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In recent years, agriculture has been increasingly faced with the acute need to find a more sustainable practice for dealing with nutrient-rich organic side streams. For ecological and economic reasons, pressure is mounting every day to implement an improved utilisation and to close nutrient loops in agriculture to the maximum possible. Pig manure and biogas digestates are suitable as organic fertilisers because they contain essential plant nutrients. They also provide organic matter that contributes to the maintenance of soil fertility. However, their current use is often insufficient. Both residues can be used as fertilisers either directly or following treatment. This can be as simple as solid-liquid separation. A more advanced approach is the precipitation of phosphorus for conversion into phosphate fertilisers ("P-Salts"). The fertilising effect of such innovative P-Salts needs to be investigated in an agronomic context. The same applies for the integration of separated biogas digestates as organic fertilisers into different biomass production systems. The primary objective of this thesis is to establish whether recycled fertilisers from organic residues are comparable to mineral fertilisers and can serve as a suitable substitution. For this purpose, five specific objectives were defined: (1) to determine whether separated biogas digestates can complement or substitute mineral fertilisers and whether/how they affect long-term yield performance in different biomass cropping systems; (2) to ascertain which type of separated biogas digestate is suitable for which biomass production system; (3) to test the effect of two recycled P-Salts on yield and quality of different crops compared to triple superphosphate (TSP); (4) to examine whether the combination of recycled P-Salts with biochar and dried solid digestates results in interaction effects; and (5) to assess whether there are differences in the uptake efficiency of recycled and mineral fertilisers between different crop types. Thus, several experiments were carried out. The fertilising effect of separated biogas digestates on three biomass production systems (perennial grassland, intercropping of triticale and clover grass, silage maize) was investigated in multi-year field experiments in south-west Germany. P-Salt and biochar from pig manure were tested in a greenhouse study with spring barley and faba bean. In a second greenhouse study with ornamentals, the P-Salt from manure, a P-Salt from biogas digestate, and dried solid digestates were assessed. The long-term yield stability of biomass cropping systems fertilised with separated biogas digestates was clearly demonstrated under field conditions. Separated biogas digestates can substitute mineral fertiliser in perennial and intercropping systems. Solid digestates were most suitable for cropping systems with soil tillage where their incorporation into soil is possible. The intercropping of triticale and clover grass was found to be the most stable system, with constantly high biomass yields being maintained using only digestates. For maize, a combined application of digestates and mineral fertiliser proved to be the best option. The P-Salt from manure had the same or even better effects than TSP on spring barley and faba bean. In the experiment with ornamentals, the two P-Salts from manure and digestate had more or less the same effect as TSP on biomass production. These results suggest that both P-Salts have an equivalent fertilisation effect to TSP and can thus replace it as mineral fertiliser. In this thesis, it was possible to achieve competitive yield results with the tested fertilisers, provided that they are integrated in a suitable fertilising strategy. The next step is for the recycled fertilisers to be actually used in agricultural practice - a prerequisite for which being that their implementation has agronomic, practical, ecological and economic advantages. The enhanced use efficiency of N and P already available on farms is challenging but necessary to reduce dependency on both synthesised N fertilisers and imported P fertilisers. This thesis significantly contributes by providing knowledge on the fertilising effect of selected recycled fertilisers necessary for their future implementation in agriculture. Optimised nutrient management and residue treatment using advanced technologies can contribute to the further closing of nutrient cycles. The highest environmental benefits can be realised on farms with excess residues and limited agricultural land. It is therefore highly recommended that these farms improve their current practice by prioritising the implementation of appropriate measures. Sound residue management necessitates strategic planning and capital investments from farmers and companies, but is a crucial step towards the sustainable intensification of cropping systems and resilient future agriculture. In