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Effects of biogas residues on yield formation and soil organic carbon stocks
Prays, Nadia
Während der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen einigte man sich auf die Bekämpfung des Klimawandels und die Einhaltung des globalen Temperaturanstiegs in diesem Jahrhundert auf unter 2°C des vorindustriellen Niveaus. Eine der Maßnahmen, um dieses Ziel zu erreichen, ist die Erhöhung des Anteils der erneuerbaren Energien, z.B. den Anteil des Biogases, das durch anaerobe Vergärung der Biomasse erzeugt wird. Während der anaeroben Vergärung setzen die Mikroorganismen die Biomasse zu Methan (CH4) und Kohlenstoffdioxid (CO2) um. Die verbleibende organische und anorganische Substanz wird Gärrest genannt. Da während der anaeroben Vergärung ca. 60% des Kohlenstoffs zu CH4 und CO2 umgewandelt werden, kann er nicht zum Aufbau der organischen Bodensubstanz zurückgeführt werden, die als eine essentielle Komponente im Boden die Bodenfunktionen verbessert und damit diverse Ökosystemleistungen unterstützt. Die Entnahme des Kohlenstoffs aus dem landwirtschaftlichen System durch die Vergärung bekräftigt die Annahme, dass im Vergleich zu unvergorenem Dünger dies zu einer Abnahme des organischen Bodenkohlenstoffs (Teil der organischen Bodensubstanz) im Boden und damit zu einer Bodendegradierung führen kann. Gärreste sind zwar als Pflanzendünger und Bodenverbesserer mit überwiegend positiven Eigenschaften bekannt. Nichtdestotrotz, ist ihre Anwendung in der Landwirtschaft ein relativ neues Konzept.
Da die Biogasproduktion global expandiert, ist es notwendig Ihre Auswirkungen auf die Umwelt zu verstehen. In diesem Zusammenhang war das übergreifende Ziel dieser Doktorarbeit zu einem verbesserten Verständnis des Gärresteinflusses in landwirtschaftlichen Systemen beizutragen. Ziele dieser Arbeit waren:
a) Bestimmung der Wirkung der separierten Gärreste aus industriellen und kommunalen Abfällen auf Kornertrag und Ertragsstruktur,
b) Bestimmung des Einflusses der Biogasproduktion auf organischen Bodenkohlenstoff auf der Betriebsskala,
c) Bestimmung des Flächenbedarfs der Biogasproduktion und ihres Einflusses auf die Kohlenstoffflüsse auf der Landschaftsskala.
Um diese Ziele zu erreichen, wurde im ersten Schritt ein Feldexperiment angelegt, um Information über den Effekt verschiedener Gärreste (separiert / unsepariert, landwirtschaftliche / industrielle und kommunale Abfälle) auf den Boden und Pflanzen (Kornertrag, Ertragsstruktur) zu bekommen. Im nächsten Schritt, wurde eine Studie auf der Betriebsskala durchgeführt, um den Einfluss der Biogasproduktion auf den organischen Kohlenstoff im Boden zu untersuchen. Hier wurde der Fokus auf landwirtschaftliche, unseparierte Gärreste gelegt aufgrund ihrer Relevanz und deren Verbreitung. Hierfür wurde ein System mit einem landwirtschaftlichen Betrieb und einer Biogasanlage betrachtet. Ein Prozessmodell (CANDY: Carbon and Nitrogen Dynamics) wurde angewandt, um Vorhersagen zu treffen. Inkubationsexperimente wurden verwendet, um für Gärreste die Parameter des Umsatzes der organischen Bodensubstanz zu bestimmen. Im nächsten Schritt wurden die bestimmten Parameter auf der Landschaftsskala angewandt. Hier wurde eine quantitative und qualitative Analyse der Kohlenstoff-Flüsse, die durch die Biogasanlage verändert wurden, durchgeführt. Zusätzlich wurde eine Methodik zur Berechnung des Flächenbedarfs einer Biogasanlage, der so genannte „Biogas Fingerabdruck“ ausgearbeitet.
Folgende Ergebnisse wurden erzielt:
a) kurzfristige Düngewirkung der separierten Gärreste aus industriellen und kommunalen Abfällen ist vergleichbar mit der Düngewirkung der landwirtschaftlichen Gärreste sowie des Mineraldüngers. Flüssigphase der Gärreste führte zu weniger Pflanzen pro m² verglichen mit der Festphase oder dem gesamtem Gärrest, was dem phytotoxischen Potential der Flüssigphase auf die Keimung zugeschrieben werden kann. Nichtdestotrotz, führte Flüssigphase zu höherem Kornertrag als die Festphase. Die Gerste kompensierte die ursprünglichen Nachteile im Laufe der Vegetationsperiode durch die höhere Anzahl von Ähren pro Pflanze sowie Körnern pro Ähre.
b) Parameter des Umsatzes der organischen Substanz für das Prozessmodell CANDY wurden bestimmt und ein linearer Zusammenhang zwischen ihnen und den chemischen Gärresteigenschaften (pH und C/Norg) wurde gefunden. Die Ergebnisse auf der Betriebsskala zeigen, dass der Ersatz der unvergorenen organischen Dünger mit Gärresten während eines 10-jährigen Gärrest-Einsatzes zu keiner Abnahme des Kohlenstoffs im Boden geführt hat. Des Weiteren, wurde gezeigt, dass der organische Kohlenstoff im unter getesteten Anbauverhältnissen nicht abnimmt.
c) in Sachsen können die Biogasanlagen im Hinblick auf den organischen Bodenkohlenstoff nachhaltig betrieben werden. Der Flächenbedarf, welcher für die Versorgung der Biogasanlage und Gärrestausbringung notwendig ist, nimmt durchschnittlich nur ca. ein Fünftel der landwirtschaftlichen Fläche ein. Der gesamte Kohlenstofffluss in den Boden ist in der Untersuchungszeit angestiegen und der Beitrag verschiedener Kohlenstoffquellen hat sich geändert. Flächen, die durch die Biogasproduktion betroffen sind, zeigten aufgrund des hohen Beitrags der Gärreste und der Koppelprodukte höhere Kohlenstoff-Reproduktionsraten verglichen mit der umliegenden landwirtschaftlichen Fläche.
Zusammenfassend zeigt die vorliegende Doktorarbeit, dass Gärreste zu der Produktivität sowie der Erhaltung des organischen Kohlenstoffs im Boden in landwirtschaftlichen Anbausystemen beitragen können.
The United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) reached an agreement to combat climate change by keeping a global temperature rise this century less than 2 °C above pre-industrial levels. One of the measures to achieve this goal is to increase the share of renewable energy, e.g. the share of biogas which is produced by anaerobic degradation of biomass. During this process microorganisms transform biomass into methane (CH4) and carbon dioxide (CO2). The remaining organic and inorganic matter is a secondary product which is called biogas residue (BGR), which is usually used in the agriculture as organic fertilizer. As during the anaerobic digestion process about 60% of carbon is transformed into CH4 and CO2, it cannot be returned to the soil to rebuild soil organic matter (SOM). This supports the presumption that compared to undigested fertilizer this carbon extraction from the agricultural system can lead to soil carbon decrease and soil degradation. Soil organic carbon (SOC) is a part of SOM which is an essential component of soil that improves the soils functions thereby supporting several ecosystem services. Although BGRs are known as a predominantly positive crop fertilizer and soil conditioner, the effects on SOC are rarely studied, because the application of these substances within agriculture is a relatively new concept.
As biogas production expands globally, it is necessary to understand its environmental consequences. In this context, the overarching goal of this thesis was to contribute to an improved understanding of the BGR effects in agricultural systems. The objectives of this thesis were:
a) to identify the effects of separated BGRs from industrial and municipal wastes on yield formation and grain yields,
b) to determine the impact of the implementation of biogas production on the SOC on the farm scale,
c) to identify the areal demand for biogas production and its impact on carbon fluxes on the landscape scale.
To reach these objectives in the first step a field experiment was conducted to derive the information about the effect of different BGRs (treated / untreated, agricultural / industrial and municipal waste) on soil and crops (grain yields, yield formation). In the next step, a farm scale study was performed to determine the impact of the implementation of biogas production implementation on the SOC. Here the focus was on agricultural and untreated BGRs due to their relevance and wide distribution. Therefore a system with a farm and an agricultural biogas plant (BGP) was regarded. A process model (CANDY: Carbon and Nitrogen Dynamics) was applied to make predictions for the SOC development over time. Incubation experiments were used for estimation of SOM turnover parameter for BGRs. In the next step the estimated parameters were applied on a landscape scale (Saxony). Here a quantitative and qualitative analysis of the SOC fluxes which were changed through BGP was conducted. Additionally a methodology of a BGP areal demand calculation, so called “biogas fingerprint area” was worked out.
The following results were obtained:
a) the initial short-term fertilization effect of soil treated with BGRs from industrial and municipal wastes is similar to agricultural BGRs and mineral fertilizer. Liquid fractions of BGRs caused less plants per m² than solid or complete BGRs, what was attributed to phytotoxic potential of the liquid fractions on the germination. Despite that, liquid fractions caused higher total grain yields than solid fractions. Here, barley compensated the disadvantages at the beginning during the vegetation period with higher number of ears per plant and grains per ear.
b) the values for the SOM turnover parameters for the process model CANDY were determined and a linear relationship between those parameters and chemical properties of BGRs (pH and C/Norg) was found. The findings at the farm scale suggest that the replacement of undigested organic fertilizers with BGR did not lead to a decrease in SOC within ten years of BGR application. Furthermore, the model indicated that, despite carbon removal during anaerobic digestion, the SOC did not decrease under the tested cropping conditions (until 2050).
c) in Saxony, BGPs can be operated sustainably with regard to SOC recycling. The “biogas fingerprint area” which is required to supply the BGPs and dispose of their BGRs, is on average only approximately the fifth part of the agricultural land. Overall, the total C flux into the soil increased in the observed time and the contribution of different C sources changed. Areas affected by biogas production showed higher SOC reproduction rates than the surrounding agricultural land due to high contributions from BGR and crop residues.
In conclusion, the present thesis shows that BGRs can contribute to productivity as well as to the maintenance of SOC in agricultural cropping systems.
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