Doktorarbeit Gaseous N emissions from a loamy soil as affected by N fertilization strategies, and by the use of nitrification and urease inhibitors - Results from field and incubation experiments
(Gasförmige N-Emissionen aus einem lehmigen Boden in Abhängigkeit von N-Düngestrategien und dem Einsatz von Nitrifikations- und Ureaseinhibitoren - Ergebnisse von Feld- und Inkubationsversuchen)

Zusammenfassung

Landwirtschaftliche Aktivitäten sind für einen erheblichen Teil der anthropogenen Treibhausgase verantwortlich. Gleichzeitig muss die landwirtschaftliche Produktion eine wachsende Weltbevölkerung in einem sich verändernden Klima ernähren. Bei Weizen ist der Einsatz von Stickstoffdünger (N) erforderlich, um den Ertrag und die Qualität des Getreides zu sichern. Der Einsatz von Stickstoffdüngern ist jedoch mit reaktiven N-Verlusten verbunden, die sich nachteilig auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit auswirken. Zu den gasförmigen N-Spezies, die nach der N-Düngung freigesetzt werden, gehören Distickstoffmonooxid (N2O), ein starkes Treibhausgas, und Ammoniak (NH3), das nach seiner Deposition zu N2O oxidiert werden kann.
Chemische Substanzen wie Nitrifikations- und Ureaseinhibitoren (NI bzw. UI) sind ein wirksames Mittel, um die N-Nutzungseffizienz von Düngemitteln zu erhöhen, indem sie die Nitrifikation von Ammonium-basierten Düngemitteln - im Fall von NI - und die Harnstoffhydrolyse - im Fall von UI - verzögern. Ein positiver Nebeneffekt der Anwendung von NI ist die Minderung der N2O-Emissionen. Durch den Einsatz von UI wird die NH3-Volatilisierung reduziert. Einer der in Europa am häufigsten verwendeten NI ist 3,4-Dimethylpyrazolphosphat (DMPP), das zusammen mit Ammonsulfatsalpeter (ASS) eingesetzt werden kann. Der relativ neue NI, 3,4-Dimethylpyrazolbernsteinsäure (DMPSA), wirkt ähnlich wie DMPP, hat aber einen späteren Wirkzeitpunkt und kann im Gegensatz zu DMPP mit mehreren Düngemitteln angewendet werden. N-(n-Butyl)-thiophosphorsäuretriamid (NBPT) ist ein wirksamer UI, der nachweislich die NH3-Volatilisierung durch Hemmung des Enzyms Urease reduziert.
In einem zweijährigen Feldversuch mit Winterweizen wurden verschiedene Düngestrategien getestet, darunter Splitting-Strategien, die Verwendung von NI und die Reduzierung der N-Menge. Die Verringerung der N-Menge reduziert die mineralischen N-Gehalte in Böden, die das Substrat für die mikrobiellen N2O-Quellprozesse Nitrifikation und Denitrifikation darstellen. N-Splitting kann die mineralischen N-Gehalte in Böden ebenfalls verringern, da die N-Düngung besser auf die physiologischen Bedürfnisse der Weizenpflanzen abgestimmt ist. Die Anwendung von NI-Düngern im Rahmen von Splitting-Strategien kann die Emissionen weiter verringern. Der Zusammenhang zwischen der N-Menge und den N2O-Verlusten in einem Weizenanbausystem wurde untersucht, indem niedrigere und höhere N-Mengen als die empfohlene N-Menge ausgebracht wurden.
Der Einsatz von DMPP konnte die N2O-Emissionen in beiden Jahren nicht nur auf Jahresbasis reduzieren (um 21 %: 3,1 gegenüber 2,5 kg N2O-N ha-1 a-1 im Durchschnitt beider Jahre), sondern auch im Winter, in dem bis zu 18 % der gesamten Jahresemissionen auftraten. Eine Veränderung der mikrobiellen Bodengemeinschaft durch DMPP könnte der Grund für den Rückgang der N2O-Emissionen 8 bis 12 Monate nach DMPP-Anwendung sein. Eine wirtschaftliche Bewertung der N Düngermenge zeigte, dass DMPP mit suboptimalen N-Düngermengen ausgebracht, im Vergleich mit einer optimalen N-Düngung ohne NI den Ertrag aufrechterhalten und gleichzeitig die ertragsbezogenen N2O-Emissionen verringern kann.
Der Einsatz von Kalkammonsalpeter (KAS) zusammen mit dem NI DMPSA reduzierte die N2O-Emissionen nur während der Vegetationsperiode. Auf Jahresbasis reduzierte DMPSA die N2O-Emissionen nicht signifikant. Da DMPSA und DMPP mit unterschiedlichen N-Düngemitteln ausgebracht wurden, die unterschiedlichen Ammonium- und Nitratanteilen aufwiesen, ist ein direkter Vergleich zwischen diesen beiden NIs nicht möglich.
Eine herkömmliche dreifach gesplittete Applikation verringerte die jährlichen Emissionen im Vergleich zu einer einmaligen Anwendung von ASS oder KAS nicht. Die Verwendung von DMPP in einer zweifachen Splitapplikation reduzierte die jährlichen Emissionen jedoch deutlich um 33 % und erhöhte den Proteingehalt des Weizenkorns um 1,6 %.
