FiBL 08.02.2016
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Research Institute of Organic AgricultureForschungsinstitut für biologischen LandbauInstitut de recherche de l’agriculture biologique
Möglichkeiten der Nährstoffmobilisation (P, K)aus dem BodenDr. Else Bünemann-König ([email protected])
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Gliederung
1. Phosphor- Formen und Prozesse im Boden;
- Aneignungsstrategien von Pflanzen
- P-Kreislauf (Betrieb)
- Formen von P in Düngern und Auswirkungen auf die P-Verfügbarkeit
- P-Recycling: Technologien, P-Verfügbarkeit, Möglichkeiten zur Mobilisierung durch Bioeffektoren
2. Kalium- Formen und Prozesse im Boden
- K-Mobilisierung
3. Kinsey-Bodenuntersuchung- Ergebnisse aus einem Vergleich mit konventioneller Düngung
2
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Phosphor – essentiell aber endlich
3
1. Essentieller Nährstoff
Phosphatabbau in Togo (source: Wikimedia)
Algenblüte im Baldeggersee 1982 (Photo: Stadelmann)
3. Umweltschadstoff
2. Nicht-erneuerbare Ressource; geopolitischer Aspekt
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Phosphordynamik im Boden
4
Bodenlösung
MikrobielleBiomasse
Organisch:
Tote organische Substanz
Anorganisch:
P-Minerale
Aufnahme
Verwitterung
Verluste: Abschwemmung, Auswaschung, Erosion
Export mit Ernteprodukten Inputs: Mineraldünger, organische Dünger, Ernterückstände
Beispiel für Poolgrössen in mg P kg-1: DOK-Versuch (CON)
380 340
152
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Phosphordynamik im Boden
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Bodenlösung
MikrobielleBiomasse
Organisch:
Tote organische Substanz
Anorganisch:
P-Minerale
Aufnahme
Verwitterung
Verluste: Abschwemmung, Auswaschung, Erosion
Export mit Ernteprodukten Inputs: Mineraldünger, organische Dünger, Ernterückstände
Beispiel für Poolgrössen in mg P kg-1: DOK-Versuch (CON)
380 340
152Mineralisierung/ Immobilisierung
Abbau organischer Substanz
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Abbau organischer Substanz
2. Zerkleinerung durch Regenwürmer, Tausendfüssler, Collembolen etc.
3. Zerlegung durch Enzyme bis zu Monomeren wie Zuckern, Aminosäuren etc.
4. Aufnahme in mikrobielle Zellen
1. Besiedelung durch Pilze und Bakterien
5. Freisetzung durch Frost, Austrocknung, Bodentiere
Managementziel: Freisetzung, wenn Pflanzen Bedarf haben
Whalen 2014
Bodenbiologie+ Klima+ Durchwurzelung
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Anorganische P-Bindung ist abhängig vom pH des Bodens
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P-Festlegung
sauer
neutralalkalisch
sehr hoch
hoch
mittel
gering
Festlegung durch Fe
Ausfällungmit Ca durch Al
Bereich der grössten P-Verfügbarkeit
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P-Aneignung durch Pflanzen
› Aktive Aufnahme notwendig
(grosser Konzentrationsunterschied)
› Phosphat nur wenig mobil im Boden: Verarmungszone um die Wurzeln herum
8
Bodenlösung Pflanze
Neumann & Römheld 2012
Ko
nze
ntr
ati
on
re
lati
v z
um
n
ich
t-d
urc
hw
urz
elt
en
Bo
de
n
Entfernung von der Wurzeloberfläche (mm)
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Wurzelhaare vergrössern die P-Verarmungszone
Gahoonia & Nielsen 2003
Entfernung von der Wurzeloberfläche (mm)
Ph
os
ph
atk
on
ze
ntr
ati
on
in
de
r B
od
en
lös
un
g
a: ohne Wurzelhaare
b: mit Wurzelhaaren
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Mykorrhiza vergrössert die P-Verarmungszone
› ArbuskuläreMykorrhiza (AM) vergrössert die P-Verarmungszone
› Wenn sehr viele Wurzelhaare vorhanden: wenig zusätzliche Wirkung durch AM (aber P-Transport bis zu 15 cm)
Brundrett et al. 1996
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P-Aneignungsstrategien der Pflanze
Wurzelarchitektur:• Intensive
Durchwurzelung des Oberbodens
• Allgemein: viele dünne Wurzeln
P-Mobilisierung:• Wurzel-
ausscheidungen für Desorption, Lösung, Mineralisierung
P-Ausnutzung:• Mehr Biomasse
pro P-Einheit in der Pflanze
Richardson et al. 2011
