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 (else.buenemann@fibl.org)

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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

20

Brod et al. 2015

P in organischen Düngern liegt überwiegend anorganisch gebunden vor

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www.fibl.org

DOK Versuch: Systemvergleich

› Bei Basel; seit 1978

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P-Verfügbarkeit hängt von der P-Bilanz ab

Oehl et al. 2002

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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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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)

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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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)

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Bioeffektoren und P-Düngerwirkung (Mais)

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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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www.fibl.org 39

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)

40

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www.fibl.org 41

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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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www.fibl.org 47

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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www.fibl.org

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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Research Institute of Organic AgricultureForschungsinstitut für biologischen LandbauInstitut de recherche de l’agriculture biologique

Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit