Vergleich der Freisetzung von Stickstoff- Gasen (NH₃, N₂O, N₂) nach Gärrestapplikation

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

In den Versuchen mit der Kennung „L“ wurde während des gesamten Versuches ein Luftstrom (Außenluft) mittels Schlauchpumpe durch die Reaktionsgefäße mit einer Fließrate von 3,8 ml pro Minute geleitet. Die aus den Gefäßen abströmende Luft wurde über jeweils ein 20 ml Septum-Vial sowie nachfolgend eine 50 ml DURAN-Flasche (mit 2%iger Borsäure gefüllt) geleitet. In den Vials wurde die N₂O-Konzentration gaschromatographisch (GC-14B, Shimadzu) und in den Waschflaschen die adsorbierte NH₃-Menge potentiometrisch bestimmt. Parallel dazu erfolgten in dreifacher Wiederholung die gleichen Bestimmungen in der in die Gefäße einströmenden Außenluft. Die Flussraten der untersuchten Gase ergaben sich aus der Differenz der Konzentrationen zwischen einströmender und abströmender Luft, bezogen auf Gefäß, Volumenstrom und Zeit.

Im Versuch „N4“ wurde zur simultanen Ermittlung von aktuellen N₂- und N₂O-Flussraten eine Modifikation der sogenannten Heliuminkubationsmethode vorgenommen (Butterbach-Bahl et al., 2002). Dazu wurden von den gedüngten Varianten Substratmischungen hergestellt und mit definierter Lagerungsdichte in Stechzylindern (250 cm³) eingefüllt. Diese wurden in gasdichte Inkubationsgefäße überführt. Danach musste in den Inkubationsgefäßen die normale Luft im Zuge mehrerer Evakuierungs- und Spülzyklen durch ein künstliches, N₂-freies Helium-Sauerstoff-Spurengasgemisch (21,3% O₂, 78,6% He, 337 ppm CO₂, 374 ppb N₂O, 1882 ppb CH₄ und ca. 5 ppm N₂) ersetzt werden. Diese Gasmischung durchströmte dann fortlaufend bei einer Temperatur von 20°C den Head­space der Inkubationsgefäße. Die Bestimmung der N₂-Konzentration erfolgte gaschromatogaphisch mithilfe eines Micro-GC (Agilent Technologies, 3000 Micro GC, Detektor: TCD) und die Bestimmung der N₂O-Konzentra­tion wie oben beschrieben. Die Berechnung der Flussraten fußte ebenfalls auf dem oben beschriebenen Ansatz.

In den Versuchen wurden verschiedene Böden aus der Ackerkrume sowie unterschiedliche Gärreste verwendet (Tab. 1). Der Bodenfeuchtegehalt war gemäß dem Zustand bei der Probenahme unterschiedlich und wurde nicht auf ein einheitliches Ausgangsniveau eingestellt. Durch den Gärrestzusatz wurde der Boden in jedem Fall angefeuchtet. Im Versuchsverlauf nahm der Wassergehalt des Bodens in der Regel nur geringfügig ab. Die Einsatzmenge an Boden lag zwischen 55 und 500 g pro Gefäß. Die Einsatzmenge an Gärrest wurde auf der Grundlage des NH₄-Gehaltes festgelegt und lag in allen Versuchen – außer bei Versuchen mit variabler Aufwandmenge – bei äquivalent 100 kg NH₄-N/ha bezogen auf die Bodenoberfläche der Reaktionsgefäße. Die Versuchsdauer schwankte für die Versuche mit der Kennung „L“ zwischen 17 und 38 Tagen. Dabei wurden die N₂O-Messungen in der Regel einige Stunden nach der Applikation, danach in den ersten Tagen täglich (Spüldauer der Vials 24 h) und nachfolgend im Abstand von 2 bis 3 Tagen vorgenommen. Die Messung der NH₃-Freisetzung erfolgte täglich und so lange wie NH₃ auftrat. Im Versuch „N4“ wurden täglich bis 10 Tage nach Versuchsansatz N₂O und N₂ analysiert.

Das in den Versuchen eingesetzte Weizenstroh war auf ca. 1 cm Länge zerkleinert und wurde dem Boden zusammen mit dem Gärrest in einer Aufwandmenge von äquivalent 50 dt/ha untergemischt. Der Nitrifikations­inhibitor PIADIN wurde der Gärrestmenge zugesetzt und mit dieser vermischt.

Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt für die Versuche mit der Kennung „L“ in freigesetzte N-Menge pro Gefäß und Tag und für den Versuch „N4“ in freigesetzte N-Menge pro Quadratmeter und Stunde. In den Abbildungen werden nicht die Unterschiede zwischen den Prüfvarianten betrachtet, sondern wird nur ein Vergleich der Verläufe der Freisetzung der Gase vorgenommen. Es wird deshalb auf die Angabe der Standardabweichungen verzichtet, da dadurch die Übersichtlichkeit stark eingeschränkt werden würde. Außerdem wäre ein Vergleich der Standardab­weichung zwischen den Abbildungen nicht möglich, da – wiederum zur besseren Übersichtlichkeit – unterschied­liche Maßeinteilungen der Gasfreisetzung verwendet werden. Die Angabe der Standardabweichung in den Abbildungen könnte daher beim Vergleich der Gase gegebenenfalls zu Fehlinterpretationen führen.

Abb. 1. Einfluss der Applikationsart auf die Freisetzung von Ammoniak (links) und Lachgas (rechts).

Effect of the type of application on the release of ammonia (left) and nitrous oxide (right).

Im Versuch „L4“ wurde der Zusatz des Nitrifikationsinhibitors PIADIN zur Gärrestapplikation geprüft (Abb. 2). Für die NH₃-Freisetzung konnte kein Effekt des eingesetzten Inhibitors festgestellt werden, während die N₂O-Freisetzung deutlich vermindert wurde.

Abb. 2. Einfluss des Zusatzes des Nitrifikationsinhibitors PIADIN auf die Freisetzung von Ammoniak (links) und Lachgas (rechts).

Effect of the addition of the nitrification inhibitor PIADIN on the release of ammonia (left) and nitrous oxide (right).

Im Versuch „L9“ wurde der Zusatz von Gärrest mit dem Zusatz einer Ammoniumsulfat-Lösung, jeweils mit und ohne Strohzugabe, verglichen (Abb. 3). Bei der Gärrestdüngung kam es sowohl zu einer NH₃- als auch N₂O-Freisetzung, welche bei der Ammoniumsulfatdüngung nicht auftraten. Der Strohzusatz zum Gärrest reduzierte die Freisetzung von Ammoniak und verhinderte die Freisetzung von Lachgas fast vollständig.

Abb. 3. Einfluss der Düngerart und des Zusatzes von Stroh auf die Freisetzung von Ammoniak (links) und Lach­gas (rechts).

Effect of the addition of fertilizer and straw on the release of ammonia (left) and nitrous oxide (right).

Im Versuch „L12“ wurde die Wirkung unterschied­licher Bodenfeuchten geprüft. Die in der Abb. 4 auf­geführten Feuchtegehalte stellen die bei verschiedenen Ausgangsgehalten, die durch Wasserzugabe bzw. Bodentrocknung geschaffen wurden, nach der Gärrestzugabe im Boden vorliegenden Wassergehalte dar. Steigende Feuchtegehalte führten zur Abnahme der NH₃-Verflüchtigung. Die N₂O-Freisetzung verhielt sich gegensätzlich zur NH₃-Verflüchtigung. Sie stieg mit zunehmender Bodenfeuchte an und erreichte beim höchsten Feuchtegehalt ein deutliches Maximum.

Abb. 4. Einfluss der Bodenfeuchte auf die Freisetzung von Ammoniak (links) und Lachgas (rechts).

Effect of soil moisture on the release of ammonia (left) and nitrous oxide (right).

Im Versuch „L19“ erfolgte eine Prüfung von verschiedenen Düngungsvarianten bei drei Temperaturstufen. Dazu wurden die Reaktionsgefäße im Kühlschrank (2°C), im Klimaschrank (12°C) und im Labor (22°C) aufgestellt. Für die Darstellung der Ergebnisse wurde die Düngungsvariante „Gärrest oberflächig appliziert ohne Einarbeitung“ ausgewählt (Abb. 5). Die NH₃-Freisetzung war nach Versuchsansatz bei 22°C am höchsten und bei 2°C am niedrigsten. Bei diesen beiden Temperaturstufen war die Freisetzung bereits nach 10 Tagen beendet, wohingegen sie bei 12°C bis 17 Tage nach der Applikation anhielt. Beim Lachgas begann die Freisetzung zuerst bei der höchsten Temperaturstufe. Bei 2°C wurde im Untersuchungszeitraum von 38 Tagen keine N₂O-Freisetzung festgestellt.

Abb. 5. Einfluss der Temperatur auf die Freisetzung von Ammoniak (links) und Lachgas (rechts).

Effect of temperature on the release of ammonia (left) and nitrous oxide (right).

