Field crops for biogas production – Index of relative agronomical suitability (IrA)

In hauptsächlich mit Mais beschickten Biogasanlagen kommt es häufig zu einem Mangel an Spurenelementen, v.a. Cobalt und Nickel. Der Grund dafür ist, dass Mais nur ein geringes Aufnahmevermögen für diese prozessrelevanten Spurenelemente aufweist. Um diesem Mangel zu begegnen, werden in der Praxis künstlich hergestellte Spurenelementpräparate eingesetzt. Dieser Einsatz kann negative Auswirkungen sowohl auf den Anwender als auch die Umwelt haben, da es sich dabei um Schwermetalle handelt. Alternative Energiepflanzen akkumulieren im Vergleich zu Mais erheblich mehr Spurenelemente. Die Hypothese ist, dass durch die Zumischung von Pflanzen, die Spurenelemente akkumulieren, eine ausreichende Versorgung für die Vergärung gewährleistet ist und auf die Zugabe von Spurenelementpräparaten verzichtet werden kann. Das Ziel dieser Untersuchung war es, spurenelementakkumulierende Pflanzenarten auf ihre Eignung für den Anbau als Energiepflanzen für die Biogaserzeugung zu untersuchen und mithilfe des Index der relativen Anbauwürdigkeit (IrA, Menke 2011) zu bewerten. In zweijährigen Feldversuchen (2014/15 und 2015/16) wurden an zwei Standorten in Südniedersachsen (Göttingen Reinshof, Auenlehm und Schoningen bei Uslar, sandiger Schluff) verschiedene Feldfrüchte angebaut und untersucht: Das waren zum einen die Zweikulturnutzungssysteme aus Wickroggen, Winterackerbohnen, Wintertriticale und ein Gemenge aus Winterackerbohnen und Wintertriticale als Erstfrüchte, jeweils gefolgt von Mais als Zweitfrucht, zum anderen die Sommerhauptfrüchte Sommerackerbohnen, eine einjährige Blühmischung, Amarant, Mais und ein Gemenge aus Amarant und Mais. Außerdem gab es die mehrjährigen Arten Deutsches Weidelgras, eine mehrjährige Blühmischung und Durchwachsene Silphie, die als Dauerkulturen angelegt wurden. Aus Vorversuchen war bekannt, dass besonders Winter- und Sommerackerbohnen, die im Wickroggen enthaltene Winterwicke, einzelne, in den Blühmischungen enthaltene Arten, der Amarant und das Weidelgras reich an Cobalt und Nickel sind. Es fand ein praxisüblicher Einsatz von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln statt. Die Ernte erfolgte praxisüblich. Zahlreiche Parameter wurden erhoben: Bei der Ernte zur Siloreife wurde anhand der Biomasseproben der Trockenmasseertrag und der Trockensubstanzgehalt bestimmt. An den getrockneten Biomasseproben wurden im praktischen Gärversuch (Hohenheimer Biogasertragstest) die spezifischen Methanerträge der Feldfrüchte ermittelt sowie nach Säuretotalaufschluss mittels Emissions- sowie Massenspektrometrie die Spurenelementgehalte analysiert – insgesamt 47, von denen Cobalt und Nickel hier betrachtet werden. Zudem wurde der mineralische Stickstoff im Boden in drei Tiefenstufen bis 90 cm sowohl im Winter (Erstfrüchte, Dauerkulturen, Schwarzbrache) als auch nach der Ernte der Feldfrüchte gemessen. Der Bodenwassergehalt wurde in einer Tiefe bis 80 cm gravimetrisch zu Vegetationsbeginn sowie nach der Ernte der Feldfrüchte bestimmt. Um die Mengen an pflanzenverfügbarem Wasser zu ermitteln, wurde für beide Standorte eine pF-Kurve angefertigt. Außerdem wurden zur Ernte der Feldfrüchte mithilfe von Rammkernsonden Bodenproben zur Ermittlung der Wurzelmasse bis zu einer Tiefe von 60 cm am Standort Reinshof und 30 cm am Standort Schoningen aus dem Boden entnommen. Nach Auswaschung der Proben wurde die Wurzeltrockenmasse bestimmt. Weiterhin wurde eine Online-Umfrage mithilfe des Tools „LimeSurvey“ in der Bevölkerung durchgeführt, um die gesellschaftliche Akzeptanz der untersuchten Energiepflanzenvarianten zu erheben. Insgesamt gingen 575 Fragebogen ein, von denen 446 vollständig waren und damit auswertbar. Schließlich wurde auf Grundlage der im Versuch gewonnenen Daten eine Teilkostenrechnung erstellt und der Deckungsbeitrag für jede Variante ermittelt. Zur Bewertung der Varianten wurde der Index der relativen Anbauwürdigkeit (IrA) weiterentwickelt. Der Index IrA setzt sich nun aus neun Teilindizes zusammen: Spurenelementgehalt (Cobalt und Nickel), Nmin-Menge im Boden über Winter und nach der Ernte, Trockenmasseertrag, Methanflächenertrag, Trockensubstanzgehalt, pflanzenverfügbares Wasser im Boden nach der Ernte, Wurzeltrockenmasse, soziale Aspekte (Akzeptanz der untersuchten Feldfrüchte in der Bevölkerung) und ökonomische Aspekte. Der Wert eines Teilindex für eine Variante