Towards sustainable intensification of feedstock production with nutrient cycling

Sludge contains valuable nutrient sources such as N (3.1%), P (2.6%) and micronutrients as well as organic matter. Nevertheless, depending on the feedstock materials, sludge contains heavy metals and metalloids that can be partly taken up by plants. The continuing need for disposal of sludge is a challenge due to the increasing world population. Experiments were conducted at glasshouse and field at Viikki Experimental Farm, University of Helsinki, Finland, during 2008-2012, in order to study the suitability of sewage sludge and digested sludge as nutrient sources for bioenergy crops. Leaf N content, leaf area index, leaf area formation, net photosynthesis, water relations and biomass accumulation were determined. In addition, the effects of sludge on feedstock quality in terms of macronutrient and trace element content in crop biomass, C:N mass ratio and ash content as well as higher heating value and gross energy yield were studied. Further attention was paid to the role of mycorrhizal colonization in the improvement of N and P availability to the host plants. In the first glasshouse experiment, sewage sludge was applied in a high dose (1 kg sludge per 5 kg soil), a low dose (50% of high), or a low dose premixed with an equal mass of peat. In the subsequent glasshouse and field experiments, treatments for each crop species were standardized on the basis of total N, where 100% represented 120 kg ha-1 of N for maize, 90 kg ha-1 for oilseed rape, and 60 kg ha-1 for fibre hemp and ryegrass. The second glasshouse experiment comprised five treatments (soil + synthetic fertilizer, soil + sewage sludge, soil + digested sludge, sand + synthetic fertilizer, sand + sewage sludge), while the field experiments comprised six treatments (100% synthetic fertilizer, 50% + 50% synthetic fertilizer in a split application, 50% synthetic fertilizer + 50% sewage sludge, 100% sewage sludge, 150% sewage sludge and 100% digested sludge). Each experiment was arranged in a randomized complete block design with 3-6 replicates. Sewage sludge-peat mixtures significantly increased leaf area, and improved net photosynthesis of maize and hemp. Sewage sludge resulted in higher biomass accumulation in maize and hemp at 90 and 150 DAS than in the other treatments in the field study, while biomass accumulation of oilseed rape was equally high following applications of both sewage sludge and synthetic fertilizer throughout most of sampling dates. Sewage sludge application resulted in more numerous fungal spores in soil and increased root colonization in comparison to synthetic fertilizer. The highest root colonization rate was in maize, followed by hemp. Sewage sludge and synthetic fertilizer applications resulted in higher N uptake in maize, hemp and oilseed rape than in the other treatments. However, sewage sludge resulted in the highest P uptake in maize and hemp, while high sewage sludge and digested sludge resulted in the highest P uptake in oilseed rape. Also, sewage sludge resulted in the highest accumulation of many heavy metals and metalloids in plant biomass. Sewage sludge application provided the optimum feedstock quality in maize, hemp and oilseed rape, in terms of reducing the content of alkali metals, Cl and ash, while sewage sludge and synthetic fertilizer applications gave the optimum C:N ratio for methane production in maize and hemp. Thus, recycling nutrients from sludge provides an opportunity to minimize the use of synthetic fertilizer with its high consumption of fossil fuel, and improves sustainability in agriculture. Sewage sludge improved plant growth, mycorrhizal colonization of roots and plant uptake of N and P, and feedstock quality. However, the potential losses of P can be a serious environmental issue in long-term sludge use, and the high content of Cu in sludge makes it the heavy metal of greatest concern.Yhdyskunta jätteiden ja vedenpuhdistuslietteiden biokaasuprosessissa jäljelle jäävä hajoamaton aines, mädäte, sisältää arvokkaita ravinteita kuten typpeä (3,1 %), fosforia (2,6 %) ja hivenaineita, sekä orgaanista ainesta. Näiden ravinteiden kierrätystä tulisi lisätä, jotta voitaisiin vastata kasvavaan kasviperäisten raaka-aineiden tarpeeseen maailmanlaajuisesti. Mädätteet saattavat kuitenkin sisältää epäpuhtauksina esimerkiksi raskasmetalleja ja metalloideja, jotka voivat kulkeutua kasveihin. Tutkimus toteutettiin Helsingin yliopistossa ja Viikin opetus- ja tutkimustilalla vuosina 2008 2012, kasvihuone- ja peltokokeina. Työssä tutkittiin mädätteiden soveltuvuutta bioenergiakasvien (maissi, hamppu ja lupiini) lannoitukseen. Viljelykokeissa selvitettiin mädätteiden vaikutusta kasvien lehtialan ja biomassan muodostumiseen, yhteyttämistehokkuuteen ja vesitalouteen. Lisäksi kasveista määritettiin raaka-aineen laadun kannalta oleellisten alkuaineiden, tuhkan ja energian pitoisuudet sekä lämpöarvo. Erityistä huomiota kiinnitettiin myös sienijuuren esiintymiseen kasvien juuristossa ja sen vaikutusta kasvien typen ja fosforin ottoon. Ensimmäisessä astiakokeessa mädätettä sekoitettiin peltomaahan (liete:maa 1:5; 0,5:5; sekoitettuna turpeeseen 0,5:5). Myöhemmissä astiakokeissa ja kenttäkokeissa mädätettä lisättiin maahan sen sisältämän typen määrän mukaisesti, vastaamaan kasvien typentarvetta: N 100% vastasi 120 kg ha- 1 N maissilla , 90 kg ha- 1 rapsilla ja 60 kg ha - 1 hampulla ja raiheinällä. Kokeissa verrattiin mädätteitä ja väkilannoitteita (väkilannoitetypen määrä vastasi mädätteiden sisältämän typen määrää) sekä näiden yhdistelmiä. Mädätteen ja turpeen seos lisäsi maissin ja hampun lehtialaa ja yhteyttämistehokkuutta huomattavasti, minkä seurauksena myös kasvien biomassa lisääntyi. Sen sijaan rapsin kohdalla vastaavia eroja ei ilmennyt eri mädäte- ja väkilannoitekäsittelyjen välillä. Mädätteet lisäsivät merkitsevästi sieni-itiöiden määrää maassa ja juurten mykorritsa kolonisaatiota väkilannoitekäsittelyihin verrattuna. Mädätteet lisäsivät myös kaikkien kasvien typenottoa sekä maissin ja hampun fosforinottoa verrattuna väkilannoitteisiin. Toisaalta kasvien biomassassa oli eniten raskasmetalleja ja metalloideja mädätekäsittelyjen seurauksena. Mädätteillä lannoitettujen kasvien massan laatu oli kuitenkin bioenergiakäytön kannalta optimaalinen, sillä sen alkalimetalli- ja tuhkapitoisuus oli väkilannoitteella lannoitettujen kasvien massaa parempi, kun taas mädätteellä ja väkilannoitteella ei havaittu eroja metaanintuotannon kannalta oleellisessa kasvien hiilen ja typen pitoisuuden suhteessa. Tutkimuksesta saatujen tulosten perusteella mädätteet soveltuvat bioenergiakasvien lannoitteiksi. Tämä edesauttaa pyrkimystä kasvintuotannon kestävyyden parantamiseen paitsi ravinteiden kierrätyksen osalta myös fossiilisten polttoaineiden käytön tarpeen vähentämisen kautta. On kuitenkin muistettava, että mädäteet saattavat sisältää raskasmetalleja ja metalloideja, jotka voivat kerääntyä kasveihin tai maahan pitkän aikavälin kuluessa, minkä lisäksi mädätteissä voi olla esimerkiksi taudinauttajia tai lääkejäämiä, joita tässä työssä ei tutkittu