Da die Höchstwerte der N2O-Flüsse nach der N-Düngung im ersten Jahr vergleichsweise gering waren, wurde ein Kurzexperiment durchgeführt, in dem die Auswirkungen von Bodenfeuchte, N- und C-Verfügbarkeit auf die N2O-Flüsse untersucht wurden. Es wurde eine C-Limitierung des Bodens festgestellt, was die hohe N2O-Emissionen erklärte, wenn C mikrobiell verfügbar war, z. B. nach Wiederbefeuchtung von trockenem Boden und nach Einarbeitung von Stroh nach der Ernte. In diesem Zusammenhang wurde die Abfuhr von Weizenstroh – das das organische Substratangebot für Denitrifikanten reduzieren sollte – als eine mögliche Minderungsstrategie getestet, sie hatte jedoch keine Auswirkungen auf die N2O-Emissionen.
Darüber hinaus wurde die Wirkung von DMPP auf die mikrobielle Gemeinschaft in einem Inkubationsversuch untersucht: Die Kopienzahl der bakteriellen amoA-Gene (Nitrifikanten) wurde durch den Einsatz von DMPP verringert, während die Zahl der amoA-Gene von Archaeen durch DMPP erhöht wurde. Die Anzahl der Genkopien von Denitrifikanten wurde durch DMPP nicht beeinflusst, jedoch wurde die Bodenatmung durch DMPP verringert. Es ist anzunehmen, dass DMPP eine hemmende Wirkung auf heterotrophe Organismen hat, jedoch haben die untersuchten Variablen diese Hypothese nicht bestätigt, so dass weitere Untersuchungen erforderlich sind.
Die Wirkung von NBPT und Strohresten auf die Emission von NH3 und N2O wurde in einem zweiwöchigen Inkubationsexperiment mit einem Boden mit leicht alkalischen pH-Wert untersucht. NBPT reduzierte die NH3-Volatilisierung und N2O-Flüsse aus der Harnstoffdüngung fast vollständig. Die Einarbeitung von Strohrückständen erhöhte die N2O-Emissionen erheblich. In einem weiteren vierwöchigen Inkubationsversuch wurde die Wirkung von zwei unterschiedlichen NBPT-Konzentrationen sowie von DMPP untersucht. Eine höhere NBPT-Konzentration als die empfohlene Rate reduzierte die NH3-Emissionen um 53 %; DMPP hingegen erhöhte die NH3-Volatilisierung um 70 %. In Bezug auf N2O reduzierte DMPP die Emissionen auf das gleiche Niveau wie in der ungedüngten Kontrolle; NBPT verschob lediglich die Emissionsspitze, so dass am Ende des Versuchs kein Unterschied in der kumulativen N2O-Emission zwischen den Behandlungen mit Harnstoff und NBPT festgestellt wurde. Diese Ergebnisse zeigen, dass UI zu einer Verringerung der N2O-Emissionen führen kann, aber das nach Harnstoffhydrolyse gebildete Ammonium von Kulturpflanzen genutzt werden muss, da es sonst als Substrat für die N2O-Bildung in Böden genutzt wird.
Im letzten Inkubationsversuch wurde die kombinierte Anwendung eines NI (DMPSA) und eines UI (NBPT) untersucht. Es wurden niedrigere Konzentrationen als die empfohlenen Dosen verwendet, um synergistische Effekte zu evaluieren. Die kombinierte Anwendung von DMPSA und NBPT führte nicht zu synergistischen Effekten (Harnstoffmenge und mineralischer Stickstoff im Boden, NH3-Volatilisierung, Bodenatmung und N2O-Emission). Je höher die NBPT-Konzentration, desto langsamer wurde der Harnstoff hydrolysiert und desto stärker wurde die NH3-Volatilisierung reduziert. Ein Drittel der empfohlenen DMPSA-Aufwandsmenge reichte aus, um die N2O-Emissionen zu verringern; die Verwendung von NI erhöhte jedoch die NH3-Verluste.
Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung ganzjähriger Datensätze bei der Bewertung von Minderungsstrategien für N2O. Beim Weizenanbau sollte eine Verringerung der N-Düngermenge beim Einsatz von NI in Betracht gezogen werden. Beim Anbau von Elite-Weizensorten kann eine gesplittete N-Gabe mit NI einen hohen Proteingehalt bei gleichzeitiger Minderung der N2O-Emission gewährleisten. Harnstoffdünger sollte mit NI und UI ausgebracht werden, so dass die NH3-Volatilisierung und die N2O-Emission verringert werden. Dennoch müssen die langfristigen Auswirkungen dieser Verbindungen auf die mikrobielle Gesellschaft von Böden untersucht werden, um unvorhergesehene ökotoxikologische Auswirkungen zu vermeiden. Da einige dieser Verbindungen oder ihre Metaboliten von Pflanzen aufgenommen werden und in Lebens- und Futtermittel gelangen könnten, ist weitere Forschung zum Schutz der Verbraucher erforderlich.

