Biokaasuteknologiaa maatiloilla II : biokaasulaitoksen käsittelyjäännöksen hyödyntäminen lannoitteena - Virkajärvi, Perttu; Hyrkäs, Maarit; Räty, Mari; Pakarinen, Terhi; Pyykkönen, Ville; Luostarinen, Sari (Luonnonvarakeskus, Luke, 2016)
Biokaasuprosessin vaikutukset naudan lietelannan ominaisuuksiin: • Käsittelyjäännöksen typen käyttökelpoisuus nousi raakalantaan verrattuna ohranviljelyssä, vaikka lieteanalyysissä liukoisen typen pitoisuus ei noussut ja liukoisen typen osuuden nousua ei voitu osoittaa. Käsittelyjäännöksen liukoinen typpi oli ohran lannoitteena täysin väkilannoitetypen veroista, kun raakalannan typpi vastasi 85-prosenttisesti väkilannoitetyppeä. Nurmenviljelyssä raakalannan ja käsittelyjäännöksen typen käyttökelpoisuus oli samaa tasoa. • Käsittelyjäännöksen fosforin käyttökelpoisuus oli korkeampi kuin raakalannan sekä ohran että nurmenviljelyssä. • Biokaasukäsittelyn edullinen vaikutus typen ja fosforin hyväksikäyttöön näkyi käsittelyjäännöksen raakalantaa pienempänä typen ja fosforin ylijäämänä. • Käsittelyjäännös oli tasalaatuisempaa ja juoksevampaa kuin raakalanta ja sen ravinnepitoisuuden vaihtelu oli pienempää kuin raakalannan. • Käsittelyjäännös koettiin teknisesti raakalantaa helpompikäyttöiseksi ja sen hajuhaitat vähäisemmiksi. • Käsittelyjäännöksen pH oli korkeampi kuin raakalannan, mutta tällä ei ollut vaikutusta maan pH-arvoon. • Riippumatta siitä, rajoittaako lannan levitystä kokonaistyppi (nitraattiasetus) vai pellon fosforiluokka, pystyy käsittelyjäännöstä käyttämällä levittämään kerta-annoksena hieman (7 %) enemmän liukoista typpeä hehtaarille. Kotieläintalouden tuotantoyksikkökoon kasvu ja tilojen keskittyminen tietyille alueille ovat johtaneet tilalla syntyvän lantamäärän kasvuun sekä lannan alueelliseen ja paikalliseen keskittymiseen. Nautakarjatiloilla tilan hallinnassa olevat pellot riittävät yleensä vastaanottamaan tuotetun lannan, mutta suurissa eläinyksiköissä lannan kuljetus kauaksi tilakeskuksesta aiheuttaa lisätyötä ja -kustannuksia. Joissain tapauksissa tilan omat pellot eivät riitä vastaanottamaan syntyvää lantamäärää. Lisämaan hankkiminen tai vastaanottosopimukset naapuritilojen kanssa mahdollistavat lannan levittämisen suuremmalle peltopinta-alalle, mutta lisää usein samalla kuljetustarvetta. Lannan tehokkaampi hyödyntäminen prosessoinnin avulla voi nostaa lopputuotteiden lannoitearvoa ja tuottaa myös uusiutuvaa energiaa. Esimerkiksi mekaaninen ja kemiallinen separointi sekä lannan anaerobinen hajotus biokaasulaitoksissa voivat tehdä lannan kuljettamisesta kauemmaksi taloudellisesti kannattavaa ja siten lisätä lannan käytettävyyttä peltolannoituksessa. Lannan sisältämien ravinteiden ja energian tehokas hyväksikäyttö on edellytyksenä niin kestävälle elintarviketuotannolle kuin maatalouden ravinnekuormituksen vähentämiselle. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää naudan lietelannan, tilakohtaisen biokaasulaitoksen käsittelyjäännöksen ja käsittelyjäännöksestä separoitujen neste- ja kuivajakeiden käyttöarvoa nurmen ja ohran tuotannossa verrattuna väkilannoitetyppeen. Laajemmin tavoite oli saada lisää tutkittua tietoa orgaanisten, lantapohjaisten lannoitteiden mahdollisuuksista ravinteiden kierron tehostamisessa ja väkilannoitteiden korvaajana tilakohtaisissa ratkaisuissa. Tutkimus oli osa laajempaa ’Biokaasuteknologian käyttöönoton edistäminen Pohjois-Savossa’ -hanketta, jonka ensimmäinen osaraportti julkaistiin MTT Raporttina 113. Nurmen ja ohran kenttäkokeet toteutettiin kahtena erillisenä lohkoittain satunnaistettuna kokeena Luonnonvarakeskus (Luke) Maaningalla (silloinen MTT Maaninka) vuosina 2009–2012. Molemmissa kokeissa tutkittiin raakalannan, biokaasulaitoksen käsittelyjäännöksen ja jäännöksestä separoitujen neste- ja kuivajakeiden lannoitusvaikutusta. Jakeet annettiin koeruuduille eri tavoin riippuen kasvilajista. Nurmikoe oli nelivuotinen sisältäen perustamisvuoden suojaviljan (ohra), kun taas ohrakokeen tulokset ovat kolmelta vuodelta. Raakalanta ja käsittelyjäännös sijoitettiin 5–7 cm syvyyteen. Jäännöksestä separoidut kuiva- ja nestejakeet levitettiin käsin pintaan ja kuivajae mullattiin äestämällä. Orgaaniset lannoitteet annettiin ohralle keväällä ja nurmelle toiselle sadolle. Nurmi niitettiin aina kahdesti kesässä. Lisäksi kokeessa oli kuusi erilaista väkilannoitteena annettua typpitasoa. Niiden avulla muodostettiin typen satovastefunktiot, joihin orgaanisten lannoitteiden typen hyväksikäyttöä verrattiin. Syksyisin otettiin maanäytteet kolmesta eri syvyydestä. Ohrakokeessa käsittelyjäännöksellä saatiin yhtä suuret sadot kuin vastaavalla liukoisen typen määrällä väkilannoitteessa, paitsi kuivana vuonna 2010, jolloin sato oli 10 % alhaisempi. Raakalannalla sadon määrä oli vain 85 % väkilannoitteeseen verrattuna. Separoinnista ja jakeiden käytöstä ei näyttänyt olevan ohralle erityistä hyötyä. Nurmikokeessa kuivuus aiheutti suuremman eron typen hyväksikäytössä kuin biokaasuprosessi tai separointi: kuivana vuonna raakalanta ja käsittelyjäännös tuottivat selkeästi väkilannoitetta heikomman tuloksen, mutta nestejakeella vastaavaa eroa ei havaittu. Raakalannalla ja käsittelyjäännöksellä ei ollut eroa lannoitusvaikutuksessa. Ohralla typen taseet olivat pääasiassa positiivisia, ja käsittelyjäännöksen tase oli raakalantaa alhaisempi kahtena vuonna. Ohra ei siis käyttänyt kaikkea sille annettua typpeä, mutta käsittelyjäännöksen typpi oli paremmin hyödynnettävissä kuin raakalannan. Nurmella ensimmäisen sadon taseet olivat tyypillisesti negatiivisia, eli nurmi otti typpeä enemmän kuin sille väkilannoitteena annettiin. Tämä vaikutti myös kokonaissadon taseisiin. Nurmi hyödynsi käsittelyjäännöksen typen raakalannan typpeä tehokkaammin ainoastaan vuonna 2012, jolloin käsittelyjäännöksen liukoisen typen osuus kokonaistypestä oli suurempi kuin raakalannalla. Nestejakeella lannoitetut ruudut saivat enemmän kokonaistyppeä kuin muut koejäsenet, mikä näkyi positiivisina taseina joka vuosi. Myös fosforitaseet poikkesivat selvästi kasvilajien välillä. Ohralla fosforitase oli lähes aina positiivinen, myös väkilannoiteruuduilla, kun nurmella fosforin vuositase oli lähes poikkeuksetta negatiivinen. Biokaasuprosessi paransi fosforin näennäistä hyväksikäyttöä sekä ohra- että nurmikokeessa. Sekä raakalannan että käsittelyjäännöksen käytön vaikutus maan viljavuusfosforin pitoisuuteen oli pienehkö, mutta käsittelyjäännöksen käyttö nosti maan viljavuusfosforin pitoisuutta suhteessa raakalannan käyttöön. Todennäköinen syy tähän on biokaasuprosessin aiheuttamat muutokset lietelannan orgaanisen aineksen koostumuksessa, mikä vaikuttaa kilpailuun maan fosforinpidätyspaikoista. Orgaanisten lannoitteiden lannoitusvaikutus, ravinnetaseet sekä maaperän typpikierto ovat selvästi erilaisia nurmenviljelyssä kuin viljanviljelyssä. Tämä selittyy pääosin viljelytekniikan eroilla (mm. lannoitus- ja korjuukertojen määrät, jyvien tai koko kasvuston korjuu) sekä kasvien erilaisella ravinteidenottokyvyllä. Näiden kokeiden perusteella käsittelyjäännöksen edut, etenkin typen ja fosforin käyttökelpoisuuden parantuminen suhteessa karjanlantaan tulevat selvemmin esiin ohran- kuin nurmenviljelyssä.

