Podzemná voda Zväzok 10. Model a pilotný projekt v Dolnom Sasku
1 Objem podzemnej vody 10 Štátna agentúra Dolného Saska pre vodné hospodárstvo, ochranu pobrežia a ochranu prírody Model Dolného Saska Weser Labe a pilotný projekt pre pestovanie energetických plodín, prevádzku bioplynových staníc a správu digestátu podľa požiadaviek ochrany vody
2 Objem podzemnej vody 10 Štátna agentúra Dolného Saska pre vodné hospodárstvo, ochranu pobrežia a ochranu prírody Ems Weser Elbe Model Dolného Saska a pilotný projekt pre pestovanie energetických plodín, prevádzku bioplynových staníc a správu digestátu podľa požiadaviek ochrany vody
3 nášmu váženému kolegovi a priateľovi Hinrichovi Speckmannovi november 2009 Weser Ems Vydavateľ: Štátna agentúra pre vodné hospodárstvo, ochranu pobrežia a ochranu prírody Dolného Saska Am Sportplatz Norden Túto správu pripravila: Inžinierska asociácia pre poľnohospodárstvo a životné prostredie IGLU: Dr. agr. Christine von Buttlar Dipl. Ing. agr. Birgit Kräling Dipl. geograf. Andreas Rode Dipl. Ing. agr. Henning Mund NLWKN kancelária Aurich: Dipl. Ing. Andreas Roskam 1. vydanie: jún 2010, 1000 kusov Referencia: Štátna kancelária Dolného Saska pre vodné hospodárstvo, pobrežie a ochranu prírody Am Sportplatz Norden Vytlačené na 100% recyklovanom papieri
5 6.3.1 Skúšobné miesto v okrese Gifhorn WGG Eischott/Westerbeck Zkušební místo v okrese Hanover WSG Fuhrberger Feld Zkušební místo v okrese Wittmund WSG Sandelermöns Vzťah medzi hnojením, výnosom a N min na príklade kukurice Špecifický výťažok metánu a ekonomické hodnotenie Odporúčania týkajúce sa miesta Hlboké, dobre vodonosné miesta s nízkou akumulačnou schopnosťou vody Hodnotenie energetických plodín a možné optimalizačné opatrenia z hľadiska ochrany vody Celozrnná siláž (GPS) Podsadená tráva v zimnom zrne Využívanie ornej trávy Trvalé využitie trávnych porastov Zhrnutie výsledkov Príklady striedania plodín Optimalizácia podľa aspektov ochrany vody Optimalizácia striedania plodín pre ľahké polohy Optimalizácia striedania plodín pre dobré polohy Možnosti propagácie kultivačných metód vhodných pre podzemné vody Zhrnutie a odporúčania Zdroje do budúcnosti
7 Tabuľka 32: Stručné hodnotenie: zmiešané pestovanie kukurice a slnečnice. 96 Tab. 33: Stručné hodnotenie: Sudánska tráva a cirok bicolor. 97 Tab. 34: Prehľad: opatrenia na zachovanie vody pri kultivácii ciroku. 98 Tab. 35: Stručné hodnotenie: Využitie dvoch kultúr Tab. 36: Stručné hodnotenie: Celozrnná siláž (GPS) Tab. 37: Stručné hodnotenie: Podsadená tráva v ozimných obilninách Tab. 38: Stručné hodnotenie: Využitie ornej trávy Tab. 39: Stručné hodnotenie: trvalé trávne porasty Tab. 40: Prehľad: Vyhodnotenie ochrany vodných zdrojov energetických plodín Tab. 41: Prehľad: Optimalizačné opatrenia a potenciály ochrany vôd Tab. 42: Príklad výpočtu pre hodnotenie ochrany vodných zdrojov pri rotácii energetických plodín na ľahkých stanovištiach
21 Obr. 4: Počet zariadení na výrobu bioplynu, použité substráty a inšt. elektrický výkon v okresoch Dolné Sasko (zdroj ML, 3N a vlastné prieskumy od roku 2008 a Cloppenburg a Friesland 2009, ako aj vlastné výpočty) Obrázok 5: Produkcia hnoja z chovu dobytka [kg N/ha] (podľa LSKN 2007) a trávenie akumulácie [t N/okres] v Dolnom Sasku (vlastné výpočty) 20
