Effect of straw addition to fertilization with fermentation residue on emissions of greenhouse gases from soil

Im Rahmen eines Projektes zur Minderung der Frei­setzung von klimarelevanten Gasen bei Einsatz von Gärresten wurde u.a. die Wirkung einer zusätzlichen Strohdüngung in Laborversuchen geprüft. Der Stroh­zusatz erhöhte beachtlich die Kohlendioxidfreisetzung. In den Versuchen, in welchen es zu einer Ammoniak­emission kam, wurde diese durch den Strohzusatz gemindert. Die Lachgasemission wurde durch die Strohdüngung sowohl gemindert als auch erhöht. Bei einem Vergleich von Ammonium- und Nitratdüngung lag die Lachgasfreisetzung bei der Ammoniumdüngung höher als bei der Nitratdüngung. Insgesamt hatte der Stroh­zusatz aber bei beiden N-Formen eine lachgasfördernde Wirkung. Bei der Gärrestdüngung war die Lachgasemission höher als bei einer Ammoniumdüngung, wurde aber bei der Gärrestdüngung durch den Strohzusatz gemindert und bei der Ammoniumdüngung dagegen gesteigert. Der Zusatz von Stroh reduzierte sowohl die Menge an mineralischem Stickstoff im Boden als auch die aus der Düngung stammende Menge an Gesamtstickstoff. Bilanzbetrachtungen deuten darauf hin, dass es bei Strohzusatz auch zu einer erhöhten N2-Freisetzung gekommen sein kann.    As part of a project to mitigate the release of greenhouse gases due to fermentation residue fertilization the effect of an additional straw application was tested at laboratory scale. It was found that carbon dioxide release was in general markedly increased, while ammonia emission was reduced by straw application. By contrast, nitrous oxide was differently affected by the addition of straw inasmuch as either a reduction or an increase of emission rates was observed. An application of ammonium or nitrate fertilizer revealed an increase of nitrous oxide release in the presence of straw. Concerning ammonium fertilization, however, the release of nitrous oxide was higher compared to that of nitrate fertilization. In addition, the application of straw reduced both the content of mineral nitrogen in the soil as well as the amount of total soil nitrogen. Therefore, the addition of straw might even have been resulted in an increased release of dinitrogen.   &nbsp

Release of greenhouse gases from different soils under laboratory conditions

In zwei Laborversuchen wurde die Freisetzung von Ammoniak, Lachgas, Kohlendioxid und Methan aus zehn verschiedenen Böden ohne und mit Zusatz von Gärrest geprüft. Ohne Zusatz von Gärrest kam es nur zu einer Freisetzung von CO2. Mit Gärrestzusatz traten alle untersuchten Gase auf. Bei den gedüngten Böden lag eine hohe Streubreite bei den N2O-, CO2- und NH3-Freisetzungen vor. Die engste Beziehung zwischen den untersuchten Bodenparametern und den Gasfreisetzungen bestand zwischen dem Sandgehalt und der NH3-Freisetzung. Bei Gärrestzusatz erfolgte die höchste Freisetzung von CO2-Äquivalenten (Summe aller vier Gase) bei den lehmigen Sandböden. DOI: 10.5073/JfK.2014.06.02, https://doi.org/10.5073/JfK.2014.06.02In two laboratory experiments, the release of ammonia, nitrous oxide, carbon dioxide and methane from ten different soils was tested with and without the addition of fermentation residue. Without the addition of fermentation residue, there was only a release of CO2. With application of fermentation residue all investigated gases were released. In the fertilized soils, high scatter was present in the N2O, CO2 and NH3 release. The closest relationship between the studied soil parameters and the gas release existed between sand content and NH3 release. After application of fermentation residue the highest release of CO2 equivalents (sum of all four gases) was found in the loamy sand soils. DOI: 10.5073/JfK.2014.06.02, https://doi.org/10.5073/JfK.2014.06.0