den letzten Jahren sah sich die Landwirtschaft zunehmend damit konfrontiert, eine nachhaltigere Lösung für den Umgang mit nährstoffreichen organischen Nebenströmen zu finden. Aus ökologischen und ökonomischen Gründen wird der Druck immer größer, diese besser zu nutzen um Nährstoffkreisläufe in der Landwirtschaft so weit wie möglich zu schließen. Schweinegülle und Biogasgärreste enthalten essentielle Pflanzennährstoffe und eignen sich gut als organische Düngemittel. Die enthaltene organische Substanz trägt zur Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit bei. Ihre derzeitige Verwendung ist leider häufig unzureichend. Beide Reststoffe können als Düngemittel direkt oder nach einer Behandlung verwendet werden. Das kann eine einfache Fest-Flüssig-Trennung sein. Aufwändiger ist die Fällung von Phosphat zur Herstellung von Phosphatdünger (P-Salz). Die Düngewirkung von solch innovativen P-Salzen muss agronomisch untersucht werden. Das gilt auch für die Integration separierter Biogasgärreste als organische Dünger in verschiedene Biomasseanbausysteme. Hauptziel dieser Arbeit ist daher, festzustellen, ob aus organischen Reststoffen recycelte Düngemittel mit Mineraldüngern vergleichbar sind und diese möglicherweise ersetzen können. Dazu wurden fünf speziellere Ziele definiert: (1) zu bestimmen, ob separierte Biogasgärreste Mineraldünger ergänzen oder ersetzen können und ob/wie sie die langfristige Ertragsleistung in Biomasseanbausystemen beeinflussen; (2) herauszufinden, welche separierten Biogasgärreste sich für welches Biomasseproduktionssystem eignen; (3) die Wirkung von zwei recycelten P-Salzen auf Ertrag und Qualität verschiedener Kulturpflanzen zu testen und mit Triple-Superphosphat (TSP) zu vergleichen; (4) zu untersuchen, ob die Kombination von recycelten P-Salzen mit Biokohle und getrockneten festen Gärresten zu Interaktionseffekten führt; und (5) zu beurteilen, ob es zwischen verschiedenen Pflanzenarten Unterschiede in der Nährstoffaufnahme aus recycelten und herkömmlichen Düngemitteln gibt. Dazu wurden mehrere Versuche durchgeführt. Die Düngewirkung von separierten Biogasgärresten wurde anhand von drei Biomasseproduktionssystemen (Dauergrünland, Triticale mit Kleegrasuntersaat, Silomais) in mehrjährigen Feldversuchen in Südwestdeutschland untersucht. P-Salz und Biokohle aus Schweinegülle wurden in einem Gewächshausversuch mit Sommergerste und Ackerbohnen getestet. Zwei P-Salze aus Gülle und Biogasgärresten sowie getrocknete feste Gärreste wurden in einem zweiten Gewächshausversuch mit Zierpflanzen untersucht. Die langfristige Ertragsstabilität von Biomasseanbausystemen, die mit separierten Biogasgärresten gedüngt wurden, konnte in Feldversuchen eindeutig nachgewiesen werden. In mehr- und überjährigen Systemen können separierte Biogasgärreste Mineraldünger ersetzen. Feste Gärreste waren am besten für Anbausysteme geeignet, in denen eine Einarbeitung in den Boden möglich ist. Der überjährige Anbau von Triticale mit Kleegrasuntersaat erwies sich als das stabilste System, das konstant hohe Biomasseerträge lieferte und rein mit Gärresten aufrechterhalten werden kann. Für Mais war die Kombination aus Gärresten und Mineraldünger die beste Option. Das P-Salz aus Gülle hatte die gleiche oder sogar bessere Wirkung als TSP auf Sommergerste und Ackerbohnen. Im Zierpflanzenversuch hatten die beiden P-Salze aus Gülle und Gärresten eine vergleichbare Wirkung auf die Biomasseproduktion wie TSP. Das bedeutet, dass beide P-Salze TSP als Mineraldünger ersetzen können. In dieser Arbeit erzielten die getesteten Düngern gute Ertragsergebnisse, sofern sie in eine geeignete Düngestrategie integriert waren. Im nächsten Schritt müssen die zurückgewonnenen Dünger in der landwirtschaftlichen Praxis auch tatsächlich eingesetzt werden. Dies setzt voraus, dass der Einsatz agronomische, praktische, ökologische und ökonomische Vorteile hat. Eine bessere Ausnutzung von bereits auf den landwirtschaftlichen Betrieben vorhandenem Stickstoff und Phosphat ist herausfordernd, aber notwendig, um die Abhängigkeit von synthetischen N- und importierten P-Düngern zu verringern. Diese Arbeit trägt dazu bei, indem sie Erkenntnisse zur Düngewirkung ausgewählter Recyclingdünger liefert, die für deren künftige Anwendung in der Landwirtschaft notwendig sind. Optimiertes Nährstoffmanagement und Reststoffaufbereitung mit fortschrittlichen Verfahren tragen zur besseren Schließung von Nährstoffkreisläufen bei. Der größte Umweltnutzen kann in Betrieben mit Nährstoffüberschüssen und begrenzten landwirtschaftlichen Flächen erzielt werden. Daher wird dringend empfohlen, dass diese Betriebe ihre derzeitige Praxis verbessern und mit hoher Priorität entsprechende Maßnahmen umsetzen. Ein solides Reststoffmanagement verlangt strategische Planung und Investitionen von Landwirten und Unternehmen, ist aber ein entscheidender Schritt hin zu einer nachhaltigen Intensivierung von Anbausystemen und zu einer resilienten zukunftsfähigen Landwirtschaft.