----------------------------------------------------------------------------------------------- • Plant-availability of nitrogen was higher in digestate than in raw manure when cultivating oat, even though no increase in soluble nitrogen was detected in manure analysis. The soluble nitrogen in digestate was as effective in oat cultivation as mineral fertilizer, while that of raw manure was 85% of mineral fertilizer. In grass cultivation nitrogen plant-availability of digestate and raw manure were similar. • Plant-availability of phosphorus was higher in digestate than in raw manure with both oat and grass cultivation. • The improved nitrogen and phosphorus uptake when using digestate was also shown as less excess of nitrogen and phosphorus than when using raw manure. • Digestate was more homogeneous and fluid compared to raw manure and its nutrient con-tent more stable. • Digestate was technically easier to handle and the research group found its odour less foul than that of raw manure. • Digestate pH was higher than with raw manure but this had no effect on soil pH. • Regardless of the limiting factor in manure fertilization (manure/digestate total nitrogen or soil phosphorus), digestate allowed for a slightly higher dose of soluble nitrogen (7%) per hectare. Increasing unit size of animal husbandry and its concentration into certain regions have led to in-creasing amount of manure per farm and regional concentration of manure. On dairy and beef farms the field area per se is not typically restricting manure use because forage area is in proportion to number of animals. On large units, however, the distances to fields increase and thus transportation of slurry to distant paddocks severely increases transportation costs. In addition, in some cases the field area of one farm may no longer be large enough for manure utilization. To ensure sufficient area for spreading, the farms have had to either increase its field area or hand out manure to neighboring farms. Manure processing, such as mechanical and chemical separation and anaerobic digestion in biogas plants may provide profitable solutions for transporting manure to further distances and thus improve manure utilization in fertilization. Efficient use of manure energy and nutrient content is a prerequisite for sustainable food production and decreasing agricultural nutrient load to the environment. The aim of this study was to find out the fertilizing value of cattle slurry, digestate from a farm-scale biogas plant and the separated solid and liquid fraction of the digestate in barley and grass production. The use of these organic fertilizers was also compared to that of mineral fertilizers. The aim was also to increase empirical data on the possibilities of organic fertilizers for enhancing manure utilization and replacing mineral fertilizers in farm-scale solutions. The field experiments with barley and grass were performed as two separate and randomized complete block design experiments in Luke Maaninka research station during 2009−2012. Both experiments studied the fertilizing effect of raw slurry, digestate and separated solid and liquid fractions of digestate. The different organic fertilizers were spread to the field plots dependent on the plant species. The experiment of grass silage took four years including the whole crop (barley) in the establishment year, while the results of the barley experiment are from three years. Both slurry and digestate were injected into the depth of 5−7 cm with a plot-sized slurry spread-er. Fractions were spread to the surface of soil by hand and solid fraction was mixed in to the soil by harrowing. Organic fertilizers were spread for the barley in the spring and for the grass after the first harvest. During the production years, the grass was harvested twice at silage stage. In addition, the experiments included six levels of mineral N application to calculate N fertilizer replacement value for soluble N fraction of the organic fertilizers. Soil samples (depths of 0–2 cm, 2–10 cm and 10–25 cm) were taken in each autumn. In the barley experiment, digestate gave similar yields as comparable dose of mineral soluble nitrogen (N), except in the dry year of 2010, when the yield was 10% lower. Raw slurry yielded only 85% of the yield from digestate. Separation and use of the fractions did not show particular benefits for barley. In the grass experiment, drought caused a larger difference in N uptake than the use of digestate or separated digestate: in the dry year, raw manure and digestate gave significantly lower yields that mineral fertilizer. However, when using the liquid fraction of digestate no such effect was noticed. Raw manure and digestate did not differ in fertilizing effect. With barley, N balance was mostly positive i.e. the N removal in harvested crop was lower than input N as slurry and fertilizers. The N balance of digestate was lower than that of raw slurry in two of the studied years. With grass, the N balances of the first cut were usually negative, which lead negative annual balances. On the grass plots, digestate produced a lower N balance than raw slurry only in 2012, when its proportion of soluble nitrogen of total nitrogen content was higher than that of raw slurry. The plots fertilized with liquid fraction of digestate received a higher dose of total N than the other plots, which was also seen as positive balances each year. Also the P balances differed significantly between the plant species. With barley, the P balance was almost always positive, as with mineral fertilizers, while with grass, it was nearly without exception negative. The fertilizing effect, nutrient balances and soil nitrogen cycle of organic fertilizers are clearly different in grass production than in cereal cultivation. This is mostly explained by differences in cultivation methods (e.g. amount of fertilizing and harvesting times, harvesting the grains or the entire bi-omass) and by different nutrient uptake ability of the plants. According to this study, the benefits of using digestate are clearer for barley cultivation than for grass production.
Keywords: käsittelyjäännös; orgaaniset lannoitteet; separointi; digestate; grass leys; separation methods; biokaasu; karjanlanta; nurmet; ohra; eloperäiset lannoitteet; ravinnetase; barley; biogas; nutrient balance; manures