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Wurzelsystemmit Adventivwurzeln:
(typisch für Einkeimblättrige)
Maize (Zea mays)
Pfahlwurzel:(typisch für Zweikeimblättrige)
Alfalfa (Medicago sativa)
Doussan et al. 2003
Wurzelarchitektur - Beispiele
- Adventivwurzeln fortlaufend gebildet
- Flache Bodenschichten intensiv durchwurzelt
- Trocken-resistenzdurch Pfahlwurzel
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Wurzelsystem-Idealtypen
P K N
White et al., 2013
N-Anreicherungszone(Auswaschung)
P-Anreicherungs-zone
• Diffusion • Diffusion und Massenfluss
• Massenfluss (Nitrat)
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Beispiel für P-Mobilisierung
› Lupinen:
14
www.fun-eco.uni-oldenburg.de
http://www.madrimasd.org
• «Cluster roots» werden nur bei P-Mangel gebildet
• Ausscheidung von organischen Anionen wie Citrat, Malat und Protonen
• Ausscheidung von anderen Stoffen, die mikrobiellen Abbau hemmen
=> Citrat kann P mobilisieren
Andere Beispiele: Buchweizen, Raps, Kirchererbse, …
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Stickstoff-Fixierung kann den pH senken
Rhizobium - +
Römheld 1986
Weissklee
=> P-Mobilisierung in Mischkulturen auf kalkhaltigen Böden möglich
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P-Kreislauf auf Betriebsebene
16nach Richner et al. 2016
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P-Export mit Ernteprodukten
Flisch et al. 2009
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P-Vorräte im Boden
18
Bodenlösung
MikrobielleBiomasse
Organisch:
Tote organische Substanz
Anorganisch:
P-Minerale
Aufnahme
Beispiel für Poolgrössen in kg ha-1: 0-20 cm,1.5 g cm-3
1140 1020
456
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Abnahme der P-Vorräte bei negativer P-Bilanz
19
Jährliche P-Bilanz im DOK
NON -20 kg P/haCON +5 kg P/haORG -5 kg P/ha
P-Vorrat in 0-20 cm (DOK Versuch)
Folgerungen:• Durchwurzelung des Unterbodens fördern• Rückführung von P langfristig notwendig
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Formen von P in organischen Düngern
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Brod et al. 2015
P in organischen Düngern liegt überwiegend anorganisch gebunden vor
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DOK Versuch: Systemvergleich
› Bei Basel; seit 1978
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P-Verfügbarkeit hängt von der P-Bilanz ab
Oehl et al. 2002
FiBL 08.02.2016
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www.fibl.org
ZOFE: Zurich Organic Fertilizer Experiment
› Bei Zürich; seit 1949
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P-Verfügbarkeit hängt von der P-Bilanz ab
› Trotz sehr unterschiedlichen P-Düngern ist P-Verfügbarkeit v.a. abhängig von der P-Bilanz
Annaheim et al. 2015
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P-Mengen in potentiellen alternativen P-Quellen (Zahlen für Deutschland)
25
Klärschlamm ist die wichtigste potentielle P-Recyclingquelle (Schweiz: ca. 6000 t P im Jahr im Abwasser; Rückgewinnung von P ab 2026 Pflicht)
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P-Recycling aus Klärschlamm
26
www.p-rex.eu
Demo Lab/pilotFull-scale
PEARLStruvit
Asche/simultan zur Verbrennung
Schlamm/Schlammwasser
Thermochemisch,metallurgisch
Asche-Leaching
P-bac (INOCRE)Bio-P
P-RoCCaP/CSH
LYSOGESTStruvite
GifhornStruvit, CaP
AirPrexStruvit
NuReSysStruvit
PHOSPAQStruvit
THERMPHOSP4
RECOPHOS DEMCP
TetraPhosH3PO4
BudenheimDCP
RECOPHOS FP7H3PO4
CrystalactorStruvit, CaP
FIX-PHOSCaP/CSH
REPHOSStruvit
ECOPHOSDCP
Zentratfällung/Schlammfällung
StuttgartStruvit
STRUVIAStruvit
AshDec (Outotec))P-mineral
MEPHRECP-Schlacke
LEACHPHOSP-mineral
DüM-IndustrieMineraldünger
KUBOTAP-Schlacke
Schlamm-Leaching
Fällungs-reaktionen:Struvit(Magnesium-Ammonium-Phosphat)
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P-Recycling aus Klärschlamm
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Demo Lab/pilotFull-scale
PEARLStruvit
Asche/simultan zur Verbrennung
Schlamm/Schlammwasser
Thermochemisch,metallurgisch