23 Obr. 6: Povodia pitnej vody v Dolnom Sasku ovplyvnené obnoviteľnými zdrojmi. Zelená: požadovaná kultivačná plocha v závislosti od výkonu zariadenia ako polomer okolo každej obnoviteľnej bioplynovej stanice, pri el. Výkone 500 ha/mw. Svetlo zelená: polomer 6 km na pestovanie energetických plodín a aplikáciu digestátu okolo BGA 22
25 Obr. 7: Polomery na pokrytie potreby pestovateľskej oblasti kukurice trojstranným striedaním plodín a umiestnenie troch povodí Na obr. 7 je už vizuálne zrejmé, že za týchto predpokladov sú v jednotlivých povodiach pitnej vody pretlačené veľké podiely ornej pôdy. V oblasti ochrany vôd Sandelermöns z. B. aritmeticky je pestovaním bioplynovej kukurice ovplyvnených viac ako 50% ornej pôdy v chránenej vodnej oblasti (tab. 5). Tab. 5: Aritmeticky ovplyvnené pestovaním energetických plodín na ornej pôde vo vybraných chránených vodných oblastiach WSG Celková orná plocha v ZSG Orná pôda s energetickými plodinami v WSG s 3 rokmi striedania plodín [ha] [ha] [%] Sandelermöns% Harlingerland% Aurich-Egels% Z dôvodu priestorových požiadaviek bioplynových staníc by bolo potrebné, aby bola na obrábanie bioplynu k dispozícii všetka orná pôda v rámci okresov. Pretože to tak v skutočnosti nebude, dá sa očakávať, že systémy budú pokračovať vo vysielaní do okolia. Stanovené povodia bioplynových staníc sa tiež prekrývajú z. T. značne. To je jeden z dôvodov, prečo sa dá predpokladať, že trasy budú dlhšie a účinky na chránené vodné oblasti silnejšie 24
26 Záver o plánovaní požiadaviek na pôdu: Uvedený príklad objasňuje, že pestovanie energetických plodín v chránených vodných oblastiach už zaberá miestne značné množstvo priestoru a stáva sa určujúcim smerom použitia. Plochu potrebnú na degradáciu energetických plodín v bioplynovej stanici nie je možné vypočítať plošne. Výkonnosť rastlín, podiel substrátu NawaRo, podiely lesov, konkurenčné využitie v okolí a výnosová schopnosť pôdy sú ďalšie dôležité faktory, ktoré zohrávajú úlohu pri určovaní dopravných trás. V tomto príklade má 1 MW bioplynová stanica polomer najmenej
29 3.3.2 Strata trávnych porastov v Dolnom Sasku podľa okresov Nasledujúci obrázok 10 zobrazuje stratu trávnych porastov v Dolnom Sasku medzi rokmi 1999 a 2007 na úrovni okresov. Hodnotenia na obr. 11 ukazujú nielen pokles trávnych porastov, ale aj nárast energetickej kukurice na úrovni okresov. Je zrejmé, že v krajoch s vysokou stratou trávnych porastov sa spravidla pridal aj vysoký podiel energetickej kukurice. Pestovanie energetickej kukurice tiež prispieva k posilneniu trendu obrábania trávnatých porastov. Skutočnosť, že štatistický nárast trávnatých porastov nemusí vždy ísť ruka v ruke s vytváraním nových trávnatých plôch, sa ukazuje v okrese Soltau-Fallingbostel, kde k rekvalifikácii bývalých vresov došlo k zvýšeniu o 4 000 hektárov trávnatých porastov. Skutočná plocha hromady by preto mala byť nastavená vyššie. Obrázok 10: Zmeny podielu trávnatých porastov v rokoch 1999 až 2007 v okresoch Dolné Sasko a poloha povodí (modrá) (databáza: Správy o úrode LSKN 2008, vlastné vyobrazenie) 28
