Towards a sustainable nutrient management in organic farming : closing the nutrient gap with recycled fertilizers from urban waste

Abstract

Nutrient scarcity is one of the main challenges in arable organic farming. Yet, little is known about the current supply and need of nutrients on organic farms and even less about the nutrient sources utilized by organic farmers. However, most stakeholders within the organic sector agree that additional nutrients, preferably from recycled sources, such as urban waste materials, are needed. In this thesis, the current need and use of nutrients (N, P, K, Mg, S) in the organic farming systems was investigated by performing a meta-analysis of previous studies and two farm gate nutrient budget studies across Europe. Further, the effect of recycled fertilizers from urban waste, such as compost from household and green waste, human urine and sewage sludge on crop yield, nutrient balances, soil fertility, and risk of contamination with potentially toxic elements (PTEs) were examined. To this end, three long-term field trials using different recycled fertilizers were investigated and combined with results of a simulation using the soil-plant-atmosphere model DAISY. The results of this thesis show that the organic cropping system within Europe operates under nutrient limited conditions, which limits the yield potential and can cause soil nutrient depletion, especially of P. Farms that relied to a high extend (>60%) on biological nitrogen fixation for their N supply were particularly prone to the risk of soil P and K depletion. Further, 17% of external N inputs derived from the conventional livestock system, which is often considered contentious. Omitting these would further increase the nutrient gap. Therefore, changes to the contemporary practice are needed to ensure sustainability in the organic nutrient management. First, a better distribution of nutrients within the organic sector is needed. In particular, to avoid nutrient surpluses in one farm type (e.g., livestock or vegetable farms), while other farm types (e.g., arable farms) experience nutrient deficits. Further, due to N losses during processing the nutrient composition of organic fertilizers does not match the crops’ nutrient offtake. Digestates from biogas plant show the closest resemblance. However, to avoid nutrient imbalances an adequate use of external inputs that is tailored to the specific farm’s nutrient demands and reliance on biological N fixation is necessary. Increased awareness of tools like nutrient budgeting among farmers and advisors could facilitate achieving a more balanced nutrient management. Still, additional nutrients are needed to close the current nutrient gap and to substitute animal manures from conventional origin. Recycled fertilizers from urban waste represent a suitable nutrient source to this end. Sewage sludge and human urine performed similarly to cattle slurry with N recovery rates of about 0.5 – 0.6 and household waste compost had similar values to straw-rich animal manures with recovery rate of about 0.3. Nitrogen losses after field application ranged between 34-55% of the applied N amount, with nitrate leaching being the main loss pathway. Total N losses were slightly smaller for compost and cattle manure and were accompanied by a higher soil N accumulation of about 25% of applied N. Similar to the accumulation of soil N, compost also resulted in the highest soil C sequestration. Using cattle manures and sewage sludge showed a smaller effect, while cattle slurry did not cause a soil C increase. Most concerns related to the use of recycled fertilizers derive from the risk of contaminants, such as potentially toxic elements (PTEs). Compost and sewage sludge fertilization can lead to a higher amount of PTEs in the soil. However, significant changes in crop PTE uptake were rare due to low PTE bioavailability. The risk to human health and soil environment associated with PTEs through recycled fertilizer application is therefore neglectable. Urban waste can also be refined by incineration or precipitation processes to ensure less contamination, yet this results in nutrient (e.g., N) and organic matter loss. An argument can therefore be made for the use of raw materials if they lie within the contamination threshold values. In conclusion, the organic nutrient management in Europe requires more external nutrient inputs. Recycled fertilizers from urban wastes are an adequate source in terms of yield effect and soil fertility to close the nutrient gap and to substitute animal manures from conventional origin. However, the infrastructure and availability of recycled fertilizers need to be improved and suitable policy making is needed to fulfil the whole potential of these nutrient sources by for example permitting fertilizers derived from human excreta or the strategical placement of biogas plants which recycle urban wastes.

