Human urine as a crop fertilizer under saline conditions

Abstract

Soil salinity and nutrients deficiency are jointly responsible for low agricultural production in many parts of the world. With a still growing world population and a continuing pressure on arable land, there is need to increase the productivity of salt affected soils. It is known that the application of N fertilizer can mitigate the deleterious effects of salinity on crop growth but this beneficial effect depends on the source of nitrogen and the extent of soil salinity. Whereas commercial inorganic fertilizers are expensive and often inaccessible to poor farmers especially in developing countries, human urine is an alternative low-cost fertilizer which, if collected and used, can replace up to 20% of current world fertilizer consumption. Its efficacy to increase crop productivity has been validated in scientific experiments. However, the high concentration of soluble salts (especially Na and Cl) in urine may impose a restriction on its use under saline and/or sodic conditions. The research presented in this thesis investigates the extent to which urine can be used as a fertilizer under saline/sodic conditions. It compares the effect of urine and ammonium nitrate-N sources on nutrients accumulation and growth of maize and sorghum plants in NaCl-saline substrate under controlled environmental conditions. Additionally, the effect of urine fertilization on changes in substrate chemical composition was investigated. Due to the high content of K, Ca and Mg in wood ash which can improve the soil cationic balance in salt affected soils, it was further investigated whether or not supplemental wood ash application can enhance salt- and Na-tolerance of urine-fertilized maize plants. Regardless of NaCl salinity treatment, no significant difference in investigated growth factors (height, leaf area and shoot biomass accumulation) of maize plants was measured when N was supplied at 180 mg kg-1 cultivation substrate as urine or ammonium nitrate. Meanwhile, urine treated maize plants produced comparatively less shoot biomass following the application of 380 mg N kg-1 of cultivation substrate and at NaCl salinities of 4.6 and 7.6 dS m-1. As expected, sorghum plants were more tolerant to salinity than maize and produced more biomass under urine than ammonium nitrate fertilization. Though there was a positive relationship between biomass yield and tissue nitrogen concentration regardless of salinity treatment level, this relationship was stronger for ammonium nitrate than urine treatments. Ca and Mg concentration in the tissue of urine-fed maize and sorghum plants was higher than those treated with ammonium nitrate which can be explained by the inherent content of these nutrients in urine. However, there was no direct relationship with biomass yield of maize plants of either nutrient. Additionally, urine fertilization significantly increased substrate salinity by 2 to 3-fold. Substrate sodium concentration and a tendency towards mounting sodicity with an increase in urine fertilization were also observed. At a NaCl-salinity of ECe 4.2 dS m-1, the application of wood ash (150 mg kg-1 soil) alone or in combination with 75 mg urine-N kg-1 soil fostered Na and salinity tolerance of maize which can be explained by the dilution effect of K and Ca supplied through wood ash. However, at a higher urine-N dosage (150 mg kg-1 soil) with or without wood ash enrichment growth inhibition occurred indicating that the tolerance threshold had been exceeded assumingly due to urine-induced increase in Na and salinity. It was demonstrated that urine can substitute ammonium nitrate as a source of nitrogen for maize and sorghum and can be considered for fertilization if salinity does not exceed ECe 4.0 dS m-1. Due to urine-induced increase in salinity and Na concentration in the growing medium, regular monitoring for salt build up and the use of salt-tolerant crop varieties should be included in urine fertilizer planning. It was further demonstrated that supplemental wood ash enhances Na and salinity tolerance and where necessary should be incorporated in urine-fertilizer programs.

