Effects of nitrification inhibitors and application technique on trace gas fluxes from a maize field after cattle slurry fertilization

Abstract

In a time of climate change and against the background of intensive animal husbandry and biogas production in Germany, strategies for mitigation of greenhouse gas (GHG) release and Nitrogen (N) losses from silage maize production become increasingly important, especially for organic fertilizers. Consequently, the main objective of this study was to determine the height of GHG release from silage maize production on a medium textured soil which is typical for this region in Southwest Germany and to evaluate useful fertilization opportunities to mitigate carbon dioxide (CO2) footprint per yield unit. To identify management factors improving GHG budget from silage maize, annual nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) measurements were carried out during maize growth and subsequent black fallow at least weekly. Investigations were conducted over two years on two adjacent fields (one for each study year). Amounts of ammonia (NH3) volatilizations after fertilization and nitrate (NO3-) leaching losses were also included in GHG balances. In dependence on available data, determined or estimated values were used. Additionally, yield and N removal from maize plants were quantified. The basic treatments of this study which investigated impact of fertilizer form and application techniques, were an unfertilized control (CON), a mineral fertilization (MIN), a banded cattle slurry application by trailing hose and subsequent incorporation (INC) and a cattle slurry injection (INJ). As confirmed repeatedly, in contrast to broadcast slurry incorporation, slurry injection efficiently reduced the risk of NH3 losses by direct slurry placement into the soil, but simultaneously provoked N2O formation more strongly, probably due to the anaerobic conditions in the injection slot favoring denitrification. For reducing N2O release from slurry injection, the applicability of six single or combined nitrification inhibitors (NIs) concerning potential GHG reduction were investigated. This N2O reduction should be reached through the desynchronized availability of carbon (C) and NO3-, derived from nitrified slurry ammonium (NH4+). Thus, in the period after slurry application, N2O losses from denitrification as well as from nitrification should be reduced through NIs. For final evaluation, collection of measured and estimated data (including direct and indirect N2O losses (NH3, NO3-), CH4 budget, pre-chain emissions from mineral fertilizer and fuel consumption) were converted into CO2 equivalents and summarized as area- or yield-related GHG balances. Except for one of the INJ treatments with NI (exclusively investigated in the first year) and one INC treatment with NI (exclusively investigated in the second year), all remaining treatments were tested in both experimental years. The height of NH3 emissions from INC treatment (12-23 % of applied NH4+-N) was more weather-dependent than those from INJ treatment (12-15 % of applied NH4+-N). In mean over both years, cumulative N2O emission from INJ treatment (13.8 kg N2O-N ha-1 yr-1), was significantly higher than from CON, MIN, and INC which recorded 2.8, 4.7, and 4.4 kg N2O-N ha-1 yr-1. NIs decreased the fertilization-induced N2O emissions from injection by 36 % (mean over all NIs and years) by an order of magnitude comparable to slurry incorporation. The NIs investigated tended to be categorized in inhibitors with prior and delayed inhibitory maximum. Whether low persistence, or poor biological degradability was an advantage, depended on environmental conditions. A combination of two NIs, one with putative prior and one with delayed release behavior reached the highest N2O reduction. In the additional INC treatment, this NI combination tended to reduce annual N2O release by 20 % in comparison to incorporation without inhibitor. Beside the potential of reducing fertilization-induced N2O emissions, NIs might also help to improve CH4 budgets in silage maize production. In general, CON, MIN and INC were net CH4 sinks in both years with mean uptakes of 460, 127, and 793 g CH4-C ha-1 yr-1, respectively. Conversely, slurry injection resulted in net CH4 emissions of 3144 g CH4-C ha-1 yr-1 (mean over both years). However, NIs tended to reduce CH4 emissions from injection by around 48 % and increased CH4 consumption from slurry incorporation by 20 %. Across all treatments and years, direct N2O emissions were the major contributor to total GHG balance. Yield-related GHG budgets from both years were lowest for CON, followed by INC or MIN treatment and significantly highest for sole slurry injection. NIs decreased fertilization-induced GHG release from injection in mean over both years by order of magnitude comparable with slurry incorporation. Consequently, alongside slurry incorporation and broadcast mineral fertilization, slurry injection combined with recommended NIs was evaluated as an equally appropriate fertilization strategy in terms of the atmospheric burden for livestock farmers.

