Feld- und Laborversuche zum Auftreten von Silageabwässern aus Flachsiloanlagen unter besonderer Berücksichtigung der Umweltverträglichkeit:
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| Main Author: | |
|---|---|
| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
Freising
Techn. Univ. München, Inst. für Landtechnik
1999
|
| Series: | Max-Eyth-Gesellschaft für Agrartechnik / Arbeitskreis Forschung und Lehre: Forschungsbericht Agrartechnik des Arbeitskreises Forschung und Lehre der Max-Eyth-Gesellschaft (MEG)
346 |
| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Item Description: | Zugl.: München, Techn. Univ., Diss., 1999 |
| Physical Description: | XIV, 183 S. Ill., graph. Darst. |
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| adam_text | Titel: Feld- und Laborversuche zum Auftreten von Silageabwässern aus Flachsiloanlagen unter besonderer Ber
Autor: Kahlstatt, Joachim
Jahr: 1999
Inhalt
Abbildungen........................................................... VII
Tabellen.................................................................X
Abkurzungen...........................................................XIII
Symbole ..............................................................XIV
1 Einleitung und Problemstellung ............................................ ]
2 Stand des Wissens........................................................ 5
2.1 Garbiologie.............................................................. 5
2.2 Einfiussfaktoren aufdie Bildung umweltrelevanter Silageabwasser.................. 6
2.2.! Faktoren auf die Bildung von Garsaft.......................................... 6
2.2.2 Faktoren auf die Bildung von Sickersaft ...................................... 11
2.2.3 Faktoren auf die Bildung von kontaminiertem Niederschlagswasser ................ 12
2.3 Chemische Zusammensetzung der Silageabwasser.............................. 13
2.3.1 Garsaft................................................................. 13
2.3.2 Sickersaft .............................................................. 19
2.3.3 Kontaminiertes Niederschlagswasser......................................... 19
2.4 Auswirkungen von Silageabwassem auf die Umwelt ............................ 20
2.4.1 Vorflutund Grundwasser.................................................. 21
2.4.2 Boden und Pflanze ....................................................... 22
2.4.3 Bauwerke und Bauteile.................................................... 26
2.5 VerfahrenstechnischeMoglichkeiten fur die Abwasserpravention in Flachsilos .......27
2.6 Stand der Flachsilobautechnik .............................................. 32
3 Zielserzung............................................................. 38
4 Feldversuche zur Flachsilowirtschaft....................................... 41
4.1 Material und Methodik der Feldversuche...................................... 41
4.1.1 Komponenten der Versuchssiloanlage........................................ 41
4.1.2 Silobautechnik .......................................................... 41
4.1.3 Abwassererfassungssysteme................................................ 43
4.1.4 Komponenten und Funktion der Messstation fur Siloabwasser..................... 45
4.1.5 Komponenten und Funktion der Registrierstation fur Silageabwasser ............... 47
4.1.6 Grofitechnische Silierv ersuche.............................................. 49
4.1.6.1 Verfahrenstechnik bei der Versuchsdurchfuhrung............................... 49
4.1.6.2 Datenerhebung bei der Futterein- und -auslagerung ............................. 50
4.1.6.3 Abwasserprobenahme, Probenaufbereitung und -analytik......................... 51
4.1.6.4 Umweltrelevante Beurteilung der Silageabwasser............................... 53
4.1.7 Versuchsdurchfuhrung.................................................... 54
4.2 Ergebnisse und Diskussion der Feldversuche................................... 56
4.2.1 Silagequalitat ........................................................... 56
4.2.2 Garsaft................................................................. 59
4.2.2.1 Massenstrom............................................................ 59
4.2.2.2 Bewertung der Umweltrelevanz............................................. 66
4.2.3 Sickersaft .............................................................. 68
4.2.3.1 Massenstrom............................................................ 68
Inhalt__________________________________________________________________________________