Doktorarbeit "Effects of nitrification inhibitors and application technique on trace gas fluxes from a maize field after cattle slurry fertilization"
(Effekte von Nitrifikationsinhibitoren und Applikationstechnik auf die Spurengas-Freisetzung nach Rindergülledüngung bei Silomais)

Zusammenfassung

In Zeiten des Klimawandels und vor dem Hintergrund intensiver Tierhaltung und Biogasproduktion in Deutschland gewinnen Treibhausgas (THG)-Emissionen und Stickstoff (N)-Verluste in der Silomaisproduktion, insbesondere beim Einsatz organischer Düngemittel zunehmend an Bedeutung. Ziel dieser Studie war es daher, den THG-Ausstoß für die Silomaisproduktion in einer Region Südwestdeutschlands auf einem für diese Region typischen mittelschweren Boden zu quantifizieren und anhand unterschiedlicher Düngungsstrategien klimafreundliche Methoden mit möglichst geringem CO2-Fußabdruck herauszustellen. Zur Quantifizierung der THG-Bilanzen von Silomais mit unterschiedlichen Reduktionsansätzen, wurden durchgehend über zwei Jahre hinweg mindestens einmal wöchentlich Lachgas (N2O)- und Methan (CH4)-Flüsse gemessen. Zudem wurden indirekte N2O Emissionen (Ammoniak (NH3), Nitrat (NO3-)) erfasst oder geschätzt sowie Silomaiserträge und N-Abfuhren ermittelt. Jedes der beiden Versuchsjahre beinhaltete folgende Basis-Behandlungen: ungedüngte Kontrolle (CON), mineralische Düngung (MIN), Rindergülleapplikation mittels Schleppschlauch und anschließender Einarbeitung (INC) und Rindergülleinjektion (INJ). Im Gegensatz zur oberflächigen Gülleapplikation mit breitflächiger Einarbeitung ist die Gülleinjektion dafür bekannt, NH3-Verluste durch die direkte Platzierung in den Boden effektiver zu mindern, im Gegenzug allerdings die N2O-Bildung zu erhöhen. Um die vermehrte N2O-Produktion dieser Applikationstechnik zu vermindern, wurde der Einsatz sechs verschiedener Nitrifikationsinhibitoren (NIs) zur strategischen THG-Minderung zusätzlich untersucht. Abgesehen von einer INJ-Variante mit NI, die im zweiten Jahr durch eine zusätzliche INC-Variante mit NI ersetzt wurde, wurden alle übrigen Behandlungen in beiden Jahren untersucht. Für die abschließende Bewertung der getesteten Düngungsstrategien wurden die zur THG-Bilanz beitragenden Posten in CO2-Äquivalente umgewandelt und auf Flächen- oder Ertragseinheiten bezogen. Hierbei wurden direkte und indirekte N2O-Emissionen (NH3, NO3-), CH4-Budget, Vorketten-Emissionen für die Mineraldüngerbereitstellung und der Dieselverbrauch für Feldmaßnahmen berücksichtigt. Die Höhe der NH3-Emissionen der INC-Behandlung (12-23 % des gedüngten NH4+-N) war stärker von den Witterungsverhältnissen abhängig als die der