Schlussbericht
(Deutsch)
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Ziel des Projekts GHG-Recycle4Bio war es, die Emissionen von Lachgas (N2O), Methan (CH4) und Ammoniak (NH3) nach Ausbringung flüssiger organischer Dünger mit und ohne Pflanzenkohle quantitativ über 2.5 Jahre im Feld zu erfassen und das Prozessverständnis durch begleitende Untersuchungen zu verbessern. Die Messkampagne in einem Feldversuch in Wallbach (AG) lief von Mai 2018 bis Juli 2020 und wurde von Juli bis Dezember 2020 auf eigene Kosten weitergeführt, mit Ausnahme der NH3-Messungen. Die Emissionen von N2O und CH4 wurden während der vier Kulturen (Mais, Weizen, Gerste und Futtergras) im Messzeitraum in hoher zeitlicher Auflösung mittels Kammersystem gemessen. Ebenso wurden als Begleitparameter regelmässig Bodenfeuchte und –temperatur, mineralischer Stickstoff und sporadisch pH und leicht-löslicher Kohlenstoff (POXC) in Bodenproben bestimmt. Im Mais (159 Tage) wurden im Zusammenhang mit dem Wiesenumbruch und aussergewöhnlich hohen Temperaturen im Frühjahr die höchsten N2O-Emissionen, insgesamt um die 4 kg N2O-N ha-1, gemessen. Geringere kumulative N2O-Emissionen wurden im Weizen (ca. 0.4 kg N2O-N ha-1; 364 Tage) und in der Gerste (< 0.1 kg N2O-N ha-1; 279 Tage) gefunden. Im Futtergras waren die N2O-Emissionen (ca. 0.6 kg N2O-N ha-1 175 Tage;) höher als in Weizen und Gerste, jedoch niedriger als im Mais. Im Futtergras fanden die Düngerausbringungen im Spätsommer und Herbst statt, weshalb die hohen Emissionen mit warmen Temperaturen erklärt werden können. Im Weizen waren die Emissionen in den Verfahren mit landwirtschaftlicher Biogasgülle signifikant höher als in der ungedüngten Kontrolle. Abgesehen davon traten keine signifikanten Verfahrensunterschiede auf. Der mineralische Stickstoff im Boden lag in den Verfahren mit den flüssigen organischen Düngern meist zwischen der mineralisch gedüngten und der ungedüngten Kontrolle. Eine Zeitreihenanalyse zeigte, dass die Nitratgehalte im Boden in allen Kulturen bis auf die Gerste ausschlaggebend für die N2O-Emissionen waren. Bodenfeuchte und Bodentemperatur beeinflussten die Emissionen signifikant in Weizen, Mais und Gerste, nicht jedoch im Futtergras. Hier schienen Temperatur und Feuchte im Boden nicht als limitierende Faktoren aufzutreten. Die Emissionen am Tag der Düngerausbringung wurden erstmals im Frühjahr 2020 und als Wiederholung im Herbst 2020 gemessen. Die N2O-Emissionen lagen dabei im Bereich der sonst gemessenen Werte. Dagegen wurden jeweils direkt nach der Düngerausbringung hohe CH4-Emissionsraten aus allen flüssigen organischen Düngern beobachtet, die durch die Pflanzenkohleanwendung noch einmal um das 3-4-fache verstärkt wurden. Es bleibt ungeklärt, ob jene CH4-Emissionen aus den Düngern stammen oder bodenbürtig sind und wie lange die CH4-Spitzen nach der Düngerausbringung anhalten. Die Gesamt-CH4-Emission wurde deshalb ohne die Messzeitpunkte unmittelbar nach der Düngerausbringung berechnet und ist so über alle Verfahren und Kulturen negativ. Kumulativ wurden (unter der Annahme, dass die hohen CH4 Emissionen aus dem Dünger direkt stammen) etwa 3-4 kg CH4 über den gesamten Zeitraum in den Boden aufgenommen, ohne Unterschiede zwischen den Verfahren. Die Messungen der NH3-Verflüchtigung mit einem automatisierten Säurefallenmesssystem im Feld ergaben NH3-Verluste in Höhe von etwa 30% des insgesamt ausgebrachten Ammonium-Stickstoffs bei Rindergülle und etwa 40% bei vergorenen Düngern. Die Werte sind im Vergleich zu bisherigen Studien hoch, was mit den spezifischen Rahmenbedingungen in unserem Versuch weitgehend zu erklären ist. Hervorzuheben sind die relativen Unterschiede zwischen vergorenen Düngern und Rindergülle, welche zeigen, dass insbesondere bei Düngern aus der Vergärung ein optimiertes Management bei der Ausbringung angewendet werden sollte. Bisher