Verbundprojekt: Optimierung und Fertigung eines seriennahen Prototyps zur präzisen Platzierung von Flüssigsubstraten in Böden mit Prüfung der Effizienzsteigerung bei Stickstoff (LiqInject); Teilprojekt A

Abstract

Ziel des Verbundprojekts "LiqInject" war die Entwicklung, Fertigung und agronomische Bewertung eines seriennahen Prototyps zur streifenförmigen Injektion von Flüssigsubstraten in den Boden mit dem Fokus auf eine Steigerung der Stickstoffnutzungseffizienz sowie die Reduktion umweltrelevanter Verluste. Ausgangspunkt war der Stand der Technik konventioneller mineralischer N-Düngung (KAS, AHL) sowie des punktuellen Injektionsverfahrens nach dem CULTAN-Prinzip, das durch ammoniumbetonte Depotdüngung eine hohe N-Effizienz und klimaresiliente Pflanzenentwicklung ermöglicht, jedoch aufgrundhoher Investitionskosten bislang nur eingeschränkt praxisfähig ist. Das Vorhaben knüpfte technisch an bestehende Injektions- und Applikationssysteme an, verfolgte jedoch das Ziel, durch ein schlitzziehendes Werkzeug eine kostengünstigere, streifenförmige Depotablage zu realisieren. Wissenschaftlich wurde untersucht, ob sich diebekannten Vorteile der ammoniumbetonten Depotdüngung – insbesondere wurzeldominantes Wachstum, verbesserte Trockenstresstoleranz, hohe N-Effizienz und geringere Auswaschungsgefährdung – auf dieses Verfahren übertragen lassen. Zu Projektbeginn wurde ein dreimeterbreites Parzellenversuchsgerät aufgebaut und mit Injektionsscharen, Schlitzvorbereitungswerkzeugen und Schließsystemen ausgestattet. Nach der konstruktiven Fertigstellung im Jahr 2023 erfolgten technische Funktionstests, die Optimierung der Tiefenführung sowie der Applikationstechnik. Das ursprünglich vorgesehene Düsen-Dosiersystem erwies sich unter Praxisbedingungen als nicht ausreichend exakt. Daher wurde eine neue Applikationstechnik nach dem Prinzip medizinischer Perfusoren entwickelt, bei der jede Auslasseinheit über eine geschwindigkeitsabhängig gesteuerte Einzelspritze versorgt wird. Damit konnte eine Dosiergenauigkeit von ± 1 % erreicht werden. Parallel wurden die am Injektionsschar wirkenden Kräfte messtechnisch ermittelt und daraus die notwendige Auflast zur sicheren Einhaltung der Arbeitstiefe abgeleitet. Die Umsetzung erfolgte über einen variabel befüllbaren IBC-Container. Die agronomische Bewertung erfolgte in Parzellenversuchen in Winterweizen in zwei Vegetationsperioden mit stark unterschiedlichen Witterungsbedingungen. Untersucht wurden verschiedene Düngesysteme, N-Niveaus und Depottiefen. Ergänzend wurden Nmin-Untersuchungen zur Bewertung der Stickstoffverlagerung sowie ein Emissionsversuch mit unterschiedlichen Schlitzverschlussverfahren durchgeführt. Die Anlage und Betreuung der Feldversuche erfolgte in Zusammenarbeit mit den Landwirtschaftlichen Lehranstalten Triesdorf. Technisch konnte ein funktionsfähiger Prototyp des LiqInject-Injektionssystems entwickelt werden. Die neu entwickelte Perfusor-Applikation ermöglichte erstmals eine hochpräzise, scharspezifische Dosierung unter Feldversuchsbedingungen. Die variable Auflast stellte eine stabile Arbeitstiefe auch bei wechselnden Bodenverhältnissen sicher. Beim Schlitzverschluss zeigte sich eine deutliche Abhängigkeit der Wirksamkeit von den Bodenfeuchtebedingungen. Agronomisch konnten die LiqInject-Varianten grundsätzlich mit konventionellen Düngesystemen konkurrieren. Besonders die Depotablage in 5 cm Tiefe erwies sich als leistungsfähig. Im niederschlagsreichen Jahr zeigten sich Vorteile in der Ertragsstruktur und ein ausgewogenes Korn-Stroh-Verhältnis, während im Trockenjahr sogar signifikante Ertragsvorteile und die höchste Stickstoffnutzungseffizienz erzielt wurden. Die tiefere Ablage (10 cm) führte in beiden Jahren zu Mindererträgen und verzögerter N-Verfügbarkeit, die zu hohen Proteinwerten bei gleichzeitig geringen Erträgen führte. Die Nmin-Analysen bestätigten geringere Nitratrestmengen im Oberboden bei ammoniumbetonten Varianten im Vergleich zu KAS und damit ein geringeres Auswaschungsrisiko. Ein zusätzlicher signifikanter Stabilisierungseffekt des Ammoniumdepots in der Tiefe gegenüber einer AHL-Splittinggabe auf der Oberfläche konnte jedoch nicht nachgewiesen werden. Die Emissionsuntersuchungen zeigten, dass das Injektionsverfahren grundsätzlich ein Minderungspotenzial besitzt, dessen Höhe jedoch maßgeblich von der Qualität des Schlitzverschlusses abhängt. Die konstruktive Umsetzung der Scharaufnahme erfolgte in enger Zusammenarbeit mit den Projektpartnern. Insgesamt konnte die technische Machbarkeit eines präzisen, streifenförmigen Injektionsverfahrens sowie dessen agronomisches Potenzial unter praxisnahen Bedingungen nachgewiesen werden. Optimierungsbedarf besteht insbesondere bei der Auslegung des Schlitzverschlusses und der Festlegung der optimalen Depottiefe.