Comparison of the release of nitrogen gases (NH3, N2O, N2) after application of fermentation residues

Anhand von acht Laborversuchen wird die Wirkung von Einflussfaktoren auf die Freisetzung von Stickstoffgasen nach einer Gärrestapplikation demonstriert und werden dazu Vergleiche zwischen den Gasen vorgenommen. Übereinstimmungen ergaben sich bei der NH3- und N2O-Freisetzung in Bezug auf die Temperatur und die Art der Düngung. Unterschiede zeigten sich im zeitlichen Verlauf der Gasfreisetzungen und in der Reaktion auf die Applikationsmethode, die Bodenfeuchte, die Gärrest-N-Menge und den Zusatz von Stroh sowie eines Nitrifikations­inhibitors. Die N2O- und N2-Freisetzungen nahmen mit steigender Bodenfeuchte zu. Im hohen Bodenfeuchte­bereich stieg besonders die N2O-Freisetzung an und lag über der Freisetzung von N2. Der Zusatz von Stroh zur Gärrestapplikation kann einen differenzierten Einfluss auf die N2O- und N2-Freisetzungen ausüben, der offensichtlich vom Bodenfeuchtegehalt abhängig ist. DOI: 10.5073/JfK.2015.03.02, https://doi.org/10.5073/JfK.2015.03.02On the basis of eight laboratory experiments, the effect of factors is demonstrated on the release of nitrogen gases after fermentation residue application and comparisons between gases are made. Similarities where found in the behaviour of NH3 and N2O release with respect to the influence of temperature and the applied fertilizer. Differences occurred in the temporal dynamics of gas release and in response to the application method, the soil moisture content, the rate of fertilizer N application and the addition of straw and a nitrification inhibitor. The N2O and N2 release increased with increasing soil moisture. At high soil moisture, particularly N2O release increased and was partially above the release rate of N2. The addition of straw to the application of fermentation residue showed a differential influence on N2O and N2 release, which is obviously dependent on soil moisture content. DOI: 10.5073/JfK.2015.03.02, https://doi.org/10.5073/JfK.2015.03.0

Effects of grass species and grass growth on atmospheric nitrogen deposition to a bog ecosystem surrounded by intensive agricultural land use

We applied a N-15 dilution technique called Integrated Total Nitrogen Input (ITNI) to quantify annual atmospheric N input into a peatland surrounded by intensive agricultural practices over a 2-year period. Grass species and grass growth effects on atmospheric N deposition were investigated using Lolium multiflorum and Eriophorum vaginatum and different levels of added N resulting in increased biomass production. Plant biomass production was positively correlated with atmospheric N uptake (up to 102.7mg N pot(-1)) when using Lolium multiflorum. In contrast, atmospheric N deposition to Eriophorum vaginatum did not show a clear dependency to produced biomass and ranged from 81.9 to 138.2mgNpot(-1). Both species revealed a relationship between atmospheric N input and total biomass N contents. Airborne N deposition varied from about 24 to 55kgNha(-1)yr(-1). Partitioning of airborne N within the monitor system differed such that most of the deposited N was found in roots of Eriophorum vaginatum while the highest share was allocated in aboveground biomass of Lolium multiflorum. Compared to other approaches determining atmospheric N deposition, ITNI showed highest airborne N input and an up to fivefold exceedance of the ecosystem-specific critical load of 5-10kgNha(-1)yr(-1).Peer reviewe

Veränderungen der Lachgas- und Methanflüsse eines nährstoffarmen Moores im Nationalpark Harz bei fortschreiten-der Wiedervernässung