INJ-Behandlung (12-15 % des gedüngten NH4+-N). Kumulative N2O-Emissionen der Gülleinjektion betrugen im Mittel über beide Jahre 13.8 kg N2O-N ha-1 Jahr-1 und lagen damit signifikant über dem Mittel der CON-, MIN-, oder INC-Behandlung, die Emissionen in Höhe von 2.8, 4.7 und 4.4 kg N2O-N ha-1 Jahr-1 verzeichneten. Der Einsatz von NIs reduzierte die jährlichen N2O-Emissionen der Gülleinjektion im Durchschnitt über alle NIs und Jahre um 36 % und machte die Gülleinjektion mit der INC-Behandlung somit vergleichbar. Innerhalb dieser Studie konnten die verwendeten NIs tendenziell in zwei Gruppen eingeteilt werden. Eine Gruppe mit vermeintlich geringerer Persistenz und früherem Inhibierungsmaximum im Boden und eine Gruppe, deren Substanzen ihre volle Wirkung erst zu einem späteren Zeitpunkt entfalteten. Welche Gruppe eine vermeintlich höhere Inhibierungswirkung aufwies, hing stark von den Umweltbedingungen des jeweiligen Versuchsjahres ab. Die INJ-Variante, die sowohl ein NI mit früherem und späterem Inhibierungsmaximum enthielt, verzeichnete tendenziell das höchste N2O-Reduktionspotential. Für die zusätzliche INC-Behandlung mit NI, wurde ebenfalls diese Wirkstoffkombination angewendet, sie erzielte eine N2O-Reduktion von 20 % im Vergleich zur Gülleeinarbeitung ohne Hemmstoff. Der Einsatz von NIs stellte sich auch für das CH4-Budget als vorteilhaft heraus. Die Behandlungen CON, MIN und INC zeigten in beiden Jahren eine Netto-CH4-Aufnahme mit durchschnittlich 460, 127 und 793 g CH4-C ha-1 Jahr-1. Im Gegensatz dazu führte eine Gülleinjektion in beiden Jahren zu Netto-CH4-Emissionen mit durchschnittlich 3144 g CH4-C ha-1 Jahr-1. Der Einsatz von NIs reduzierte die Höhe dieser CH4-Emissionen allerdings um rund die Hälfte. Außerdem führte eine inhibierte Nitrifikation bei breitflächiger Gülleeinarbeitung tendenziell zur Erhöhung der CH4-Aufnahme um 20 %. Die direkten N2O-Emissionen hatten, unabhängig von Behandlung oder Jahr, den größten Anteil an der THG-Bilanz. Die geringste ertragsbezogene THG-Bilanz ergab sich für die Variante CON, gefolgt von INC oder MIN, die höchste ergab sich für die INJ-Variante. Allerdings konnten die rein auf die Düngungsmaßnahme bezogenen THG-Emissionen der Gülleinjektion durch den Einsatz von NIs im Mittel über beide Jahre auf ein THG-Niveau abgesenkt werden, das mit der breitflächigen Gülleeinarbeitung vergleichbar war. Somit stellte sich neben einer mineralischen oder oberflächigen Gülleapplikation mit möglichst zeitnaher Einarbeitung, auch die Gülleinjektion als vergleichsweise THG-freundliche Applikationstechnik heraus, vorausgesetzt einer der empfohlenen NIs wurde vorab zugegeben.