4.2.3.2 Bewertung der Umweltrelevanz............................................. 74
4.2.4 Komaminiertes Niederschlagswasser......................................... 76
4.2.4.1 Massenstrom............................................................ 76
4.2.4.2 Bewertung der Umweltrelevanz............................................. 79
4.2.5 Bautechnik und Silageabwassermanagement................................... 83
4.2.6 Zusammenfassung der Ergebnisse aus den Feldversuchen ........................ 87
5 Laborversuche zur organischen Belastung von kontaminiertem
Niederschlagswasser..................................................... 91
5.1 Material und Methodik der Laborversuche .................................... 91
5.1.1 Niederschlagsanalyse und Auswahl der Beregnungsintensitaten.................... 92
5.1.2 Versuchstechnische Anforderungen an den Niederschlagssimulator................. 93
5.1.3 Komponenten und Funktion der Niederschlagssimulatoraniage .................... 94
5.1.4 Versuchsmaterial ........................................................ 97
5.1.5 Inhaltsstoffanalytik des kontaminierten Niederschlagswassers.................... 100
5.1.6 Statistisehe Auswertungsverfahren.......................................... 101
5.1.7 Versuchsdurchfiihrung und Abwasserprobenahme ............................. 103
5.1.8 Versuchsplan der Laborversuche ........................................... 104
5.2 Ergebnisse und Diskussion der Laborversuche ................................ 105
5.2.1 Faktoren auf die Bildung von kontaminierteni Niederschlagswasser ............... 108
5.2.1.1 Trockenmasse/m2 ....................................................... 108
5.2.1.2 Niederschlagsintensitat und Silageart........................................ 109
5.2.2 Faktoren auf den Trockenmasseverlust von beregneten Silagen ................... 110
5.2.2.1 Niederschlagsintensitat und Silageart........................................ 110
5.2.3 Einflussfaktoren auf die Dynamik des biochemischen Sauerstoffbedarfs in fiinf
Tagen (BSB5) von kontaminiertem Niederschlagswasser ........................ 113
5.2.3.1 Einfluss der Niederschlagsintensitat und -dauer auf die Dynamik der BSB5-Stoff-
fracht von kontaminiertem Niederschlagswasser............................... 114
5.2.3.2 Einfluss der Silageart auf die Dynamik der BSB5-Stofffracht von kontaminiertem
Niederschlagswasser..................................................... 118
5.2.3.3 Einfluss der Niederschlagsmenge auf die Dynamik der BSB5-Stofffracht von kon-
taminiertem Niederschlagswasser .......................................... 120
5.2.4 Einflussfaktoren auf die Dynamik der summarischen StoffkenngroBen DOC-, N,
und T-Gehalt von kontaminiertem Niederschlagswasser......................... 127
5.2.5 Einflussfaktoren auf die Dynamik des Sauregrades (pH) von kontaminiertem
Niederschlagswasser..................................................... 132
5.2.6 Zusammenfassung der Ergebnisse aus den Laborversuchen ...................... 136
6 Schlussfolgeningen und weiterfuhrende Arbeiten ........................... 137
6.1 Schlussfolgeningen aus den Feldversuchen................................... 137
6.2 Schlussfolgeningen aus den Laborversuchen.................................. 139
6.3 Weiterfuhrende Arbeiten ................................................. 140
7 ZosammenfassBBg...................................................... 141
8 Summary............................................................. 145
9 LiteratBr.............................................................. 149
Anhang............................................................... 162
Abbildungen im Anhang.................................................. 162
Tabellen im Anhang..................................................... ] 75
VI
Abbildungen
Abb. I: a) Geschatzte Gesamtproduktion an Heu-und Silagefrischmasse in Deutsch-
landvon 1984 bis 1994 (nach WILKINSON el al. (1996) [144])
b) Geschatzte Gesamtproduktion an Frischmassen einzelner Sifagearten in
Deutschland von 1984 bis 1994 (nach WILKINSON etal. (1996) [144]).......... 2
Abb. 2: In Flachsilos entstehende Abwasserfraktionen ................................ 3
Abb. 3: Zusammenstellung verschiedener Regressionskurven zur Abschatzung der Gar-
saftproduktion von Siliergut bei vorgegebenem T-Gehalt((l) [132]. (2) [153].
(4) [ 18], (5) [ 109J), bei Variation der Pflanzenart ((3 b), (3c). (3d), (3e) [ 140])
und bei verschiedenen Vertikaldrilcken ((3a)a, (3a)b [140]), Schliissel vgl.