wurden sehr wenige Studien zu NH3-Emissionen von nicht-landwirtschaftlichen Gärresten durchgeführt. Unsere Ergebnisse leisten somit einen wertvollen Beitrag für die Abschätzung von NH3-Emissionen als Grundlage für Emissionsinventare. Ein Säulenexperiment zur Untersuchung der den N2O-Emissionen zugrundeliegenden Mechanismen wurde im Herbst 2020 abgeschlossen. Dabei wurde auch eine mögliche Interaktion zwischen Düngern, Pflanzenkohle und einem Nitrifikationsinhibitor untersucht. Der Nitrifikationsinhibitor verringerte die N2O-Emissionen in diesem Versuch, während die Pflanzenkohle keinen eindeutigen Effekt zeigte. In einer Masterarbeit wurden zudem die Abundanzen funktioneller mikrobieller Gene in diesem Experiment quantifiziert (Dallo 2021). Zusammen mit den Ergebnissen aus dem Projekt Recycle4Bio zeigen unsere Daten, dass für die N-Bilanz bei Ausbringung von flüssigen organischen Düngern die NH3-Verluste besonders kritisch sind, während die N2O-Emissionen weniger düngerabhängig sind, sondern eher durch Bodenbearbeitung, Fruchtfolge und abiotische Faktoren gesteuert werden. Bei CH4 besteht noch Forschungsbedarf zu den Prozessen und einer möglichen Interaktion zwischen flüssigen organischen Düngern und Pflanzenkohle.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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The project GHG-Recycle4Bio aimed at quantifying the emissions of nitrous oxide (N2O), methane (CH4) and ammonia (NH3) after the application of liquid organic fertilizers in the presence or absence of biochar over a time span of 2.5 years in the field and improving the understanding of underlying processes through associated soil analyses. The measuring campaign in a field trial in Wallbach (AG) went from May 2018 to July 2020 and was continued on our own expense until the end of December 2020, except for NH3 measurements. Emissions of N2O and CH4 were determined during four crops (maize, wheat, barley and forage grass) in high temporal resolution using a static chamber system. Associated soil parameters were obtained regularly, including soil moisture and temperature, soil mineral nitrogen and occasionally pH and easily oxidizable carbon (POXC). The highest N2O emissions, totaling around 4 kg N2O-N ha-1, were measured in maize (159 days) in connection with the previous ley termination and exceptionally high temperatures in spring. Lower cumulative N2O emissions were found in wheat (about 0.4 kg N2O-N ha-1; 364 days) and barley (about 0.2 kg N2O-N ha-1; 279 days). In forage grass, N2O emissions (about 0.6 kg N2O-N ha-1; 175 days) were higher than in wheat and barley, but lower than in maize. In forage grass, fertilizer applications occurred in late summer and fall, and high emissions can be explained by warm temperatures. In wheat, the N2O emissions from anaerobically digested slurry were significantly higher than in the unfertilized control. No other treatment differences were observed. Soil mineral nitrogen in treatments with liquid organic fertilizers mostly ranged between the mineral fertilized treatment and the unfertilized control. A temporal correlation analysis showed that soil nitrate concentrations determined N2O emissions in all crops. Soil moisture and soil temperature affected emissions in wheat, maize and barley, but not in forage grass. Here, temperature and moisture did not seem to be limiting factors. Emissions on the day of fertilization were measured for the first time in spring 2020 and repeated in autumn 2020. Emissions of N2O were in the same range as on other measuring dates. However, when measuring directly after fertilizer application, high CH4 emission rates were observed from all liquid organic fertilizers treatments, which increased by a factor of 3-4 through the use of biochar. It remains unresolved if those CH4 emissions were derived from