ergibt sich daraus, inwieweit die jeweilige Kenngröße, z.B. der Trockenmasseertrag einer Variante, vom Mittel aller untersuchten Varianten abweicht. Günstige Ausprägungen einer Kenngröße, z.B. ein vergleichsweise hoher Trockenmasseertrag oder eine geringe Nmin-Menge im Boden im Winter, führen zu hohen Werten der Teilindizes, ungünstige Ausprägungen entsprechend zu niedrigen. Die Summe der Teilindizes ergibt den Gesamtindex IrA. Je größer der Gesamtindex IrA ist, umso besser wird eine Variante eingestuft. Bei den Varianten des Zweikulturnutzungssystems gehen sowohl die Erst- als auch die Zweitfrüchte in die Indexberechnungen ein. Mithilfe der aus den erzielten Ergebnissen berechneten Teilindizes konnten die Feldfrüchte relativ zueinander bewertet werden. Die Stärken und Schwächen der einzelnen Feldfrüchte wurden sichtbar. Die Aggregation der Teilindizes zum Gesamtindex IrA ermöglichte schließlich die Erstellung einer Rangliste in Abhängigkeit von der relativen Anbauwürdigkeit. Es zeigte sich, dass an beiden Standorten, aufbauend auf dem neunstufigen Bewertungsschema, das Deutsche Weidelgras die anbauwürdigste Variante war. Am Standort Schoningen vereinte diese Variante nahezu alle Teilindizes im positiven Bereich und setzte sich damit weit von den anderen Varianten ab. Am Standort Reinshof war der Unterschied im IrA zwischen dem Deutschen Weidelgras und den ebenfalls positiv bewerteten Varianten, insbesondere den Varianten des Zweikulturnutzungssystems, nicht ganz so groß. Ebenfalls zu einem positiven IrA-Wert kam an beiden Standorten auch die Durchwachsene Silphie. Damit kann sie neben dem Weidelgras und am Standort Reinshof den Zweikulturnutzungssystemen als Energiepflanze für die Biogaserzeugung empfohlen werden. Vor dem Hintergrund einer möglichst guten Spurenelementversorgung des Biogasfermenters können von den Varianten, die einen positiven IrA-Wert erreichten, also überwiegend günstige Ausprägungen bei den relevanten Kenngrößen zeigten, folgende Varianten empfohlen werden: Das Deutsche Weidelgras an beiden Standorten, die Winterackerbohnen gefolgt von Mais am Standort Reinshof sowie, insbesondere, wenn versucht wird, die Schwächen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit auszumerzen, am Standort Schoningen auch die Sommerackerbohnen. Wie die Ergebnisse des Verbundvorhabens zeigen, wird durch die Zugabe dieser Feldfrüchte zu Mais der Spurenelementbedarf des Biogasfermenters zu einem Großteil gedeckt. Die Untersuchungen ließen erkennen, dass es möglich ist, mit IrA und den zugehörigen Teilindizes die relative Vorzüglichkeit einer Feldfrucht hinsichtlich der Biogaserzeugung adäquat und transparent abzubilden. Der Index IrA ist so konstruiert, dass er ohne Weiteres erweitert bzw. an besondere Bedürfnisse angepasst werden kann.Biogas plants that are mainly fed with maize, often show a lack of trace elements, especially of cobalt and nickel. The reason for this is the low absorption capacity of maize of these process-relevant trace elements. To counter these deficiencies, artificially produced trace element additives are used in practice. This use can have negative effects on the environment as it includes heavy metals. Other potential energy crops accumulate significantly more trace elements compared to maize. The hypothesis is, that the addition of crops that accumulate trace elements, ensures a sufficient supply for fermentation and that the artificial trace element additives can be replaced in this way. The aim of this study was to examine trace element accumulating crop species concerning their suitability for cultivation as energy crops and to evaluate them using the index of relative agronomical suitability (IrA, Menke 2011). In two-year field trials (2014/15 and 2015/16), different crops were grown and examined at two sites in southern Lower Saxony (Göttingen Reinshof, Alluvial loam and Schoningen near Uslar, sandy silt): Winter faba bean, winter triticale, the intercropping of winter faba bean with winter triticale and the winter cover crop mixture of winter rye and hairy vetch were grown in a double cropping system with maize. The summer main crops faba bean, an annual flower mixture, amaranth, maize and the intercrop of amaranth and maize as well as the perennial crops perennial ryegrass, a perennial flower mixture and cup plant were also investigated. It was evident from precedent tests that particularly winter and summer faba