Tab. 1 (mit: Vos (I) = mos/l,025 (kg))....................................... 8
Abb. 4: Einfluss unterschiedlicher T-Gehalte im Ausgangsmaterial auf die
Gesamtmenge und den zeitlichen Verlauf des Garsaftabflusses aus einem
Flachsilo (nach BASTIMAN (1976) [17]) ..................................... 9
Abb. 5: Durchschnittliche BSB5-Werte von Garsaft und kontaminiertem
Niederschlagswasser mit Spannweitenbereichen, im Vergieich zu anderen
Abwassem aus der Landwirtschaft und kommunalen Abwassem (nach MeiBner
(1994) [88]. erganzt nach [13, 38.43, 51,64. 78, 130, 148]).................... 20
Abb. 6: Bautechnische Anforderungen an den Standort, die Griindung und die
Basisabdichtung von ortsfesten Flachsiloanlagen............................. 33
Abb. 7: Typisierte Querschnittsformen von Flachsiloriickvvanden oder -rampen........... 34
Abb. 8: Langsprofil und Querschnitt tvpisierter Flachsilobauformen.................... 35
Abb. 9: Typisiertes Tragschicht- und Rangierflachengefalle sowie die Anordnung der
Abwasser- undNiederschlagswassersammelrinnen von Flachsilos............... 36
Abb. 10: Detailbild und Querschnitt durch die Abwasser- und Niederschlagswasser-
sammelrinne von Flachsiios (vgl. Abb. 9: Schnitte a—a; b—b).................. 37
Abb. 11: Einflussfaktoren auf verschiedene Prozesse der Silageabwasserbildung in nicht
uberdachten Flachsiloanlagen............................................ 39
Abb. 12: Grundrisszeichnung der gesamten Versuchssiloanlage mit Langsschnitt durch
die Mess- und Registrierstation fur Silageabwasser........................... 42
Abb. 13: Abwassererfassungssysteme der Versuchssiloanlage in Grub ................... 44
Abb. 14: Funktionsschema zur Abwassermessung in der Versuchssiloarjlage .............. 46
Abb. 15: Auftreten von Garsaft wahrerK) der Lagerung von Grassilage (20.6 % TS) auf
der Siloptatte (Nr. 6) - Niederschlagsmessung fiber Messstation 75 [41 ]........... 60
Abb. 16: Auftreten von GSrsaft wahrend der Lagerung von Grunroggen-ZGrassitage
(24,8 % TS) im ^Traunsteinei Silo (Nr. 8) - Niederschlagsmessung Ober
Messstation 75 [4!].................................................... 61
VII
Abbildungen
Abb. 17: Kumulierter, relativer Garsaftabfiuss der in der Versuchsanlage Grub von
1993 bis 1996 durchgefiihrten, groBtechnischen Silierversuche im Vergleich....... 63
Abb. 18: Vergleich der in der Siloversuchsanlage Grub von 1993 bisl996 gemessenen
GSrsaftgesamtmassen mit den Schatzwerten verschiedener Autoren zum
Garsaftaufkommen von Silagen bei gegebenem T-Gehalt und Vertikaldruck ((1)
[132], (2) [153], (3a) [140]), (4) [17], (5) [109], vgl. Kap. 2.2.1)................. 65
Abb. 19: Auftreten von Sickersaft wahrend der Lagerung von Maissilage (36,9 % TS) im
Fertigteilsilo 4 (Nr. 5) - Niederschlagsmessung ilber Messstation 75 [41].......... 71
Abb. 20: Auftreten von Sickersaft wahrend der Lagerung von Grassilage (20,6 % TS) auf
der Siloplatte (Nr. 6) - Niederschlagsmessung iiber Messstation 75 [41]........... 71
Abb. 21: Auftreten von Sickersaft wahrend der Lagerung von Mais-/Kartoffelsilage
(39,1 % TS) im Fertigteilsilo 2 (Nr. 7) - Niederschlagsmessung iiber Messstation
75 [41] .............................................................. 72
Abb. 22: Funktionszeichnung der im Fertigteilsilo 4 installierten Folienfixiereinrichtung..... 73
Abb. 23: Auftreten von kontaminiertem Niederschlagswasser wahrend der Entnahme von
Griinroggensilage (32,0 % TS) im ,,Traunsteiner Silo (Nr. 1) -
Niederschlagsmessung iiber Messstation 75 [41] ............................. 78
Abb. 24: Auftreten von kontaminiertem Niederschlagswasser wahrend der Entnahme von
Grasssilage (31,4 % TS) im Fertigteilsilo 1 (Nr. 2) - Niederschlagsmessung iiber
Messstation 75 [41].................................................... 79
Abb. 25: Absolute Verteilungder klassifizierten Niederschlagsereignisse vom 24.04.1990