the fertilizers or the soil, and for how long the peaks continued. Total CH4 emissions were therefore calculated without measurements on the day of fertilization and were negative in all treatments and crops. Cumulatively, under the assumption that the positive CH4 emission peaks originated directly from the fertilizers, about 3-4 kg CH4 were taken up by the soil over the entire duration, without treatment effects. Measurement of NH3 volatilization with an automated acid trap system in the field showed that about 30% of the total ammoniacal nitrogen applied was emitted as NH3 from cattle slurry and about 40% from anaerobically digested liquid organic fertilizers. These values are high compared to previous studies, which can be explained to a large degree by the specific conditions in our experiment. The relative differences between digestates and cattle slurry deserve mentioning and show the need for an optimized application management especially for anaerobically digested liquid organic fertilizers. Until now, only few studies measuring NH3 emissions from liquid digestates of non-agricultural origin were conducted. Our results are therefore valuable for estimating NH3 emissions as a basis for emission inventories. A column experiment for investigating the mechanisms underlying N2O emissions was successfully completed in autumn 2020. In this experiment, potential interactions between fertilizers, biochar and a nitrification inhibitor were investigated. The nitrification inhibitor reduced N2O emissions in this experiment, while biochar did not show a clear effect. In addition, abundances of functional microbial genes were quantified in the frame of a MSc thesis (Dallo, 2021). Together with the results of the project Recycle4Bio, our data show that the N balance is particularly affected by NH3 losses upon application of liquid organic fertilizers, whereas N2O emissions are determined less by fertilization than by tillage, crop rotation and abiotic factors. In the case of CH4, the underlying processes and a potential interaction between liquid organic fertilizers and biochar need to be investigated further.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Le projet GHG-Recycle4Bio vise à quantifier les émissions de protoxyde d’azote (N2O), de méthane (CH4) et d’ammoniac (NH3) après l’épandage d’engrais organiques liquides +/- charbon végétal sur le terrain pendant deux ans et demi et à mieux comprendre les processus sous-jacents grâce à des analyses complémentaires. La période de mesures d’un essai sur le terrain à Wallbach (AG) s’est étendue de mai 2018 à juillet 2020 et a été poursuivie à nos propres frais de juillet à décembre 2020, à l’exception des mesures de NH3. Les émissions de N2O et de CH4 ont été mesurées en continu lors des quatre cultures (maïs, blé, orge et graminée fourragère) de la période de mesures. De même, des paramètres associés ont été déterminés régulièrement: l’humidité et la température du sol, la teneur du sol en azote minéral et, sporadiquement, le pH et le carbone facilement oxydable (POXC). Les émissions de N2O les plus élevées, au total environ 4 kg N2O-N ha-1, ont été mesurées dans le maïs et étaient liées au retournement de la prairie et à des températures exceptionnellement élevées au printemps. De plus faibles émissions cumulées de N2O ont été enregistrées dans le blé (environ 0.4 kg N2O N ha-1) et l’orge (< 0.1 kg N2O-N ha-1). Dans la graminée fourragère, les émissions de N2O (environ 0.6 kg N2O-N ha-1) étaient supérieures à celles du blé et de l’orge, mais inférieures à celles du maïs. Dans cette culture, les épandages d’engrais ont eu lieu à la fin de l’été et à l’automne, et les émissions s’expliquent par des températures chaudes. Dans le blé, les émissions étaient significativement plus élevées dans les parcelles fertilisées avec des digestats de