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Vorort-Methoden zur Bestimmung des sofort verfügbaren Stickstoffgehalts in Gülle und Gärrest

Ein häufiges Problem für die Landwirte ist die zeitliche Distanz zwischen Probenahme und dem Erhalt der Nährstoffergebnisse aus dem Labor. Oft wird die Probe falsch genommen, da die Gülle zur Probenahme nicht ausreichend homogenisiert wurde, oder er wird erst eine Probe bei der Ausbringung genommen und die Gülleapplikation erfolgt nach Tabellenwerten. Dann wird oft erst mit dem Erhalt der realen Ergebnisse aus der Laboranalyse die ausgebrachte Nährstoffmenge angepasst. So ein Vorgehen birgt Gefahren und wird in Zukunft nicht mehr zulässig sein.

Durch Vorort-Methoden kann der Landwirt den sofort verfügbaren Ammoniumanteil in seinem organischen Dünger bestimmen. Ausgehend vom Ammoniumgehalt kann eine organische Düngung erfolgen. Der Ammoniumgehalt im organischen Dünger korreliert je nach Art der Gülle (Rind, Schwein (Mastschweingülle, Sauengülle), verschiedene Gärreste) mit dem Gesamt-Stickstoffgehalt. Ausgehend hiervon kann der Gesamtstickstoffgehalt über Standard-Tabellen im organischen Dünger abgeschätzt werden. Dabei ist es wichtig, dass für den Gesamt-Stickstoffgehalt in dem organischen Dünger der höchste Wert aus den Standart-Tabellen angenommen wird. Eine organische Düngung über den gesetzlichen Regelungen und über den Bedarf der Pflanzen muss ausgeschlossen werden. Wenn die Analyseergebnisse der zum Labor geschickten Proben verfügbar sind, muss die ausgebrachte Menge diesen Werten angepasst werden. Nährstoffe, die zu wenig gedüngt wurden, können organisch oder in sicher verfügbarer Form mineralisch nachgedüngt werden. Eine Vor-Ort-Methode ersetzt nicht die Analyse der organischen Dünger im dem Labor.

Beispiele für Vorort-Methoden zur Bestimmung des Ammoniumgehalts

Quantofix N-Volumeter

Über das Quantofix N-Volumeter wird der Ammonium-Stickstoffgehalt in organischen und anorganischen Düngemitteln bestimmt.

Prinzip: Dem organischen Dünger wird ein Reduktionsmittel (Gemisch aus Natriumhypochlorit-Lösung und Natriumhydroxid) zugeführt. Der direkt pflanzenverfügbare Ammoniumanteil im Dünger verflüchtigt sich als Stickstoff-Gas, das Ammonium oxidiert.

Das entstandene Gas verdrängt Wasser aus dem Sockel des Quantofix N-Volumeter in einen Messzylinder, auf dem eine kalibrierte Messskala abgetragen ist. An dieser kann man den Ammoniumgehalt in dem Düngemittel ablesen.

Um ein repräsentatives Ergebnis zu bekommen, muss der Dünger vor der Probenahme homogenisiert werden. Es sollten mehrere Entnahmestellen benutzt werden, damit die Mischprobe repräsentativ ist.

Agros Nova

Mit dem Agros Nova lässt sich der Ammoniumgehalt von organischen Düngern bestimmen. An einem verschließbaren PVC-Rohr ist ein Manometer angebracht. Ein Reaktionsmittel reagiert mit dem Ammonium, N₂ gast aus und es entsteht in dem PVC-Rohr ein Druck. Dieser Druck wird von einem Manometer gemessen, dessen Skala kalibriert ist. An dem Manometer wird der Ammoniumgehalt in kg pro m³ abgelesen.

Nahinfrarotspektroskopie-Sensor (NIRS-Sensor)

Einsatz von NIRS-Technik

In organischen Düngern ist die hohe Variabilität der Nährstoffe zu beobachten. Auch wenn die Gülle über einen langen Zeitraum homogenisiert wurde, kann es zu starken Nährstoffschwankungen kommen. Diese Schwankungen können über eine Mischprobe in Laboranalysen kaum ermittelt werden. Die Folge: Die Düngung mit einem organischen Dünger erfolgt nicht nach dem Bedarf der Pflanze - es gibt also über- und unterdüngte Teilflächen. Neben Ertragseinbußen kommt es gerade in den überdüngten Bereichen zu negativen Umwelteinflüssen.

Um die Nährstoffe bedarfsgerecht applizieren zu können, müsste der organische Dünger während der Ausbringung analysiert werden.

Eine innovative Möglichkeit bietet der Einsatz der NIRS.

Zum Erfüllen der Dokumentationspflicht nach der Düngeverordnung (2017) ist NIRS nicht zugelassen. Über einen Vollzugshinweis haben einige Bundesländer wie zum Beispiel Nordrhein-Westfahlen (NRW) eine Ausnahmeregelung getroffen.

Exkurs: Vollzugshinweis für die Umsetzung der Düngeverordnung in NRW ist die NIRS-Technik nach §3 Absatz 4 zugelassen:

  • Bei flüssigen Wirtschaftsdüngern wird die Ermittlung des Nährstoffgehaltes mittels NIRS-Sensortechnik gemäß DLG-Zertifizierung anerkannt.
  • Voraussetzung ist die regelmäßige Kalibrierung nach Herstellervorgaben (z.B. jährlichen Wartungsvertrag).
  • Zu dokumentieren sind neben den gemessenen Nährstoff- und TS-Gehalten die Wirtschaftsdüngerart, die Ausbringmenge, der Sensortyp und das Kalibrationsmodell.
  • Zu Dokumentation muss mindestens ein Durchschnittswert je Ausbringungszeitraum aufgezeichnet werden. Ausbringungszeiträume sind das frühe Frühjahr (Ausbringung zu Winterungen), spätes Frühjahr (Ausbringung zur Sommerung) und Herbstapplikation (Applikation nach der Ernte z.B. vor Raps oder Zwischenfrüchten).
  • Je Ausbildungszeitraum sind mindestens die durchschnittlichen Nährstoffgehalte (einschließlich TS-Gehalt), die Ausbringmenge und die Wirtschaftsdüngerart zu melden.

