Bilanzierung, Bewertung und Optimierung des Biogasprozesses. Dies beinhaltet sowohl die detaillierte Charakterisierung und Qualitätsbewertung der individuell eingesetzten Substrate als auch die Effizienzbewertung ihrer verfahrensspezifischen Umsetzung im Fermenter. Grundsätzlich existieren in der Wissenschaft und Praxis vielfältige Untersuchungsverfahren und Berechnungsmethoden, um die Eigenschaften der eingesetzten Substrate oder den aktuellen Prozesszustand zu charakterisieren. Eine direkte Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Verfahren auf Basis der Trockensubstanz (TS, oTS, FoTS), Futtermittel-, Elementar- oder Brennwertanalyse ist bis heute nicht gegeben. Unter Berücksichtigung der konkreten Prozessbedingungen liefern experimentelle Batchtests oder kontinuierliche Laborversuche realitätsnahe Aussagen zum Methanertrag einzelner Substrate. In der großtechnischen Anlagenpraxis haben sich dabei die allgemeinen Richtwerte für Gasausbeuten des Kuratoriums für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V. (KTBL) etabliert, welche auf einer Vielzahl an Einzelmessungen von Batchversuchen unterschiedlicher Labore und zusätzlichen Erfahrungswerten (Expertenwissen) beruhen. Ziel des vorliegenden Leitfadens ist es, die unterschiedlichen Verfahren zur Bestimmung des Methanbildungspotentials einzelner Substrate hinsichtlich ihrer praxisnahen Anwendung und Aussagekraft zu beschreiben. Auf Basis vereinfachter Massen- oder Energiebilanzen können die charakteristischen Kenngrößen der eingesetzten Substrate oder der anfallenden Gärreste dann zur Effizienzbewertung einer Biogasanlage verwendetet werden.

The number of biogas plants in Germany is increasing from 3,711 in 2007 to 8,075 in 2016. In these biogas plants, it occurred more than 50 Mt digestate. Therefore, several investigations are started to use digestate as organic fertiliser mostly for field crop cultivation. Experiment with tomatoes was carried out were digestate was used as a supplement to the growing media in an amount of 5%, 15%, and 25%, compared with a treatment of mineral fertiliser and lupine wholemeal. The tomato yield was highest in the treatment with mineral fertilisation, the yield with 25% digestate was only a little lower. More experiments are necessary for particular regarding the amount and frequency of fertilization with digestate from biogas plants. In Germany and in Vietnam the number of sheep flocks is increasing, high amounts of uncleaned sheep wool are available. Because of the high amount of nutrients - especially nitrogen -, sheep wool pellets could be used as multi-functional fertiliser in vegetable cultivations. Four types of sheep wool pellets have been tested in protected cultivation. Tomatoes were cultivated in a greenhouse using substrate culture with perlite, bark compost, sheep wool slabs, respectively, and sheep wool pellets as fertiliser. Best growth and highest yield for tomatoes were obtained using pine bark and perlite as a substrate, both fertilised with sheep wool pellets. Based on the results of the yield and the analyses of the nutrient content in plants it seems that sheep wool pellets can be used, for the cultivation of vegetables in greenhouses. / Số lượng các nhà máy biogas tại CHLB Đức tăng từ 3.711 năm 2017 lên 8.075 năm 2016. Các nhà máy biogas sản sinh ra hơn 50 triệu tấn chất thải. Vì vậy đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến sử dụng nguồn chất thải này làm phân bón hữu cơ cho canh tác nông nghiệp. Thí nghiệm với cà chua sử dụng chất thải biogas làm chất bổ sung dinh dưỡng cho giá thể trồng cây theo các tỷ lệ 5%, 15% và 25% đối chứng với công thức sử dụng phân hóa học và bột nguyên vỏ họ đậu. Năng suất cà chua thu được từ các công thức bổ sung chất thải biogas đều cao hơn đối chứng, chỉ có công thức bổ sung 25% có năng suất thấp hơn. Tuy nhiên vẫn cần có những nghiên cứu tiêp theo về lượng và tần xuất sử dụng bón phân với chất thải từ nhà máy biogas. Ở Đức và ở Việt Nam số lượng đàn cừu đang tăng lên, một lượng lớn lông cừu phế phẩm phát sinh. Với hàm lượng dinh dưỡng cao, đặc biệt là nitơ, viên nén từ lông cừu phế phẩm có thể sử dụng làm phân bón đa chức năng cho trồng trọt. Nghiên cứu đã sử dụng 4 loại viên nén lông cừu làm phân bón trong điều kiện trồng có kiểm soát. Cà chua được trồng trong nhà kính với 3 loại giá thể là perlite, vỏ cây thông đã ủ hoai, thảm lông cừu với phân bón là viên nén từ lông cừu phế phẩm. Năng suất cao nhất và đem lại sinh trưởng tốt nhất cho cây cà chua là công thức sử dụng vỏ cây thông và perlite. Dựa trên kết quả về năng suất và phân tích dinh dưỡng trong cây và sản phẩm, nghiên cứu cho thấy sự phù hợp của viên nén từ lông cừu phế phẩm làm phân bón cho canh tác rau trong nhà kính.