30 Zmena pomeru trávnatých a orných pôd medzi rokmi 1999 a 2007 v [ha] WTM BRA VEC OS OL LER NOH FRI EM S CLP AUR WST WHV OS OL EM D DEL VER UE STD SFA ROW OHZ LG DAN WL CUX CE SHG NI HOL HI HM DH H WF PE OHA NOM HE GS GÖ GF WOB SZ BS Pasienková silážna kukurica Obr. 11: Zmena trávnatých plôch a silážnej kukurice podľa okresov Dolné Sasko v rokoch 1997 až
33 Záver orby trávnatých plôch: Hlavným záujmom vodného hospodárstva je vyhnúť sa orbe trávnatých porastov s výsledným lúhovaním dusíka. Strata trávnatých porastov v Dolnom Sasku v rokoch 1999 až 2007 predstavovala okolo hektárov; aké N vydanie
36 Obr. 14: Umiestnenie prítokových plôch a priemerné trvanie prietoku (nenasýtená zóna a podzemná voda) do skúmaných meracích miest, ako príklad. V nasledujúcom kroku je potrebné zmiešať informácie o použití s informáciami o podzemných vodách. V ideálnom prípade by sa tieto mali zhromažďovať v spádovej oblasti vybraných meracích bodov. Ak tieto informácie nie sú k dispozícii, môžu sa na prehľad použiť údaje z poľnohospodárskej štatistiky a empirické hodnoty: Vplyvy pestovania energetických plodín na kvalitu priesakovej vody Zmena v použití v okrese Cloppenburg sa zistila na základe poľnohospodárskej štatistiky. Priemerné jesenné hodnoty N min boli odvodené z údajov zhromaždených v rámci projektu M&P a z nich bola vypočítaná kvalita priesakovej vody (tab. 9). Napríklad pestovanie silážnej kukurice sa do roku 2003 pôvodne mierne znížilo. Z tohto dôvodu sa pestovalo viac kukurice na zrno na kŕmne účely. Silný nárast kultivácie silážnej kukurice od roku 2003 je spôsobený hlavne používaním bioplynu (LSKN 2007). K rozšíreniu pestovania došlo na úkor pestovania kukurice na zrno, ako aj iných druhov ovocia a trávnych porastov. Podľa VTI 2009 (Nitsch et al. 2009) je najbežnejším ovocím vypestovaným po rozoraní trávnatých porastov silážna kukurica. 35
40 Obr. 15: Poloha a elektrický výkon aktuálne evidovaných bioplynových staníc, ako aj celkový výkon elektrárne podľa okresov (Zdroj: 3N, vlastné prieskumy) Záver: Databáza bioplynových staníc: V súčasnosti neexistujú štandardizované súbory údajov o bioplynových staniciach, ktoré by vyhovovali požiadavkám vodárenského priemyslu v Dolnom Sasku, kde priestorové rozdelenie a použité substráty predstavujú slabé miesta. Databáza vytvorená z aktuálne dostupných údajov môže byť naďalej použitá ako základ pre jednotné zaznamenávanie bioplynových staníc na štátnej úrovni. V súčasnosti je stále neúplná a mala by sa dokončovať postupne. Tiež by sa mala aktualizovať raz ročne. Okrem ukladania údajov do databázy sa odporúča prepojenie s geografickým informačným systémom. 39
51 Tab. 15: Príklad hnojenia zameraného na ochranu vody pre kukuricu a prísun živín 30 m 3 digestátu Príklad: Hnojenie zamerané na ochranu rastlín NP 2 O 5 K 2 O [kg/ha] [kg/ha] [kg/ha] Cieľ hnojenia Nmin 25 - medziplodina 25 - hnojenie podložím (
1 dt DAP) = požiadavka na digestát: živiny typického N (MDÄ P 2 O 5 K 2 O dávka digestátu 30 m³ 80%) [kg/ha] [kg/ha] [kg/ha] digestát 1. Nawaro digestát 2: Fermentačný zvyšok Nawaro 3: Nawaro + tekutý hnoj Fermentačný zvyšok 4: Nawaro + tekutý hnoj + HTK fermentačný zvyšok 5: Coferments + Nawaro + tekutý hnoj + HTK zelená: dávka fermentačného zvyšku upravená; Oranžová: Zvyšok po fermentácii je príliš vysoký Tab. 16: Príklad cieľovo hodnoteného hnojenia pre kukuricu a výživu s 30 m 3 digestátu Príklad: Cieľovo hodnotovo orientované hnojenie NP 2 O 5 K 2 O [kg/ha] [kg/ha] [kg/ha] Cieľ hnojiva Nmin 25 - Úlovok 25 - hnojenie pod nohami (