 

Was ist NIRS?

NIRS beschreibt die Messung von Inhaltsstoffen von vorbeiströmenden Gütern mittels Nahinfrarotspektroskopie-Sensoren. Die Lampe, die nahinfrarotes Licht ausstrahlt leuchtet über ein Saphirfenster (Ausrichtung der Lichtquanten) den vorbeiströmenden Massenstrom an. Dabei werden die, sich in dem Gutstrom (Gülle) befindlichen, Wasserstoffverbindungen (O-H, C-H, N-H) angeregt. Ein Teil der von der Lichtquelle ausgesendeten Strahlen wird reflektiert, ein anderer Teil absorbiert und emittiert. Die Folge: Es entstehen stofftypische Spektren (in bestimmten Frequenzbereichen), die von einem Detektor erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.

Der NIRS-Sensor misst damit nicht den Nährstoffgehalt in dem organischen Dünger direkt, sondern nur die vom Stoff reflektierten und emittierten Spektren und wandelt diese in elektrische Signale um. Um aus den elektrischen Signalen die gewünschten Messwerte (TM, Stickstoffgehalt usw.) zu bekommen, muss ein Zusammenhang, eine Kalibration, erstellt werden. Erst über den Vergleich von den online erfassten Spektren mit einem Kalibrationsmodell können die Nährstoffwerte errechnet werden. Um eine Kalibration zu entwickeln müssen viele organische Dünger im Labor auf die herkömmliche Methode untersucht werden und die Messergebnisse des NIRS-Sensor müssen jeweils an die tatsächlichen Nährstoffgehalte über die Messwerte justiert werden.

Vor- und Nachteile von NIRS-Sensoren und der Laboruntersuchung

Tabelle 1: Vor- und Nachteile von NIRS-Sensoren und der nasschemischen Laboruntersuchung (nach LWK Niedersachsen 2019)

Untersuchung mit NIRS Untersuchung im Labor
Probe muss zum Labor Sensor kommt zur untersuchenden Substanz
Für die Probeentnahme muss die Gülle extra homogenisiert werden Messung der vorbeiströmenden, homogenisierten Gülle
Nur ein Probe bzw. eine Mischprobe wird untersucht Online-Messung, mit sehr vielen Messwerten
Einzelprobe ist teuer, damit werden nur wenige Proben genommen Die Kosten werden auf viele Proben verteilt und könne auch auf verschiedene Nutzer aufgeteilt werden
Lange Zeitspanne von Probeentnahme bis zum Ergebnis (Analysedauer) Die Ergebnisse sind Unmittelbar nach der Messung verfügbar
Hohe Messgenauigkeit Die Genauigkeit der Messwerte ist von der Genauigkeit der Kalibration der NIRS Sensors sowie der Beschaffenheit der organischen Substanz abhängig. Für jedes Material müssen Kalibrationen erstellt werden. Ist das Material untypisch (z.B. zu hoher TM-Anteil), dann kann es zu starken Verfälschungen kommen
Untersuchungen können an der gleichen Probe wiederholt werden Keine Wiederholbarkeit
Untersuchungen sind zwischen Laboren vergleichbar (standardisierte Methoden) Sensoren unterschiedlicher Hersteller können aufgrund unterschiedlicher Kalibrationsmodelle nicht verglichen werden
Breite Bandbreite von zu untersuchenden Nährstoffen Kann nur Sauerstoff- und Wasserstoffverbindungen messen, auf die Konzentration von mineralischen Ionen kann nur geschätzt werden (P und K werden nur geschätzt und nicht ermittelt).
Qualitätssicherung gemäß DIN EN ISO 17025 und Akkreditierung von unabhängiger Stelle Qualitätsanforderung liegt in der Verantwortung des Sensorherstellers

Ein Problem bei der NIRS-Technik ist die Kalibration. Oft gibt es schon innerhalb einer Tierart aufgrund der unterschiedlichen Beschaffenheit der organischen Dünger hohe Heterogenität. Da die NIRS-Technik extrem von der Struktur und Beschaffenheit der Gülle abhängig ist, ist eine große Anzahl an Referenzproben notwendig.

Fazit NIRS

Die Trockenmasse, Gesamtstickstoffgehalt und der Ammoniumstickstoffgehalt wird relativ genau bestimmt. Phosphor und Kalium weisen größere Abweichungen in der Bestimmung über die NIRS auf.

Bei der NIRS handelt es sich um eine Sekundärmessung, der eine Messung im Labor vorhergehen muss. Messfehler aus dem Labor können auf die Spektroskopie übertragen werden. Das Weitern können Verschmutzungen am Saphirfenster zu Messungenauigkeiten führen.

Auf der anderen Seite kann über die NIRS eine bedarfsgerechte Düngung bei schwankenden Güllenährstoffgehalten auf Teilflächen erfolgen. Bei der Probeentnahme auf dem Betrieb können keine Fehler mehr gemacht werden, da der Betriebsinhaber in der Regel über den Einsatz der NIRS-Technik keine Laborprobe mehr ziehen muss.

Problem für die Dokumentationspflicht nach der Düngeverordnung: Nicht in allen Bundesländern ist die NIRS-Technik für die Nährstoffdokumentation zugelassen.

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