Die bei der Biogasproduktion anfallenden Gärreste werden als organische Dünger im Pflanzenbau eingesetzt. Infolge des Vergärungsprozesses unterscheiden sich Gärreste von herkömmlichen organischen Düngern. Daraus könnten sich spezifische positive oder negative Wirkungen auf Bodenfruchtbarkeit und Pflanzen ergeben, die Gegenstand dieser Arbeit sind. In einem sechsjährigen Feldversuch (Energiepflanzenfruchtfolge, sandiger Boden) wur- den die Düngeeffekte von fünf verschiedenen Gärresten mit denen von Rindergülle, Stallmist und mineralischem Dünger (KAS) verglichen. Zur umfassenden Charakterisie- rung der Bodenfruchtbarkeit erfolgten Untersuchungen aus den Bereichen Bodenchemie, -physik, -mikrobiologie und Pflanzenbau, wobei die Humusdynamik einen Schwerpunkt bildete. Die Mengenkalkulation der Düngung basierte auf der gleichen Gabe organi- schem C mit einem N-Ausgleich durch KAS. Es ergaben sich für Gärreste gegenüber KAS überwiegend positive Effekte auf Hu- musgehalt, Aggregatstabilität und bakterielle Aktivität und Diversität. Diese Effekte waren denen von Rindergülle und Stallmist ähnlich. Möglicherweise besteht aber durch Gärrestdüngung ein erhöhtes Risiko von P- und K-Überschüssen sowie N-Verlusten. Eine erhöhte Benetzungshemmung wurde nicht gefunden. Die mikrobielle Gemeinschaft des Bodens zeigte eine spezifische Beeinflussung durch die Gärreste in der funktionellen, jedoch nicht in der genetischen Struktur. Die N-Verfügbarkeit war deutlich geringer als die von KAS, wodurch sich für Grünroggen Mindererträge ergaben. Für Silomais und Sorghum fand sich bei kombinierter Anwendung mit KAS ein zu KAS ähnliches Ertragsniveau. Gärreste haben analog zu herkömmlichen organischen Düngern bei effizientem Einsatz das Potential zu KAS vergleichbare Erträge zu erzielen und gleichzeitig die Bodenfrucht- barkeit zu fördern. Diese Schlussfolgerung ist im Kontext der spezifischen Standort- und Versuchsbedingungen zu sehen und sollte durch eine längere Versuchszeit abgesichert werden. / Digestates arising during biogas production are used as organic fertilizers in agriculture. Due to the fermentation process, digestates have different properties from traditional organic fertilizers. This may result in specific positive or negative effects on soil fertility and plants, which are subject of this work. In a six year field experiment (energy crop rotation, sandy soil) fertilizer effects of five different digestates were compared with cattle slurry, farm yard manure and mineral fertilizer (KAS). For a comprehensive characterization of soil fertility effects, methods from the fields of soil chemistry, physics, microbiology and plant science were applied. One special focus of these investigations was humus dynamics. Manure doses were based on the same dose of organic carbon, resulting different N-doses were compensated by KAS. Compared with KAS, digestates showed predominantly positive effects on humus con- tent, soil aggregate stability and bacterial activity and diversity. These effects of di- gestates were similar to those of cattle slurry and farm yard manure. There may be an increased risk of P and K oversupply and N losses as a result of digestate fertilization. An increased soil water repellency was not found. The soil bacterial community was specifically influenced by digestates regarding its functional, but not regarding its genetic structure. Saprotrophic fungy were reduced by some digestates in comparison to KAS. N availability was considerably lower than of KAS, resulting in yield depressions of forage rye. For silage maize and sorghum, digestates combined with KAS equaled the yield level of KAS. If efficiently applied, digestates have like other organic fertilizers the potential to produce equal yields as KAS whilst enhancing soil fertility. This conclusion is restricted to the specific conditions of experimental site and design and must be verified during a longer experimental period.