beans, but also the hairy vetch contained in rye, individual species of the flowering mixtures, amaranth and ryegrass are rich in cobalt and nickel. Numerous parameters were collected: Biomass samples were used to determine the dry matter yield and the dry matter content. The specific methane yield of the crops was determined in the Hohenheim biogas yield test, HBT. 47 trace elements were analysed via total acid digestion and emission and mass spectrometry of which cobalt and nickel are considered here. Mineral nitrogen in the soil (Nmin) was measured at three depths down to 90 cm both in winter (first crops in the double cropping systems, perennial crops, bare fallow) and after harvest of the crops in the summer or autumn. The soil water content was determined gravimetrically at a depth down to 80 cm at the onset of vegetation and after harvest of the crops. To determine the amount of plant available water, a pF curve was established for both sites. Soil samples were taken to record the root mass down to a depth of 60 cm at the Reinshof site and 30 cm at the Schoningen site. Based on these samples the root dry mass was determined. An online survey was carried out using the "LimeSurvey" tool to measure the acceptance of the examined energy crops. A total of 575 questionnaires were received, of which 446 were complete and thus evaluable. Based on the data obtained a direct cost calculation was performed and the contribution margin for each variant was determined. The index of relative agronomical suitability (IrA) was refined to assess the crop variants. The IrA index now consists of nine sub-indices: Trace element content (cobalt and nickel), Nmin in the soil during winter and after harvest, dry matter yield, methane yield per hectare, dry matter content, plant-available water in the soil after harvest, root dry matter, social aspects (acceptance of the examined crops by the human population) and economic aspects. The value of a sub-index for a variant results from the extent to which the respective parameter, e.g. the dry matter yield, deviates from the mean value calculated from all the variants examined. Favourable properties of a parameter, e.g. a comparatively high dry matter yield or a low winter Nmin, lead to high sub-index values. Correspondently, unfavourable properties result in low sub-index values. The sum of the sub-indices results in the overall index IrA. The higher the overall index IrA, the better a variant is evaluated. For the variants of the double cropping system, both the first and the second crop are included in the index calculations. By means of the sub-indices calculated from the examined results, the crops could be evaluated relatively to each other. Advantages and disadvantages of the individual crops became visible. The aggregation of the sub-indices to form the overall index IrA finally enabled the creation of a ranking list depending on the relative suitability. It was shown that the ryegrass crop was the most suitable variant at both sites, based on the nine-stage evaluation scheme. At the site Schoningen, this variant combined almost all sub-indices in the positive range and thus stood out by far from the other variants. At site Reinshof, the difference in the index IrA between the ryegrass and the variants of the double cropping system was not quite as large. The cup plant also achieved a positive IrA value at both sites and can therefore be recommended as an energy crop for biogas production in addition to ryegrass and at site Reinshof to the double cropping systems. Given the fact of the best possible trace element supply for the biogas fermenter, the following variants, showing a positive IrA value, can be recommended: The ryegrass at both sites, the winter faba bean followed by maize at site Reinshof and the summer faba bean at site Schoningen. However, the yield performance of the summer faba bean must be improved substantially in the future. As the results of the collaborative project demonstrate, the addition of these crops to maize satisfy the trace element requirements of the biogas fermenter to a large extent. The investigations have shown that with IrA and the associated sub-indices it is possible to adequately and transparently illustrate the relative agronomical suitability of a crop regarding biogas production. The IrA index is designed in such a way that it can easily be extended or adapted to special needs