In Zeiten des Klimawandels und vor dem Hintergrund intensiver Tierhaltung und Biogasproduktion in Deutschland gewinnen Treibhausgas (THG)-Emissionen und Stickstoff (N)-Verluste in der Silomaisproduktion, insbesondere beim Einsatz organischer Düngemittel zunehmend an Bedeutung. Ziel dieser Studie war es daher, den THG-Ausstoß für die Silomaisproduktion in einer Region Südwestdeutschlands auf einem für diese Region typischen mittelschweren Boden zu quantifizieren und anhand unterschiedlicher Düngungsstrategien klimafreundliche Methoden mit möglichst geringem CO2-Fußabdruck herauszustellen. Zur Quantifizierung der THG-Bilanzen von Silomais mit unterschiedlichen Reduktionsansätzen, wurden durchgehend über zwei Jahre hinweg mindestens einmal wöchentlich Lachgas (N2O)- und Methan (CH4)-Flüsse gemessen. Zudem wurden indirekte N2O Emissionen (Ammoniak (NH3), Nitrat (NO3-)) erfasst oder geschätzt sowie Silomaiserträge und N-Abfuhren ermittelt. Jedes der beiden Versuchsjahre beinhaltete folgende Basis-Behandlungen: ungedüngte Kontrolle (CON), mineralische Düngung (MIN), Rindergülleapplikation mittels Schleppschlauch und anschließender Einarbeitung (INC) und Rindergülleinjektion (INJ). Im Gegensatz zur oberflächigen Gülleapplikation mit breitflächiger Einarbeitung ist die Gülleinjektion dafür bekannt, NH3-Verluste durch die direkte Platzierung in den Boden effektiver zu mindern, im Gegenzug allerdings die N2O-Bildung zu erhöhen. Um die vermehrte N2O-Produktion dieser Applikationstechnik zu vermindern, wurde der Einsatz sechs verschiedener Nitrifikationsinhibitoren (NIs) zur strategischen THG-Minderung zusätzlich untersucht. Abgesehen von einer INJ-Variante mit NI, die im zweiten Jahr durch eine zusätzliche INC-Variante mit NI ersetzt wurde, wurden alle übrigen Behandlungen in beiden Jahren untersucht. Für die abschließende Bewertung der getesteten Düngungsstrategien wurden die zur THG-Bilanz beitragenden Posten in CO2-Äquivalente umgewandelt und auf Flächen- oder Ertragseinheiten bezogen. Hierbei wurden direkte und indirekte N2O-Emissionen (NH3, NO3-), CH4-Budget, Vorketten-Emissionen für die Mineraldüngerbereitstellung und der Dieselverbrauch für Feldmaßnahmen berücksichtigt. Die Höhe der NH3-Emissionen der INC-Behandlung (12-23 % des gedüngten NH4+-N) war stärker von den Witterungsverhältnissen abhängig als die der INJ-Behandlung (12-15 % des gedüngten NH4+-N). Kumulative N2O-Emissionen der Gülleinjektion betrugen im Mittel über beide Jahre 13.8 kg N2O-N ha-1 Jahr-1 und lagen damit signifikant über dem Mittel der CON-, MIN-, oder INC-Behandlung, die Emissionen in Höhe von 2.8, 4.7 und 4.4 kg N2O-N ha-1 Jahr-1 verzeichneten. Der Einsatz von NIs reduzierte die jährlichen N2O-Emissionen der Gülleinjektion im Durchschnitt über alle NIs und Jahre um 36 % und machte die Gülleinjektion mit der INC-Behandlung somit vergleichbar. Innerhalb dieser Studie konnten die verwendeten NIs tendenziell in zwei Gruppen eingeteilt werden. Eine Gruppe mit vermeintlich geringerer Persistenz und früherem Inhibierungsmaximum im Boden und eine Gruppe, deren Substanzen ihre volle Wirkung erst zu einem späteren Zeitpunkt entfalteten. Welche Gruppe eine vermeintlich höhere Inhibierungswirkung aufwies, hing stark von den Umweltbedingungen des jeweiligen Versuchsjahres ab. Die INJ-Variante, die sowohl ein NI mit früherem und späterem Inhibierungsmaximum enthielt, verzeichnete tendenziell das höchste N2O-Reduktionspotential. Für die zusätzliche INC-Behandlung mit NI, wurde ebenfalls diese Wirkstoffkombination angewendet, sie erzielte eine N2O-Reduktion von 20 % im Vergleich zur Gülleeinarbeitung ohne Hemmstoff. Der Einsatz von NIs stellte sich auch für das CH4-Budget als vorteilhaft heraus. Die Behandlungen CON, MIN und INC zeigten in beiden Jahren eine Netto-CH4-Aufnahme mit durchschnittlich 460, 127 und 793 g CH4-C ha-1 Jahr-1. Im Gegensatz dazu führte eine Gülleinjektion in beiden Jahren zu Netto-CH4-Emissionen mit durchschnittlich 3144 g CH4-C ha-1 Jahr-1. Der Einsatz von NIs reduzierte die Höhe dieser CH4-Emissionen allerdings um rund die Hälfte. Außerdem führte eine inhibierte Nitrifikation bei breitflächiger Gülleeinarbeitung tendenziell zur Erhöhung der CH4-Aufnahme um 20 %. Die direkten N2O-Emissionen hatten, unabhängig von Behandlung oder Jahr, den größten Anteil an der THG-Bilanz. Die geringste ertragsbezogene THG-Bilanz ergab sich für die Variante CON, gefolgt von INC oder MIN, die höchste ergab sich für die INJ-Variante. Allerdings konnten die rein auf die Düngungsmaßnahme bezogenen THG-Emissionen der Gülleinjektion durch den Einsatz von NIs im Mittel über beide Jahre auf ein THG-Niveau abgesenkt werden, das mit der breitflächigen Gülleeinarbeitung vergleichbar war. Somit stellte sich neben einer mineralischen oder oberflächigen Gülleapplikation mit möglichst zeitnaher Einarbeitung, auch die Gülleinjektion als vergleichsweise THG-freundliche Applikationstechnik heraus, vorausgesetzt einer der empfohlenen NIs wurde vorab zugegeben.