bis 10.10.1996, sowie der relative Anteil der Niederschlagsereignisse
10 mm/d. Daten iiber Messstation 75 [41]................................. 81
Abb. 26: Auftreten von Garsaft in den Stellrinnen und der Basisabdichtung wahrend der
Lagerung von Grunroggen-ZGrassilage (15,6 % TS) im BTraunsteiner Silo
(Nr. 13)-Niederschlagsmessung fiber Messstation 75 [41] ..................... 85
Abb. 27: Auftreten von Garsaft in den Stellrinnen und der Basisabdichtung wahrend der
Lagerung von Griinroggensilage (17,3 % TS) im ^Traunsteiner Silo (Nr. 18) -
Niederschlagsmessung iiber Messstation 75 [41]............................. 86
Abb. 28: Absolute und relative Verteilung der klassifizierten Stundenniederschlags-
mittelwerte vom 24.02.1990 bis zum 10.10.1996 (inkl. Kassenober-, exkl.
Klassenuntergrenze). Arithmetischer Mittelwert (x), Standardabweichung (s)
und Spannweite (R) der Stundenniederschlagsmittelwerte. Daten iiber
Messstation 75 [41].................................................... 92
Abb. 29: Komponenten und Funktion des Niederschlagssimulators im LabormaBstab
a) Niederschiagsgenerator. Querschnitt; b) Probenbehalter und
Abwassersammlung: Querschnitt; c) Niederschiagsgenerator. Draufsicht;
d) -: Ansicht von unten................................................. 95
Abb. 30: Kombination der untersuchten Einflussfaktoren auf die ZielgroBen BSB3-,
DOC-, Np T-Gehalt und SSuregrad von kontaminiertem Niederschlagswasser
und Probenahmeintervalle.............................................. 104
vm
Abbildungen
Abb. 31 a) T-Einwaagen/m2 (x und s aus n = 9) sowie Rohfasergehalte g XF/kg T
(x aus n = 3)
b) Berechnete Garsaure- und Stickstoffgesamtmassen g GS/m2 bzw. N/m2
der Silagen Z, HI, M und H2 (x aus n = 6)............................... 106
Abb. 32: Kritische Niederschlagsmenge in Abhangigkeit von der Silageart und der T-
Einwaage/m2, gekennzeichnet nach der Niederschlagsintensitat ................ 108
Abb. 33: Verlauf der kritischen Niederschlagsmenge, gruppiert nach der Silageart, in
Abhangigkeit von der Beregnungsintensitat................................ 109
Abb. 34: Einfluss der Niederschlagsintensitat auf den relativen Trockenmasseverlust ver-
schiedener Silagearten................................................. Ill
Abb. 35: BSB5-Gehalt von kontaminiertem Niederschiagwasser verschiedener Silagearten
in Abhangigkeit von der Beregnungsdauer und der Niederschlagsintensitat....... 113
Abb. 36: BSB5-Gehalt von kontaminiertem Niederschlagswasser in Abhangigkeit von der
Beregnungsdauer und Niederschlagsintensitat. Gruppenmittelwerte S und Stan-
dardabweichungen s aus n = 12 Messwerten................................ 114
Abb. 37: BSB,-Gehalt von kontaminiertem Niederschlagswasser bei unterschiedlicher
Niederschlagsintensitat (a - c) und -dauer in Abhangigkeit von der Silageart
(ill, sausn = 3)...................................................... 119
Abb. 38: BSB5-Geha!te und Regressionsfiinktion von kontaminiertem Niederschlags-
wasser in Abhangigkeit von der Niederschlagsmenge ........................ 121
Abb. 39: BSB5-Gehalte von kontaminiertem Niederschlagswasser in Abhangigkeit von
der Niederschlagsmenge, nach Silageart und Beregnungsintensitat bezeichnet..... 122
Abb. 40: Vergleich der aus Abwassermischproben kalkulierten BSBj-StoffiVachten mit
den Erwartungswerten aus Gleichung (14). Relative Abvveichung vom Erwar-
tungswert und applizierte Niederschlagsmenge. Daten eigener Experimente und
nach JAKOB et al. (1993) [51] ........................................... 124
Abb. 41: DOC-Gehalt von kontaminiertem Niederschiagwasser verschiedener Silagearten
in Abhangigkeit von der Beregnungsdauer und der Niederschlagsintensitat....... 128
Abb. 42: N,-Gehalt von kontaminiertem Niederschiagwasser verschiedener Silagearten in
Abhangigkeit von der Beregnungsdauer und der Niederschlagsintensitat ......... 130