In weiten Teilen der Erde sind sowohl der hohe Salzgehalt des Bodens als auch die mangelnde Versorgung mit Nährstoffen mitverantwortlich für niedrige Erträge aus der landwirtschaftlichen Produktion. Eine weiter zunehmende Weltbevölkerung und der damit verbundenen steigenden Nachfrage nach biobasierten Produkten aus der Landwirtschaft verlangt nach einer Erhöhung der Produktivität auch von salzhaltigen Böden. Stickstoffdüngung kann bekanntermaßen die negativen Effekte einer Bodenversalzung auf das Wachstum von Nutzpflanzen verringern. Dies wiederum ist stark abhängig von der Stickstoffform und dem Ausmaß der Bodenversalzung. Eine kostengünstige Alternative zu den mineralischen Düngern, die für Landwirte in vielen Entwicklungsländern oft schwer zugänglich und teuer sind bietet Urin menschlicher Herkunft. Dieser könnte bis zu 20% des weltweiten Düngemittelbedarfs decken. Die Wirksamkeit von Urin zur Steigerung der Produktivität von Nutzpflanzen wurde in verschiedenen wissenschaftlichen Experimenten belegt. Die hohe Konzentration von löslichen Salzen im Urin, insbesondere von Natrium und Chlor, kann eine Einschränkung bei der Nutzung menschlichen Urins unter salzhaltigen und/oder natriumhaltigen Bedingungen darstellen. Die hier vorgestellte Forschungsarbeit beschäftigt sich mit der Fragestellung in welchem Ausmaß Urin als Düngemittel auf versalzten und/oder natriumhaltigen Böden genutzt werden kann. Die Auswirkungen von Urin im Vergleich zur Ammonium-Nitrat-Düngung werden im Hinblick auf die Nährstoffakkumulation und das Wachstum von Mais und Sorghum auf salzhaltigem (NaCl) Substrat unter kontrollierten Umweltbedingungen untersucht. Zusätzlich dazu wird der Einfluss von Urindüngung auf die chemische Zusammensetzung des Bodensubstrats erfasst. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Untersuchung des Einsatzes von Holzasche zur Verbesserung der Salz- und Natriumtoleranz von Maispflanzen unter Bedingungen einer Urindüngung. Durch den hohen Gehalt an Kalium, Calcium und Magnesium kann diese das Kationengleichgewicht in salzhaltigen Böden verbessern. Bei einer Stickstoffgabe von 180 mg kg-1 Kultursubstrat konnte weder bei Urin noch bei Ammonium-Nitrat als Stickstoffquelle ein signifikanter Unterschied der untersuchten Parameter (Wuchshöhe, Blattfläche und Sprossbiomasse) bei unterschiedlichen Salzkonzentrationen im Boden festgestellt werden. Bei Stickstoffgaben von 380 mg kg-1 Substrat und einer NaCl-Salinität von 4,6-7,6 dS m-1 wurde vergleichsweise weniger Sprossbiomasse bei urinbehandelten Maispflanzen erzielt. Wie erwartet zeigten Sorghumpflanzen eine höhere Salztoleranz als Mais und produzierten unter Urinbehandlung mehr Biomasse als unter Ammonium-Nitrat-Düngung. Es konnte eine positive Beziehung von Biomasseertrag und Stickstoffkonzentration im Gewebe festgestellt werden und dies unabhängig von der Salinitätsbehandlung. Dieser Effekt war jedoch deutlicher ausgeprägt unter Ammonium-Nitrat-Düngung. Die Gehalte an Calcium und Magnesium waren im Gewebe von urinbehandeltem Mais und Sorghum höher als bei den Behandlungen mit Ammonium-Nitrat. Dies lässt sich über den naturgegebenen Gehalt dieser Nährstoffe im Urin erklären. Allerdings ließ sich keine direkte Beziehung zwischen dem Biomasseertrag von Maispflanzen und einem der beiden Nährstoffe zeigen. Die Düngung mit Urin erhöhte die Salinität des Kultursubstrats um das zwei- bis dreifache. Zusätzlich konnte eine Anreicherung des Substrats mit Natrium und eine Tendenz zur Natrium-Übersättigung bei steigender Urinkonzentration beobachtet werden. Bei einer durch NaCl bedingten Salinität von ECe 4,2 dS m-1 führte die Beimengung von Holzasche (150 mg pro kg Boden), allein oder in Kombination mit 75mg Urin-Stickstoff pro kg Boden zu einer verstärkten Toleranz von Mais gegenüber Natrium und Salinität. Dies kann durch den Verdünnungseffekt erklärt werden, der durch die in der Holzasche enthaltenen Kalium- und Calcium-Ionen eintritt. Nichtsdestotrotz konnte ab einer Stickstoffgabe aus Urin (150 mg kg-1 Boden) eine Wachstumshemmung festgestellt werden, unabhängig von erfolgter oder nicht erfolgter Holzaschebeimengung. Dies deutet auf die Überschreitung eines Grenzwertes bei der Toleranz gegenüber Natriumkonzentration und Salinität im Boden hin. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Urin Ammonium-Nitrat als Stickstoffquelle bei der Düngung von Mais und Sorghum substituieren kann, insbesondere solange die Salinitätsbedingungen ECe 4,0 dS m-1 nicht überschreiten. Aufgrund der urininduzierten Zunahme an Na-Konzentration und Salinität des Bodens sollten diese Standorte regelmäßig auf ihren Salzgehalt hin untersucht werden. Auch sollten salztolerante Kulturpflanzen in einen Bewirtschaftungsplan mit Urindüngung eingebunden werden. Es wurde außerdem gezeigt dass die Beimengung von Holzasche die Toleranz von Nutzpflanzen gegenüber Natrium und Salinität verbessern kann. Bei Bedarf sollte die Ausbringung von Holzasche in urinbasierte Düngungsprogramme integriert werden.