Doktorarbeit "Nitrous oxide emissions and mitigation strategies in winter oilseed rape cultivation"
(Lachgasemissionen und Minderungsstrategien im Winterrapsanbau)

Zusammenfassung

Lachgas ist nach Kohlendioxid und Methan das drittwichtigste klimawirksame Spurengas in der Atmosphäre. N2O ist am Treibhauseffekt, sowie am Ozonabbau beteiligt. Der größte Anteil der anthropogenen N2O-Emissionen wird durch die Landwirtschaft verursacht, hier hauptsächlich durch den Einsatz von Stickstoffdüngern. Stickstoff (N) in unterschiedlichen Verbindungen, ist das Ausgangssubstrat aller N2O bildenden Prozesse in Böden. Die wichtigsten Prozesse sind hierbei die Nitrifikation und die Denitrifikation. Verschiedene Steuergrößen wie beispielsweise die Niederschlagsintensität, Bodenart, Bodenbearbeitung, sowie Ernterückstände, beeinflussen die Größenordnung der gebildeten N2O-Emissionen. Die Bewirtschaftung beeinflusst jedoch nicht nur die Bildung von N2O während der Vegetationsperiode, sondern hat auch Auswirkungen auf die drauffolgenden Nachernteemissionen. In Deutschland können Winteremissionen bis zu 50 % der gesamten N2O-Jahresemission betragen. Dies macht deutlich, wie bedeutend ganzjährige Messkampagnen für eine aussagekräftige Klimawirksamkeit von Anbausystemen sind. Winterraps (Brassica napus L.) ist der wichtigste Rohstoff für die Biodieselproduktion in Deutschland. Die im Jahr 2009 von der Europäische Union verabschiedete Richtlinie für erneuerbare Energie (Renewable Energy Directive; RED, 2009), zählt zu den wichtigsten Nachhaltigkeitsbestimmungen rund um die Produktion von Biokraftstoffen. In dieser Richtlinie erfolgte unter anderem die Festlegung, dass Biodiesel ab 2018 gegenüber fossilen Brennstoffen ein Treibhausgasminderungspotential von mind. 50 % aufweisen muss. Mehr als die Hälfte der Treibhausgase in der Biodieselherstellung entstehen während der Rohstoffproduktion in der Landwirtschaft, N2O kann bis zu 88 % daran beteiligt sein (Hoefnagels et al., 2010). Winterraps ist im Vergleich zu anderen Kulturpflanzenarten durch einen hohen Stickstoffbedarf charakterisiert. Durch eine ungünstige N–Ausnutzung besteht überdies ein besonderes Risiko von Umweltbelastungen durch N–Austräge in die Umwelt. In der Literatur werden von Stickstoffüberschüssen bis zu 90 kg N ha-1 berichtet, welche ein hohes Potential für N2O– Emissionen, sowie Nitratauswaschung darstellen. Eine weitere potenzielle Quelle für Lachgasemissionen bilden die auf dem Feld zurück belassenen Ernterückstände.

In dieser Studie wird der Einfluss der Stickstoffdüngung (mineralisch und organisch), Nitrifikationsinhibitoren (zu mineralischem und organischem N-Dünger), Ernterückständen und Bodenbearbeitung auf direkte N2O-Emissionen, Ertrag und der Bodenstickstoffdynamik im Rapsanbau untersucht. Über drei Jahre hinweg wurden in mindestens wöchentlichen Abständen an fünf verschiedenen Standorten in Deutschland N2O-Flussraten in Winterraps, so wie in den Folgekulturen Winterweizen und Wintergerste, gemessen. An den jeweiligen Standorten wurde ein Parzellenversuch mit einheitlichen Versuchsvarianten angelegt, an welchen der Einfluss von unterschiedlicher Stickstoffmenge als Mineraldünger auf annuelle N2O–Emissionen untersucht wurde. Zusätzlich wurden Untersuchungsvarianten zur organischen Düngung (Gärsubstrat) mit und ohne Nitrifikationshemmstoff (NI) angelegt. Am Standort Hohenheim (Versuchsstation Ihinger Hof) wurden ergänzend Versuche mit Ernterückständen mittels 15N-Isotopentracer durchgeführt. Zudem wurde der Einfluss eines NI zur mineralischen Düngung und der Einfluss der Bodenbearbeitung auf N2O–Emissionen untersucht.

Die N2O–Flussraten der Standorte zeigten über die Studie hinweg eine hohe räumliche und zeitliche Variabilität. Erhöhte Flüsse wurden häufig nach der Düngung in Zusammenhang mit Niederschlagsereignissen gemessen. Auch in den ersten sechs Wochen der Nachernteperiode wurden vielfach erhöhte N2O-Raten nach Niederschlag gemessen. Während dieses Zeitraums waren die Nitratgehalte des Oberbodens allgemein erhöht. Innerhalb der Projektlaufzeit wurden an keinem Standort nennenswerte Frost-Tau-induzierte N2O–Emissionen beobachtet. Allgemein waren die gemessenen N2O–Flussraten der gesamten Studie niedrig. Über alle Standorte hinweg konnte ein Effekt der Düngung nachgewiesen werden. Am Standort Merbitz (toniger Boden) wurden die höchsten, an den sandigen Standorten Berge und Dedelow die niedrigsten Flussraten gemessen. Eine Ausnahme stellte der Standort Hohenschulen, welcher trotz hohem Sandanteil, deutlich höhere N2O–Emissionen aufwies als die übrigen sandigen Standorte. Die erhobenen düngerinduzierten N2O-Emissionen wurden in ein bestehendes Modell (Walter et al. 2015) implementiert, wodurch ein neuer Emissionsfaktor für Winterraps berechnet werden konnte. Bei einer Düngermenge von 200 kg N ha-1 ermittelte das Exponentialmodell einen düngerbezogenen Emissionsfaktor von 0,6 %. Dieser Wert liegt innerhalb des Unsicherheitsbereichs (0,3 % – 3,0 %) des IPCC Emissionsfaktor EF1, liegt jedoch 40 % niedriger als der vom IPCC ausgegebene Standardwert von 1 %.