In den Versuchen „L25“ mit lehmigem Sandboden und „L26“ mit Lehmboden wurde der Einfluss steigender Gärrest-N-Mengen geprüft. Um Änderungen der Bodenfeuchte bei steigender Gärrest-Applikationsmenge zu vermeiden, wurde die Zunahme der Gärrest-N-Menge durch die Zugabe von Ammoniumsulfat zum Gärrest simuliert. Die in den Abbildungen aufgeführten N-Stufen stellen die nach der Düngung im Boden vorliegende Menge an mineralischem Stickstoff dar. In beiden Versuchen er­folgte im Versuchsverlauf eine nochmalige Befeuchtung des Bodens, um diesen Effekt zu prüfen. Steigende Gärrest-N-Mengen führten in beiden Versuchen zu einer zunehmenden NH₃-Freisetzung (Abb. 6 und 7). Die zwischenzeitliche Bodenbefeuchtung senkte diese Freisetzung. Im lehmigen Sandboden war die Freisetzung höher als im Lehmboden und hielt über einen längeren Zeitraum an. Jedoch war auch im Lehmboden die anhaltend hohe Freisetzung bei der höchsten N-Stufe beachtlich.

Abb. 6. Einfluss der mineralischen Gärrest-N-Menge auf die Freisetzung von Ammoniak (links) und Lachgas (rechts) in einem lehmigen Sandboden (L25).

Effect of fermentation residuemineral N rate on the release of ammonia (left) and nitrous oxide (right) in a loamy sand soil (L25).

Abb. 7. Einfluss der mineralischen Gärrest-N-Menge auf die Freisetzung von Ammoniak (links) und Lachgas (rechts) in einem Lehmboden (L26).

Effect of fermenation residuemineral N rate on the release of ammonia (left) and nitrous oxide (right) in a loamy soil (L26).

Die N₂O-Freisetzung zeigte ein gegensätzliches Bild. Mit steigender Gärrest-N-Menge nahm die N₂O-Frei­setzung im Untersuchungszeitraum prinzipiell ab. Im lehmigen Sandboden setzte diese erst nach der Bodenbefeuchtung bei der niedrigsten N-Stufe ein. Die Bodenbefeuchtung erhöhte im Gegensatz zur NH₃-Freisetzung die N₂O-Freisetzung.

Im Versuch „N4“ wurde die N₂O- und N₂-Freisetzung eines Lehmbodens bei zwei Feuchtestufen nach Zugabe von Gärrest, mit und ohne Zusatz von Stroh, untersucht (Abb. 8 und 9). Nach der Zugabe des Gärrestes betrug der Wassergehalt eines anfangs lufttrockenen Bodens 5,4 Gew.-% und eines anfangs feuchten Bodens 15,8 Gew.-%. Die Erhöhung der Bodenfeuchte ging zwangsläufig mit der Verringerung des Anteils luftgefüllter Poren am gesamten Porenvolumen des Bodens einher (nicht dargestellt). Zu einer erhöhten N₂O-Freisetzung kam es nur bei feuchtem Boden und bei einem gemein­samen Einsatz von Gärrest und Stroh. Das Stroh hatte somit eine stimulierende Wirkung auf die N₂O-Freisetzung. Dagegen wurde mit Stroh weniger N₂ freigesetzt. Hierbei lag nur bei feuchtem Boden mit alleinigem Zusatz von Gärrest eine erhöhte N₂-Freisetzung vor. In ausgangs trockenem Boden hatte der Gärresteinsatz mit und ohne Strohzusatz keine Erhöhung sowohl der N₂O- als auch der N₂-Freisetzung zur Folge. Bei den feuchten Boden­varianten verschob sich das N₂:N₂O-Verhältnis in Richtung N₂O-Freisetzung und lag die N₂O-Freisetzung fast doppelt so hoch wie die N₂-Freisetzung (Abb. 9).

Abb. 8. Einfluss der Bodenfeuchte und des Zusatzes von Gärrest und Stroh auf die Freisetzung von Lachgas (links) und elementarem Stickstoff (rechts).

Effect of soil moisture and the addition of fermentation residue and straw on the release of nitrous oxide (left) and elemental nitrogen (right).

Abb. 9. Vergleich der N₂O-N- und N₂-N-Freisetzungen (links) und des N₂-N:N₂O-N-Verhältnisses (rechts) in Abhängigkeit von Bodenfeuchte sowie Zusatz von Gärrest und Stroh.

Comparison of N₂O-N and N₂-N-releases (left) and the N₂-N:N₂O-N ratio (right) as affected by soil moisture and the addition of fermentation residue and straw.