Nährstoffknappheit zählt zu den größten Herausforderungen im ökologischen Ackerbau. Dennoch ist nur wenig über die aktuelle Verfügbarkeit und den Bedarf an Nährstoffen und noch weniger über die genutzten Nährstoffquellen in ökologischen Betrieben bekannt. Die meisten Akteure im Biosektor sind sich jedoch einig, dass für ein nachhaltiges Nährstoffmanagement zusätzliche Nährstoffquellen bevorzugt aus recycelten Quellen benötigt werden. In dieser Studie wurden der derzeitige Bedarf und die Verwendung von Nährstoffen im ökologischen Ackerbau durch eine Meta-Analyse von durchgeführten Studien und zwei Hoftorbilanzstudien in Europa untersucht. Darüber hinaus wurden recycelte Düngemittel aus Siedlungsabfällen wie Kompost aus Haushalts- und Grünabfällen, menschlicher Urin und Klärschlamm auf ihrer Wirkungen auf den Ertrag, die Nährstoffbilanzen, die Bodenfruchtbarkeit und das Risiko einer Kontamination mit potenziell toxischen Elementen (PTE) untersucht. Außerdem wurden sie mit konventionellem Wirtschaftsdüngern, den derzeitigen Nährstoffquellen, verglichen. Zu diesem Zweck wurden die Ergebnisse von drei Langzeitversuchen mit verschiedenen recycelten Düngemitteln ausgewertet und eine Simulation des Boden-Pflanzen-Atmosphären-Modells DAISY unterzogen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass das ökologische Anbausystem in Europa nährstofflimitiert ist, was das Ertragspotenzial einschränkt und zu Nährstoffverarmung im Boden, insbesondere an P, führen kann. Betriebe, die in hohem Maße (>60%) auf biologische Stickstofffixierung für ihre N-Versorgung angewiesen waren, waren besonders anfällig. Durchschnittlich 17 % des externen Stickstoffimports kamen aus der konventionellen Tierhaltung, was als umstritten gilt. Der Verzicht dieser Importe würde den externen Nährstoffbedarf des ökologischen Landbaus weiter erhöhen. Daher sind Änderungen an der derzeitigen Praxis und Richtlinien erforderlich, um die Nachhaltigkeit des ökologischen Nährstoffmanagements zu gewährleisten. Erstens ist eine gleichmäßigere Verteilung der Nährstoffe innerhalb des ökologischen Sektors erforderlich. Insbesondere muss vermieden werden, dass in einem Betriebstyp (z. B. Vieh- oder Gemüsebetriebe) Nährstoffüberschüsse entstehen, während andere Betriebstypen (z. B. Ackerbaubetriebe) Nährstoffdefizite aufweisen. Außerdem ist, um Nährstoffungleichgewichte zu vermeiden, ein angemessener Einsatz externer Betriebsmittel erforderlich, der auf den Nährstoffbedarf des jeweiligen Betriebs und die Abhängigkeit von der biologischen Stickstofffixierung zugeschnitten ist. Die Zusammensetzung organischer Düngemittel entspricht aufgrund von N-Verlusten bei der Verarbeitung nicht dem Nährstoffbedarf der Pflanzen. Gärreste aus Biogasanlagen weisen die größte Ähnlichkeit auf, aber dennoch müssen alle organischen Düngemittel mit zusätzlichen N-Quellen wie BNF ergänzt werden, um einen Überschuss an P und K zu vermeiden. Eine stärkere Sensibilisierung der Landwirte und der Berater für Instrumente wie die Nährstoffbilanzierung könnte zu einem ausgewogeneren Nährstoffmanagement beitragen. Dennoch werden zusätzliche Nährstoffe benötigt, um die derzeitige Nährstofflücke zu schließen und Tierdünger konventioneller Herkunft zu ersetzen. Recycelte Düngemittel aus Siedlungsabfällen sind eine geeignete Nährstoffquelle für diesen Zweck. Klärschlamm und Urin schnitten mit N-Rückgewinnungsraten von etwa 0,5 - 0,6 ähnlich ab wie Rindergülle. Biotonnenkompost zeigte ähnliche Werte wie Festmiste mit einer Rückgewinnungsrate von etwa 0,3. Die Stickstoffverluste nach der Feldausbringung lagen zwischen 34 und 55 % der ausgebrachten N-Menge, wobei die Nitratauswaschung der Hauptverlustpfad war. Die Gesamtstickstoffverluste waren etwas geringer bei Kompost und Rindermist verglichen mit den anderen organischen Düngern, was zu einer größeren N Anreicherung im Boden von etwa 25 % des ausgebrachten N führte. Gleichsam führte Kompost auch zur höchsten Bindung von Kohlenstoff im Boden. Die Verwendung von Misten und Klärschlamm zeigte eine geringere Wirkung, während Rindergülle zu keiner Erhöhung des Boden-C führte. Die meisten Bedenken im Zusammenhang mit der Verwendung von recycelten Düngemitteln ergeben sich aus dem Risiko von Kontaminationen, wie z. B. PTEs. Die Düngung mit Kompost und Klärschlamm kann zu einer Erhöhung des PTEs Gehalten im Boden führen. Aufgrund der geringen Bioverfügbarkeit von PTEs kam es jedoch nur selten zu signifikanten Veränderungen bei der Aufnahme von PTE durch die Pflanzen. Das mit PTEs verbundene Risiko für die menschliche Gesundheit und die Bodenumwelt durch die Ausbringung von Recycling-Dünger ist daher zu vernachlässigen. Siedlungsabfälle können auch durch Verbrennung oder Fällung veredelt werden, um eine geringere Verunreinigung zu gewährleisten, was jedoch zu dem Verlust anderer Nährstoffe (u.a. N) und der organischen Substanz führt. Es kann daher für die Verwendung von Rohstoffen plädiert werden, wenn sie innerhalb der Schwellenwerte der Verunreinigungswerte liegen. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass das ökologische Nährstoffmanagement in Europa zusätzliche externe Nährstoffeinträge erfordert. Recycelte Düngemittel aus Siedlungsabfällen sind eine geeignete Quelle, um die Nährstofflücke zu schließen und tierischen Dünger konventioneller Herkunft zu ersetzen. Allerdings müssen die Infrastruktur und die Verfügbarkeit von Recyclingdünger erhöht werden, und es bedarf geeigneter politischer Maßnahmen, um das gesamte Potenzial dieser Nährstoffquellen auszuschöpfen, indem beispielsweise Düngemittel aus menschlichen Ausscheidungen zugelassen werden oder Biogasanlagen zur Verwertung von Siedlungsabfällen strategisch gefördert werden.