biogaz agricole que dans le témoin non fertilisé. À part cela, il n’y a pas eu de différences significatives entre les procédés. La teneur en azote minéral dans les parcelles fertilisées avec des engrais organiques liquides se situait le plus souvent entre celle des parcelles fertilisées avec des engrais minéraux et celle du témoin non fertilisé. Une analyse des séries temporelles a montré que les teneurs en nitrate du sol étaient déterminantes pour les émissions de N2O dans toutes les cultures, à l’exception de l’orge. L’humidité et la température du sol ont influé sur les émissions dans le blé, le maïs et l’orge, mais pas dans la graminée fourragère. Dans cette dernière culture, la température et l’humidité du sol semblent ne pas être des facteurs limitants. Les émissions le jour de l’épandage des engrais ont été mesurées pour la première fois au printemps 2020, puis à l’automne 2020. Les émissions de N2O se situaient alors dans la marge des valeurs habituellement mesurées. En revanche, des taux élevés d’émissions de CH4 ont été observés immédiatement après l’épandage pour toutes les parcelles fertilisées avec des engrais organiques liquides; ces valeurs ont été multipliées par 3 ou 4 par l’apport de charbon végétal. On ne sait pas si ces émissions de CH4 proviennent des engrais ou du sol, ni combien de temps durent les pics de CH4 après l’épandage des engrais. Les émissions totales de CH4 ont donc été calculées sans tenir compte des mesures effectuées immédiatement après l’épandage des engrais et elles étaient négatives pour tous les procédés et dans toutes les cultures. Au total, environ 3 à 4 kg de CH4 ont été absorbés par le sol sur l’ensemble de la période, sans différence entre les procédés. Les mesures de la volatilisation du NH3 à l’aide d’un système automatisé de pièges à acide sur le terrain ont montré que les émissions de NH3 s’élevaient à environ 30% de l’azote ammoniacal total apporté pour le lisier de bovins et à environ 40% pour les engrais organiques liquides issus de la digestion anaérobie. Ces valeurs sont élevées par rapport aux études précédentes, ce qui s’explique en grande partie par les conditions cadres spécifiques de notre essai. Il convient de souligner les différences relatives entre les engrais organiques liquides issus de la digestion anaérobie et le lisier de bovins, qui montrent qu’une gestion optimisée devrait être appliquée lors de l’épandage, en particulier pour les engrais issus de la digestion anaérobie. À ce jour, très peu d’études ont été menées sur les émissions de NH3 des digestats non agricoles. Nos résultats apportent donc une contribution précieuse à l’estimation des émissions de NH3 comme base pour les inventaires d’émissions. Une expérience en colonne visant à étudier les mécanismes sous-jacents aux émissions de N2O a été achevée avec succès à l’automne 2020. Cette expérience portait également sur une éventuelle interaction entre les engrais, le charbon végétal et un inhibiteur de nitrification. L’inhibiteur de nitrification a réduit les émissions de N2O dans cette expérience, tandis que le charbon végétal n’a pas eu d’effet clair. Par ailleurs, un mémoire de master a permis de quantifier l’abondance des gènes microbiens fonctionnels dans cette expérience (Dallo, 2021). Les résultats du projet Recycle4Bio et nos données montrent que pour le bilan d’azote lors de l’épandage d’engrais organiques liquides, les pertes de NH3 sont particulièrement critiques, tandis que les émissions de N2O dépendent moins des engrais, mais sont plutôt influencées par le travail du sol, la rotation des cultures et les facteurs abiotiques. Quant au CH4, des études complémentaires sur les processus et une éventuelle interaction entre les engrais et le charbon végétal s’avèrent nécessaires.
Zugehörige Dokumente
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