Nitrous oxide emissions and mitigation strategies in winter oilseed rape cultivation

Abstract

After carbon dioxide and methane, nitrous oxide, is the third most important greenhouse gas in the atmosphere. Nitrous oxide contributes to the greenhouse gas effect as well as to ozone depletion. The major portion of anthropogenic N2O emissions are stimulated by the use of nitrogen fertilizers in agriculture. The main processes for N2O production in soils are nitrification and denitrification. Various environmental and management factors such as precipitation, soil type, tillage, and crop residues affect these processes. N2O emissions can occur substantially in the post-harvest period. In Germany, approximately 50 % of the annual N2O emissions can occur during winter. This exhibits the importance and necessity of annual data sets which prevent misinterpretations instigated by investigations limited to the vegetation period. Winter oilseed rape is the most important raw material for biodiesel in Germany. As of 2018, the framework of the European Renewable Energy Directive requires that the use of biofuels achieve GHG savings of at least 50 % compared to fossil fuels. Feedstock production for biodiesel contributes more than half of the total GHG emissions. To close the nutrient cycle with renewable energy, digestate from biogas plants can be used as a substitute for mineral N fertilizer permitting the reduction of GHG emissions in the production process of synthetic fertilizers. When compared to other crops, OSR has a high N demand. The low N removal by the seeds results in inefficient use of nitrogen and therefore a high N surplus in the soil which is susceptible to gaseous or leaching losses to the environment. Another potential risk for N2O losses are crop residues after harvest. The type of soil cultivation can have both positive and negative implications on N2O emissions which depend, among other things, on tillage depth, soil type and moisture. Results from studies measuring N2O emissions from different tillage systems are contradicting and site dependent. This study aims to investigate the effect of (a) N fertilization (mineral and organic), (b) nitrification inhibitors, (c) crop residues and (d) tillage on direct N2O emissions and, inter alia, yield and soil nitrogen dynamics in OSR production. N2O emissions were monitored for three years over a range of N fertilization levels at five study sites chosen so as to best represent typical winter oilseed rape production in Germany. Furthermore, the effect of the nitrification inhibitor (NI) TZ+MP (1H-1,2,4-triazole and 3- methylpyrazole) with digestate is investigated. Additional experiments for 15N labelled crop residues, nitrification inhibitor DMPP (3,4-dimethylepyrazole phosphate) with mineral fertilizer and soil tillage were implemented. A high spatial and temporal variability in N2O fluxes over all sites was observed. At each site, increased N2O fluxes were often detected after N fertilization in conjunction with rainfall events. During the first six weeks after harvest we frequently observed increased N2O fluxes following rainfall. In this postharvest period of winter oilseed rape, nitrate contents in the top soil were generally elevated. There were no considerable N2O pulses observed during thawing of frozen soil. Winters were mild without any severe frost periods in all three surveyed years which could be a reason for the generally low N2O winter fluxes observed in this study. On all examined sites, increasing N fertilization significantly enhanced N2O flux rates. Data obtained during the study were used to augment an existing model, wherefrom a new emission factor for OSR can be calculated. Assuming a quantity of 200 kg N ha-1 the global fertilizer-related emission factor derived from the exponential model was 0.6 %. This factor is within the uncertainty range of the EF1 IPCC emission factor (0.3 % – 3.0 %), but about 40 % lower than the 1 % IPCC default. The nitrification inhibitor (NI) TZ+MP combined with digestate mitigated the N2O fluxes significantly across all study sites and experimental years. As already noted in the fertilizer experiment, a high spatial and temporal variability in N2O fluxes over all sites was observed. The magnitudes of the N2O fluxes also showed similar trends. Over the entire investigation, the application of the NI significantly reduced annual N2O emission by a factor of three. During the fertilization period this mitigation effect was six times significant. This clearly emphasizes the importance of annual data sets to avoid overestimating NI effects.

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– missionen, 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 %.