Asche-Leaching
P-bac (INOCRE)Bio-P
P-RoCCaP/CSH
LYSOGESTStruvite
GifhornStruvit, CaP
AirPrexStruvit
NuReSysStruvit
PHOSPAQStruvit
THERMPHOSP4
RECOPHOS DEMCP
TetraPhosH3PO4
BudenheimDCP
RECOPHOS FP7H3PO4
CrystalactorStruvit, CaP
FIX-PHOSCaP/CSH
REPHOSStruvit
ECOPHOSDCP
Zentratfällung/Schlammfällung
StuttgartStruvit
STRUVIAStruvit
AshDec (Outotec))P-mineral
MEPHRECP-Schlacke
LEACHPHOSP-mineral
DüM-IndustrieMineraldünger
KUBOTAP-Schlacke
Schlamm-Leaching
Fällungs-reaktionen:Struvit(Magnesium-Ammonium-Phosphat)
Einfache Verfahren ohne Ansäuerung:+ wirtschaftlich & ökologisch sinnvoll
- geringe P-Rückgewinnungsraten
(z.B. PEARL: 15%)
Verfahren mit Ansäuerung:
- sehr teuer und energieaufwendig
+ deutlich effizientere Rückgewinnung
+ hohe P-Rückgewinnungsraten
(z.B. EcoPhos > 90%)- z.T. teuer+ nicht sehr energieaufwendig- Pflanzenverfügbarkeit z.T. sehr gering
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Versuchsbedingungen: Gewächshaus Boden/Sand (pH 7.1) 3 Maispflanzen / Topf 4 Wiederholungen 750 mg P / Topf 2-Jahresversuch
(2013+2014): Keine neue P Zugabe in 2014, um die langfristige Verfügbarkeit zu untersuchen.
RFE = Relative Düngerausnützung
(TSP = 100)
Wilken et al., 2015
Schlamm
Struvit
behandelteKlärschlamm-asche
Amorphes Calciumphosphat
Pflanzenverfügbarkeit von P in den Produkten
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Energieaufwand für P-Rückgewinnung
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www.p-rex.eu
Geringer Energie-aufwand
Hohe P-Rückgewinnung
Remy & Jossa, 2015
Schlamm-Leaching
Fällung
Asche
Höchste P-Rückgewinnung und geringster Energieaufwand bei Klärschlammaschen
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z.B. Klärschlammaschen über den erlaubten Grenzwerten
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Aber: spezifische Belastung geringer als bei Rohphosphat (Cd-Anreicherung nur für Grüngutkomposte zu erwarten)
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Kosten von Recyclingdüngern
› Bei den meisten Verfahren: zur Zeit nicht konkurrenzfähig.
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Im Folgenden:Weitere Ergebnisse zur P-Wirksamkeit verschiedener P-Recyclingdünger.Faktoren:1) Boden-pH2) Pflanzenart3) Bioeffektoren
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www.fibl.org
0
20
40
60
80
100
KSA-tc KSA-c KSA-tc KSA-c
Rela
tive
Wirks
am
keit
(%)
WP = 100%
pH 6.5Mässig P
pH 7.8Wenig P
Effekt des Bodens auf die relative Wirksamkeitvon Klärschlammaschen für Raigras
Oberson et al. unveröffentlicht
thermo-chemisch
nass-chemisch
thermo-chemisch
nass-chemisch
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0
20
40
60
80
100
120
Ital. Raigras Raps Luzerne
Re
lativ
e W
irksa
mkeit (
%)
pH 6.5 pH 7.8 pH 6.5 pH 7.8pH 6.5 pH 7.8
140
Relative Wirksamkeit von nachbehandelter Klärschlammasche für verschiedene Pflanzen
WP = 100%
Oberson et al. unveröffentlicht
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www.fibl.orgEinfluss verschiedener Phosphordünger auf das Wachstum von Mais
35
Foto: Symanczik
Interaktion mit verschiedenen Bioeffektoren:TrichodermaPseudomonasBacillusAlgenextrakte (neutraler Boden)Huminsäuren (alkalischer Boden)
www.fibl.org
Bioeffektoren und P-Düngerwirkung (Mais)
36
TrichodermaOhne BE Pseudomonas Bacillus
0
5
10
15
20
25
30
35
0P TSP RP Composted
cow manure
Composted
horse manure
*
*** ***
*
0
5
10
15
0P TSP RP Fresh
digestate
Mature
Compost
* *
pH (CaCl2)=6.8P CAL =6.5 mgP kg-1
C org=2.6% Schweiz
pH (CaCl2)=7.3P CAL =19.2 mgP kg-1
C org=1.34% Italien
Sp
ross
-Tro
cke
nm
asse (g
)
Symanczik et al. unveröffentlicht
• Wirksamkeit der Bioeffektoren abhängig von Bodentypen und Düngerquelle
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Screeningexperiment – neutraler Boden
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Pellets besonders wirksam Pseudomonas-Effekt v.a. in Kombination mit org. Düngern Algenextrakt-Effekt in Kombination mit Pseudomonas und PelletsBioeffektoren-Mix nicht wirksam
Sp
ross
-Tro
cken
mas
se (