The research objective of this study is the development of long-term sustainable Marginal Agricultural Land Low-Input Systems for industrial crop cultivation. And the research question of this study is: How bioenergy cropping systems of tomorrow could be made more sustainable under social-ecological terms. It was found that there are five main requirements for the development of social-ecologically more sustainable bioenergy cropping systems. And here, four of them are presented and discussed.

NRWStrategieprojekt BioSC (no. 313/323-400-002 13) The growing bioeconomy will require a greater supply of biomass in the future for both bioenergy and bio‐based products. Today, many bioenergy cropping systems (BCS) are suboptimal due to either social‐ecological threats or technical limitations. In addition, the competition for land between bioenergy‐crop cultivation, food‐crop cultivation, and biodiversity conservation is expected to increase as a result of both continuous world population growth and expected severe climate change effects. This study investigates how BCS can become more social‐ecologically sustainable in future. It brings together expert opinions from the fields of agronomy, economics, meteorology, and geography. Potential solutions to the following five main requirements for a more holistically sustainable supply of biomass are summarized: (i) bioenergy‐crop cultivation should provide a beneficial social‐ecological contribution, such as an increase in both biodiversity and landscape aesthetics, (ii) bioenergy crops should be cultivated on marginal agricultural land so as not to compete with food‐crop production, (iii) BCS need to be resilient in the face of projected severe climate change effects, (iv) BCS should foster rural development and support the vast number of small‐scale family farmers, managing about 80% of agricultural land and natural resources globally, and (v) bioenergy‐crop cultivation must be planned and implemented systematically, using holistic approaches. Further research activities and policy incentives should not only consider the economic potential of bioenergy‐crop cultivation, but also aspects of biodiversity, soil fertility, and climate change adaptation specific to site conditions and the given social context. This will help to adapt existing agricultural systems in a changing world and foster the development of a more social‐ecologically sustainable bioeconomy. publishersversion published

The research objective of this study is the development of long-term sustainable Marginal Agricultural Land Low-Input Systems for industrial crop cultivation. And the research question of this study is: How bioenergy cropping systems of tomorrow could be made more sustainable under social-ecological terms. It was found that there are five main requirements for the development of social-ecologically more sustainable bioenergy cropping systems. And here, four of them are presented and discussed., This research received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 727698 and the University of Hohenheim. N.D.J. received funding from the Bioeconomy Science Center (BioSC), supported in the project AP3 Focus Lab. The scientific activities of the Bioeconomy Science Center were financially supported by the Ministry of Innovation, Science and Research within the framework of the NRW Strategieprojekt BioSC (no. 313/323‐400‐002 13)., {"references":["https://www.mdpi.com/1996-1073/12/16/3123","https://www.mdpi.com/2073-4395/9/10/605","https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsu.202000037","https://link.springer.com/article/10.1007/s12155-015-9690-2"]}

The research objective of this study is the development of long-term sustainable Marginal Agricultural Land Low-Input Systems for industrial crop cultivation. And the research question of this study is: How bioenergy cropping systems of tomorrow could be made more sustainable under social-ecological terms. It was found that there are five main requirements for the development of social-ecologically more sustainable bioenergy cropping systems. And here, four of them are presented and discussed.