Abb. 43: T-Gehalt von kontaminiertem Niederschiagwasser verschiedener Silagearten in
Abhangigkeit von der Beregnungsdauer und der Niederschlagsintensitat ......... 131
Abb. 44: a) - c) Einfluss der durchschnittlichen Niederschlagsintensitat auf die Dynamik
dermittleren, kumulierten pH-Wert Differenzen im kontaminierten Nieder-
schlagswasser unterschiedlicher Silagearten. d) Versuchszeitraume und kutnu-
lierte absolute Niederschlagsmengen ..................................... 133
IX
Tabellen
Tab. I: Regressionsgleichungen zur Abschatzung der Ga rsaftproduktion von Silier-
gut bei vorgegebenem T-Gehalt (1), (2), (4), (5), sowie bei vorgegebenem
T-Gehalt und Vertikaldruck (3a (3e) (Literaturiibersicht)....................... 7
Tab. 2: Anderung der Garsaftzusammensetzung von einsiliertem Welschem Weidelgras
(Lolium multiflorum L.) (! 92 g T/kg FM) im Zeitverlauf [78]................... 13
Tab. 3: Variationsbreiten der chemischen Zusammensetzung verschiedener Garsafte
(Literaturiibersicht) .................................................... 15
Tab. 4: Variationsbreite umweltrelevanter summarischer Wirkungs- und Stoffkenn-
groBen zur Charakterisierung von Garsaft (Literaturiibersicht) .................. 18
Tab. 5: Variationsbreite umweltrelevanter summarischer Wirkungs- und Stoffkenn-
groBen zur Charakterisierung von kontaminiertem Niederschlagswasser
(Literaturiibersicht) .................................................... 19
Tab. 6: Untersuchungsparameter sowie verwendete Materialien und Analysemethoden
bei der Futtereinlagerung in die Versuchssilos............................... 50
Tab. 7: Untersuchungsparameter und verwendete Analysemethoden zur Bestimmung
der Silagequalitat [126]................................................. 51
Tab. 8: Untersuchungsparameter und verwendete Methoden zur Analyse der summari-
schen StoffkenngroBen zur umweltrelevanten Charakterisierung von Silageab-
wassern.............................................................. 52
Tab. 9: Versuchsmaterialkenndaten und verfahrenstechnische KenngroBen der groBtech-
nischen Silierversuche in der Siloversuchsanlage Grub ........................ 55
Tab. 10: Verfahrens- und abwassertechnische Ergebnisse der groBtechnischen Silier-
versuche in der Siloversuchsanlage Grub................................... 59
Tab. 11: BSB,-Messwerte aus Literarur- sowie Analysedaten eigener Versuche, als Be-
rechnungsgrundlage zur Ermittlung der sauerstoffzehrenden Stofffrachten von
Garsaft.............................................................. 66
Tab. 12: Umweltrelevante Beurteilung der GSrsaftmassenstrome aus den Flachsilos der
Versuchsanlage Grub................................................... 68
Tab. 13: Verfahrens- und abwassertechnische Ergebnisse zum Sickersaftauftreten in den
Fiachsilos der Versuchsanlage Grub....................................... 69
Tab. 14: BSB,-Messwerte aus Analysedaten eigener Versuche als Berechnungsgrandlage
zur Ermittlung der sauerstoffcehrenden Stoffirrachten von Sickersaft ............. 74
Tab. 15: Umweltrelevante Beurteilung der Sickersaftstoffstrome aus den Flachsilos der
Versuchsanlage Grub................................................... 75
Tabelien
Tab. 16: Verfahrens- und abwassertechnische Ergebnisse zur Messung der kontaminierten
Niederschlagswassermassenstrome in der Siloversuchsanlage Grub.............. 77
Tab. 17: BSB,-Messwerte aus Analysedaten eigener Versuche. als Berechnungs-
grundlage zur Ermittlung der sauerstoffzehrenden Stofffrachten von
kontaminiertem Niederschlagswasser...................................... 80
Tab. 18: Umweltrelevante Beurteilung der Stoffstrome kontaminierten Niederschlags-
wassers aus den Flachsilos der Versuchsanlage Grub.......................... 82
Tab. 19: Durchschnittliche BSB,-Gehalte verschiedener Silageabwassert raktionen.