Wiedervernässte Moore stellen dynamische Systeme dar, die eine hohe Mobilität gelöster organischer Kohlenstoffverbindungen (DOC) sowie hohe Methan(CH4)-Emissionen aufweisen können. Im vorliegenden Projekt wurden die Veränderungen der CH4- als auch Lachgas(N2O)-Emissionen mit fortschreitender Wiedervernässung einer permanent wasserüberstauten Fläche (Rew2009) und einer parallel zu den Gasmessungen wiedervernässten Fläche mit kontinuierlichem Anstieg der Wasserstände (Rew2010) mittels geschlossener Sammelhauben untersucht. Die bisherigen vierjährigen Untersuchungen zeigten sehr hohe CH4-Emissionen von bis zu 15,3 mg m-2 h-1 bei Rew2009. Signifikante Korrelationen wurden zwischen der CH4-Freisetzung zu den Bodentemperaturen,DOC- und Sauerstoff(O2)-Gehalten und den elektrischen Leitfähigkeiten des Moorwassers ermittelt. Signifikant niedrigere CH4-Emissionen und ein Anstieg der CH4-Emissionen mit fortschreitender Wiedervernässung wurden bei Rew2010 nachgewiesen. Während die permanent wassergesättigte Fläche Rew2009 negative bzw. sehr geringe N2O-Emissionen aufwies, wurden bei Rew2010 zu Beginn der Wiedervernässung bei niedrigen Wasserständen höhere N2O-Emissionen von im Mittel bis zu 37 µg m-2 h-1 ermittelt, die einen Zusammenhang zu den Wasserständen, Bodentemperaturen, O2- und DOC-Gehalten im Moorwasser zeigten