Na plochy sa privedie 13 300 ml digestátu. Úroveň individuálnej farmy: V roku 2007 obrábala projektová farma pre bioplynovú stanicu plochu 16 hektárov kukurice a 5 hektárov zrna GPS. Celkové vstupné množstvo t tieklo späť do spoločnosti ako digestát (880 m³). Kvôli fermentácii bravčového hnoja a HTK sa zvyšuje vrátené množstvo živín na hektár obrábanej plochy. V súvislosti s kultivačnou plochou NawaRo 21 ha by sa vrátilo 190 kg N/ha (s 80% MDÄ) alebo viac ako 42m³/ha digestátu. Pri hnojení podľa metódy cieľovej hodnoty alebo podľa ochrany podzemných vôd 51
57 Tab. 20: Plán distribúcie digestátu (a) pre 740 kwel. Zariadenie na výrobu bioplynu, úrovne naplnenia skladu šetriacou vodou (b) a obvyklé (c) distribúcia digestátu (a) plán distribúcie digestátu, ak sa neuplatňuje jesenná aplikácia. Požiadavka na substrát pre zariadenie na výrobu bioplynu:
t FM/rok výstup substrátu po odpočítaní strát (faktor Fugat):
t FM/rok (z 320 ha kultivačnej plochy) stredný obsah N v digestáte 4,3% plán distribúcie digestátu bez jesennej aplikácie Aplikácia digestátu na ovocné plochy [m³/ha] Celkové množstvo [m³ na plodinu] [ha] september-sept. Február - máj jún - júl august/sept. Február/marec apríl/máj jún/júl Pšenica ozimná (trh) GPS raž Kukurica silážna Slnečnica Úrodná úroda Celkom 320 hektárov energetických plodín b) Ročný cyklus úrovne naplnenia a požadovaného úložného priestoru, ak sa jesenná aplikácia neaplikuje včasná aplikácia pre medziplodinu Zrieknutie sa jesennej aplikácie (skladovaním, ďalšie
11 t N na jar) Fyziologicky prijateľná aplikácia pružiny. Zvyšky trávenia: august september november december január február apríl máj jún júl Celkový prítok m³ odtok m³ zostatok v m³ úroveň naplnenia x mesiacov skladovacia kapacita: 6 mesiacov 31% 47% 64% 81% 97% 114% 101% 87% 0% 17% 20% 36% 7 mesiacov 26% 40% 55% 69% 83% 98% 86% 75% 0% 14% 17% 31% 8 mesiacov 23% 35% 48% 60% 73% 85% 75% 65% 0% 12% 15% 27% c) Každoročná zmena úrovne naplnenia a požadovaného skladovacieho priestoru, berúc do úvahy jesennú aplikáciu, skorú aplikáciu pre medziplodiny, jesennú aplikáciu pre obilniny v obdobiach s vysokými stratami. Rastlina je fyziologicky citlivá na jar. Ale: musí byť doplnený minerálmi. Množstvá natrávenia: august september november december január február marok máj jún júl Celkový prítok v m³ Odtok v m³ Zostatok v m³ Hladina naplnenia pri x mesiacoch skladovacej kapacity: 6 mesiacov 16% 2% 19% 35% 52% 69% 70% 72% 0% 2% 5% 21% Legenda: označuje časy, keď je prekročená dostupná kapacita úložného priestoru, označuje požadovaný úložný priestor 56
Testovaných bolo 62 nových plodín, ako sú slnečnice, slnečnice kukuričné v zmiešanom pestovaní a druhy ciroku. Kultivácia prebiehala ako hlavná plodina s medziplodinami a bez medziplodín (zelená raž, trávy), ako aj príkladne v systéme využívania dvoch plodín. Ďalej bolo sprevádzané následné využitie zoraných plôch a boli preskúmané rôzne opatrenia na obrábanie pôdy na zníženie jesenných N min. Tab. 22: Informácie o realizácii testu Testovacie otázky Opatrenie a implementácia Optimalizovaná kontrola hnojiva: Cieľ: Zamedzenie N previsov Hladina N priateľská k podzemnej vode (