Spannwetten der aufgetretenen Massen und der abvvasseraqivalenten orga-
nischen Stofffrachten in Einwohnergleichwerten ............................. 90
Tab. 20: Intensitatsklassen in mm/h des Niederschlagsgenerators in Abhangigkeit vom
KanulenauBendurchmesser und dem hydrostatischen Druck
(verandert nach AlERSWALD elal. (1984) [15]).............................. 96
Tab. 21: Versuchstechnische Kenndaten der fur die Beregnungsversuche im Labor
ausgewahlien Silagen................................................... 97
Tab. 22: Chemische Zusammensetzung der fur die Auswaschungsversuche im Labor
verwendeten Silagen. Arithmetischer Mittelwert x und Standardabweichung s
(in Klammem)........................................................ 99
Tab. 23: Deskriptive EingangsgrdOen der bei den Beregnungsversuchen im Labor
venvendeten Versuchsvarianten ......................................... 105
Tab. 24: Gemessene Niederschlagsintensitaten bei den Beregnungsversuchen an Silagen ... 107
Tab. 25: BSB5-Gehalte von kontaminiertem Niederschlagswasser in Abhangigkeit von
der Niederschlagsintensitat und der Beregnungsdauer (x, s u. CV aus n = 12)...... 115
Tab. 26: Statistischer Vergleich der gepaarten BSB,-Wert-Differenzen von kontami-
niertem Niederschlagswasser in Gruppen zeitgleich gevvonnener Proben in
Abhangigkeit von der Beregnungsintensitat (./-Test bei gepaarten Stich-
proben , a = 5 %, n = 12, FG = «- 1)..................................... 116
Tab.27: Statistischer Vergleich der BSB,-Gehalte (mg O:/l) von kontaminiertem Nieder-
schlagswasser in Gruppen zeitgleich gewonnener Proben in Abhangigkeit von
der Beregnungsintensitat (,,/-Test bei unverbundenen Stichproben , a = 5 %.
n = 12. FG = 2 ¦ n - 2))................................................. 117
Tab. 28: Vergleich der kalkulierten BSB5-Stofffrachten aus Ahwassermischproben
mit den Erwartungswerten aus Gleichung (14). Applizierte Niederschlags-
menge und relative Abweichung vom Envartungswert. Versuchstechnisehe
Daten eigener Experimente und nach Jakob el al. (1993) [51] ................. 126
Tab. 29: Korrelationsmatrix der erhobenen Abwasseranalyseparamecer ................. 127
XI
Tabellen______________________________________________________________________
Tab. 30: DOC-Gehalte (mg C/l) von kontaminiertem Niederschlagswasser in
Abhangigkeit von der Beregnungsdauer und der Niederschlagsintensitat,
Mittelwert x und Standardabweichung s (alle Angaben aus n = 3)............... 129
Tab. 31: N,-Gehalte (mg N/l) von kontaminiertem Niederschlagswasser in
Abhangigkeit von der Beregnungsdauer und der Niederschlagsintensitat,
Mittelwert x und Standardabweichung 5 (alle Angaben aus w = 3)............... 130
Tab. 32: T-Gehalte (mg T/l) von kontaminiertem Niederschlagswasser in Abhangigkeit
von der Beregnungsdauer und der Niederschlagsintensitat, Mittelwert x und
Standardabweichung s (alle Angaben aus n = 3)............................. 132
Tab. 33: Veranderung der absoluten Sauregrade im kontaminierten Niederschlags-
wasser bei unterschiedlicher Silagearten und Niederschlagsintensitatssrufen,
kumulierte pH-Differenz (SA pH) der Versuchsvarianten (in Klammern) ........ 134
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