Temperature time series and methane emission rates in the Lena Delta area

Frostmusterbedingte Seen sind ein wesentlicher Bestandteil der Polygonalen Tundren. Über ihre Bedeutung für die Methanemissionen dieser Gebiete ist bis heute nichts bekannt. Es gibt nur wenige Untersuchungen über ihre Funktion als natürliche Methanquellen. Genaue Angaben über ihre Verbreitung innerhalb der Polygonalen Tundren existieren nicht. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Evaluierung der Methanflüsse frostmusterbedingter Seen anhand einer Beispielregion der Polygonalen Tundra (Insel Samoylov) im Gebiet des nordsibirischen Lena-Deltas. Die Geländearbeiten wurden während der durch das AWI Potsdam organisierten Expedition „Lena-Delta – Neusibirische Inseln 2002“ vom 23. Juni bis zum 11. September 2002 durchgeführt. Die zentrale Aufgabe der Arbeit war die kontinuierliche Messung der Methanemissionen frostmusterbedingter Seen der Insel Samoylov während der Vegetationsperiode des Jahres 2002 mittels eigens hierfür konstruierter Emissionsmesshauben sowie Analyseverfahren der Gaschromatographie. Untersucht wurde zum einen die pflanzenvermittelte Methanemission durch emerse Vegetation im Flachwasserbereich und zum anderen die Methandiffusion an der Grenze Wasser-Luft sowie die Freisetzung methanhaltiger Gasblasen im tieferen Freiwasserbereich. Für die Evaluierung essentieller biotischer bzw. abiotischer Steuergrößen gewässergebundener Methanemissionen wurden parallel diverse Standortfaktoren untersucht. Für die Untersuchung der räumlichen Verbreitung frostmusterbedingter Seen im Untersuchungsgebiet wurden hochauflösende Satellitendaten ausgewertet. Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung zeigen, das Flachwasserbereiche mit emerser Vegetation die mit Abstand größten Methanemissionsleistungen innerhalb der frostmusterbedingten Seen aufweisen. An den drei Untersuchungstandorten lagen sie im Mittel bei 58,6 ±12,5 mg CH4 m-2 d-1 (n = 25; PS1), 41,7 ±13,6 mg CH4 m-2 d-1 (n = 25; PS2) bzw. 34,4 ±8,0 mg CH4 m-2 d-1 (n = 24; IS). Es konnte gezeigt werden, dass bis zu 98 % des hier emittierten Methans durch pflanzenvermittelten Methangastransport in die Atmosphäre freigesetzt werden. Eine Methanvermittlungsfunktion konnte für das Süßgras Arctophila fulva sowie für die Seggen Carex aquatilis und C. chordorrhiza nachgewiesen werden. Im Bereich der Freiwasserflächen ohne emerse Vegetation sind die Methanemissionsleistungen meist deutlich geringer und erfolgen ausschließlich über Diffusionsprozesse an der Grenze Wasser-Luft sowie die Freisetzung methanhaltiger Gasblasen. Die Methanemissionen durch freigesetzte Gasblasen zeigen extreme Abweichungen zwischen den drei Standorten. An den Untersuchungsstandorten PS1 und IS lagen sie bei maximal 0,68 bzw. 0,14 mg CH4 m-2 d-1, während am Standort PS2 im Mittel 11,7 ±8,1 mg CH4 m-2 d-1 (n = 25) und maximal 30,24 mg CH4 m-2 d-1 erreicht wurden. Die V Methanemissionen durch Diffusionsprozesse an der Grenze Wasser-Luft sind generell gering und zeigen keine deutlichen Unterschiede zwischen den drei Untersuchungsstandorten. Die Leistungen lagen im Mittel bei 1,9 ± 1,1 mg m-2 d-1 (n = 27; PS1), 3,0 ± 1,6 mg m-2 d-1 (n = 27; PS2) bzw. 2,2 ± 2,0 mg CH4 m-2 d-1 (n = 27). Es konnte gezeigt werden, dass die extremen Unterschiede bei der Freisetzung methanhaltiger Gasblasen erhebliche Auswirkungen auf die Gesamtemissionsleistung der Freiwasserfläche eines Sees haben. So emittierte die Freiwasserfläche des Sees PS2, aufgrund der hohen Methanemissionsleistung via Gasblasen, während des Untersuchungszeitraums von Mitte Juli bis Anfang September mit 700 mg CH4 m-2 etwa die 10fache Methangasmenge in die Atmosphäre als die Seen PS1 oder IS. Durch die vorliegende Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Methanemissionen frostmusterbedingter Seen durch ein komplexes Wirkungsgefüge voneinander unabhängiger Größen gesteuert werden. Aus der Untersuchung diverser Standortfaktoren ergibt sich, dass neben den biotischen Faktoren Art und Zusammensetzung methangasvermittelnder Vegetation, die abiotischen Faktoren Temperatur und Luftdruck die wesentlichen Steuergrößen der Methanemissionen frostmusterbedingter Seen sind. Die Temperatur wirkt sich sowohl steuernd auf die Intensität der am Methanfluss beteiligten Stoffwechselprozesse als auch auf die Etablierung von Emissionsmechanismen aus. Änderungen des Drucks wirken sich direkt auf die Freisetzung von Gasblasen aus. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass eine luftdruckinduzierte Gasblasenfreisetzung als Folge eine Steigerung der diffusiven Methanemissionen bewirken kann. Die auf Samoylov erfassten frostmusterbedingten Seen bedecken mit etwa 11,9 % nur einen relativ kleinen Teil des Inselbereichs mit Polygonaler Tundra. 98 % der erfassten frostmusterbedingten Seen besitzen eine Flächengröße von ≤ 1.000 m2 und bedecken zusammen etwa nur 6,55 % (≈ 117.000 m?) der Polygonalen Tundra Samoylovs. In Verbindung mit den - im Vergleich zu anderen Untersuchungsergebnissen gewässergebundener Methanemissionen der nördlichen Breiten - relativ geringen Emissionsleistungen leisten sie keinen übergeordnet großen Beitrag für die Methangesamtemissionen der Polygonalen Tundren. Die vorliegende Untersuchung konnte klar zeigen, dass bezüglich der Evaluierung von Methanemissionen Polygonaler Tundren ein Differenzierung zwischen großen Thermokarstseen, welche in der vorliegenden Literatur als sehr starke Methanemittenten beschrieben wurden, und frostmusterbedingten Seen notwendig ist