71 Vodné pestovanie energetických plodín a prevádzka bioplynových staníc Kukurica s nižšie zasiatymi plodinami: Ranná podsadená červená kostrava a neskorší široký výsev ríbezle nemali žiadny negatívny vplyv na výnos sušiny. Vyváženie N je na relatívne rovnakej úrovni pre obidva varianty testu (
-75 kg N/ha) negatívne. Z dôvodu reverzného obrábania pôdy a kultivácie s prezimovaním sa očakávaný pozitívny vplyv podsevu na jeseň Nmin nedostavil. Záver pre umiestnenie v okrese Osnabrück: S úrovňou hnojenia N 165 kg N/ha pre silážnu kukuricu je optimálny výnos už dosiahnutý a jesenné hodnoty Nmin sú výrazne znížené. Počas leta sa na dlhodobé ekologické hnojenie a na svahoch na odporúčanie dusíka a zlepšenie splavnosti odporúčajú predčasne vysiate plodiny. Obr. 11: LK Osnabrück, podsadba trávy kostnej v kukurici, 9/2007 Obr. 12: LK Osnabrück, kostrava červená, podsadená v kukurici, 9/2007 Obr. 13: Podsadená tráva s uchytením pôdy pri koreňovom bale 70
Dosiahnutý vyšší výnos o 73 DM/ha v porovnaní s nízkou úrovňou dusíka (195 dt v porovnaní so 176 DM/ha). Jesenný N min mohol byť znížený o 10 kg N/ha pri zníženej hladine N (na 40 kg N min/ha), bolo urobené porovnanie medzi hnojením digestátom a čisto minerálnym hnojením N. K hnojeniu zvyškov fermentácie (30 ml s 69 kg N/ha) došlo bezprostredne pred kultiváciou kukurice pomocou aplikácie vlečnej hadice. V štádiu 4 listov došlo k čisto minerálnemu hnojeniu dusíkom. Ďalších 40 kg N/ha bolo pridaných do oboch testovaných variantov zavlažovaním odpadovou vodou. Oba testované varianty dosiahli rovnaké vysoké výnosy biomasy 190 dt DM/ha. V dôsledku dažďových dažďov je úroveň jesenných hodnôt N min celkovo vysoká. V porovnaní s minerálnym hnojením dusíkom spôsobil zvyšok z fermentácie v prvom roku o 25 kg N min/ha vyššie jesenné hodnoty N min. Na konsolidáciu prvých výsledkov je vhodné pokračovať v testovacej sérii niekoľko rokov. Zmiešané pestovanie kukurice a slnečnice: Pri zmiešanom pestovaní bolo možné dosiahnuť úroveň úrody 143 dt DM/ha. Podiel na výnose slnečnice bol s
O 112 dt DM/ha menej ako podiel na výnose kukurice (
12 dt/ha nad túto hodnotu (obr. 28). Ak nedochádza k zavlažovaniu, vysoký prívod dusíka zaisťuje výnosový potenciál (maximálne výťažkové rozdiely), zatiaľ čo málo hnojené plodiny sa po suchom období zrútili. Na týchto slabých pôdach chudobných na vodu a živiny je mikrobiologická aktivita pôdy obmedzená nedostatkom vody, takže sa neuvoľňuje dostatok živín. Ak sa však použije zavlažovanie, je zrejmé, že znížené hladiny dusíka vedú tiež k porovnateľným alebo ešte lepším výnosom (2009). V priemere za všetky roky všetky tri výšky dusíkatých hnojív vykazovali záporné bilancie dusíka. 74
60% menej NS) a vysoký výnos 139 dt DM/ha bez zavlažovania. Zrno GPS umožnilo takmer vyváženú rovnováhu dusíka a nízku jesennú hodnotu N min. 26 kg N/ha. Obr. 19: LK Hannover, druhá plodina slnečnice a ciroku po nových zemiakoch so zavlažovaním,