g)
Rohphosphat KompostGärgut Mist PelletsOhne P
Symanczik et al. unveröffentlicht
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Screeningexperiment – alkalischer Boden
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Pellets besonders wirksam
Huminsäure-Effekt (mit Gärgut, Mist und Pellets), bis zu 100 % Zuwachs
Bioeffektoren-Mix-Effekt (mit Gärgut)
Sp
ross
-Tro
cken
mas
se (
g)
Rohphosphat KompostGärgut Mist PelletsOhne P
Symanczik et al. unveröffentlicht
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Effektivität organischer Dünger abhängig vom Bodentyp
Pellets: Effizienz vergleichbar mit TSP → gute Alternative in der organischen Landwirtschaft
Gärgut: Gute Wirksamkeit in neutralem Boden
Huminsäuren: Grosses Potential in alkalischen Böden → Untersuchungen im grösseren Massstab
Schlussfolgerungen vom Screeningexperiment
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Schlussfolgerungen zu P
› Gute Bewirtschaftung der organischen Substanz (für organisch gebundenen Phosphor)
› Gutes Wurzelwachstum und Mykorrhizierung tragen erheblich zu P-Aufnahme bei
› Langfristige Verarmung der Böden an P vermeiden
› P-Verfügbarkeit ist von der P-Bilanz abhängig
› Verschiedene Recyclingdünger sind in der Entwicklung; Pflanzenverfügbarkeit variiert, aber häufig so gut oder besser als bei Rohphosphat
› Kombination von Recyclingdüngern mit Bioeffektoren scheint vielversprechend zu sein
› Humuswirkung für Biobetriebe wichtig (Kompost und festes Gärgut besonders wirksam)
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Anteile verschiedener K-Formen im Boden
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Ausscheidungen von Wurzeln und Mikroorganismen beeinflussen die K-Freisetzung
Feldspat, Glimmer
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Düngung nach Kinsey
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• William A. Albrecht (1888-1974): University of Missouri
• Neal Kinsey: Bodenuntersuchung und Beratung
• Den Boden ernähren => der Boden wird die Pflanze ernähren; Produktqualität, Tiergesundheit, menschliche Gesundheit hängen davon ab
• Weniger N, P, K als in konventioneller Düngung
• Mehr Bedeutung für Ca (wichtig für Proteinbildung, aber auch für gute Struktur in schweren Böden), Mg, K, und die Balance zwischen ihnen (je nach Bodenart), die auch biologische Aktivität des Bodens beeinflusst
• pH nicht entscheidend, nur Ca (nicht bewiesen)
• Ideale Zusammensetzung austauschbarer Kationen: 10% H, 60-75% Ca, 10-20% Mg, 2-5% K, 0.5-5% Na, 5% andere.
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Gegenseitige Beeinflussung der Nährstoffe
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› Antagonismus stark
› Antagonismus schwach
› Synergismus
CuMg
Zn
N
B
P
Fe
K
Mn
CaNa
http://www.beratung-mal-anders.de // ASHMEAD
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www.fibl.org (Photo: R.A. STURNY, 2004)
Dauerbeobachtungsfläche „Oberacker“: Direktsaat und Pflug im Systemvergleich ab 1994
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Vergleich Düngung nach Kinsey mit CH-Empfehlungen (GRUDAF)
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Weniger P und K, mehr Ca, Mg, S bei Kinsey
Zn, B, Mn
Stettler, Sturny, Chervet (HAFL, Fachstelle Bodenschutz Bern)
www.fibl.org 48Stettler, Sturny, Chervet (HAFL, Fachstelle Bodenschutz Bern)
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www.fibl.org 49Stettler, Sturny, Chervet (HAFL, Fachstelle Bodenschutz Bern)
www.fibl.org 50Stettler, Sturny, Chervet (HAFL, Fachstelle Bodenschutz Bern)
FiBL 08.02.2016
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Erträge im Versuch Oberacker 2009-2015
51Sturny, Chervet (Fachstelle Bodenschutz Bern)
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Schlussfolgerungen
52
• Unterschiede in der Versorgung zwischen Kinsey und GRUDAF sind nachweisbar für K, Mg, S, B und Zn (Bodenanalyse)
• Erträge: DS > PF, besonders bei Kombination von DS mit Kinsey
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