Aufgrund der genannten Reaktionen haben sich in den durchgeführten Untersuchungen grundsätzliche Unterschiede im Verlauf des Auftretens der drei genannten Gase ergeben. Die NH₃-Freisetzung wies nach einer Gärrestapplikation in fast allen Versuchen unmittelbar nach der Applikation die höchste Emissionsrate auf. Sie fiel danach relativ kontinuierlich ab und erreichte nach mehreren Tagen oder Wochen ihr Ende. Dieser Verlauf steht in Übereinstimmung mit den Untersuchungen von Vandre et al. (1997) sowie Döhler und Horlacher (2010). Der Verlauf und das Ausmaß hingen von mehreren aufgezeigten Faktoren sowie weiteren Einflussgrößen ab. Dazu zählt u.a. die Konsumption des zugeführten Ammoniums durch die Nitrifikation, was in zusätzlichen, hier nicht dargestellten Versuchen festgestellt wurde. Wesentlich für die NH₃-Freisetzung ist darüber hinaus, dass ein vollständiges Einbringen des Gärrestes in den Boden dessen Freisetzung ganz verhindern kann, was beim Lachgas nicht möglich erscheint.

Die N₂O-Freisetzung zeigte ein grundsätzlich anderes Bild als die NH₃-Freisetzung. In der Regel setzte in den Laboruntersuchungen bei Raumtemperatur die N₂O-Freisetzung erst einige Tage nach der Applikation ein, erreichte nach mehreren Tagen ein Maximum und fiel dann wieder bis auf nahe Null ab. Ähnlich war der Verlauf, aber etwas verzögert, in eigenen Feldmessungen (Herbst et al., 2010; Eissner et al., 2013) sowie in den Unter­suchungen von Senbayram et al. (2009). Dieser Verlauf weist darauf hin, dass bereits bei der Nitrifikation des zugeführten Ammoniums N₂O freigesetzt wird. Die N₂-Freisetzung zeigte, ähnlich wie die N₂O-Freisetzung, einen verzögerten Emissionsbeginn von einigen Tagen, wobei die N₂-Freisetzung offensichtlich erst nach dem Einsetzen der N₂O-Freisetzung auftrat.

In der Tab. 2 sind die Wirkungen der untersuchten Einflussfaktoren auf die NH₃- und N₂O-Freisetzung zusammengefasst aufgeführt. Es zeigt sich, dass die Anzahl der Unterschiede in der Wirkung deutlich über der Anzahl der Übereinstimmungen liegt. Bei den Unterschieden wirkten einige Faktoren sogar gegensätzlich auf die Freisetzung der beiden Gase (N-Menge, Bodenfeuchte, Stroh). Dies hat zur Konsequenz, dass sich die Summe der N-Frei­setzung beider Gase nur schwer reduzieren lässt, wenn keine vollständige Einbringung des Gärrestes in den Boden erfolgt. Beim Einfluss der Temperatur geht die Wirkung bei beiden Gasen in die gleiche Richtung. Steigende Temperaturen erhöhten sowohl die NH₃- als auch die N₂O-Freisetzung und wahrscheinlich auch die N₂-Freisetzung. Bei einem Einsatz der Gärreste nahe dem Gefrierpunkt treten deshalb die geringsten gasförmigen N-Verluste auf, was von Dorland und Beauchamp (1991) auch experimentell nachgewiesen wurde. In Untersuchungen von Sänger (2012) stieg die N₂O-Emission bei einer Erhöhung der Temperatur von 13,5°C auf 23,5°C um den Faktor 3,7 an, die CO₂-Emission dagegen nur um den Faktor 1,7.

Von den im Projekt geprüften Zusatzstoffen hat sich nur ein Nitrifikationsinhibitor als ein geeignetes Mittel erwiesen, die N-Verluste in Form von N₂O wirksam zu senken. Dies wurde sowohl in mehreren Laborversuchen als auch in Felduntersuchungen (Kraft et al., 2011) nachgewiesen und ist ebenfalls von anderen Autoren (de Klein et al., 1996; Benckiser et al., 2013; Seiz et al., 2013) festgestellt worden. In unseren Laboruntersuchungen war jedoch bei Einsatz des Nitrifikationsinhibitors in hier nicht dargestellten Versuchen teilweise ein geringfügiger Anstieg der NH₃-Freisetzung aufgetreten, der sich aus der verzögerten Nitrifikation ergeben kann.

Die Ursache für die festgestellte hemmende Wirkung hoher N-Mengen auf die N₂O-Freisetzung liegt offensichtlich in einer Nitrifikationshemmung, was aus dem gleichzeitig untersuchten Verlauf der Nitrifikation im Boden entnommen werden kann (nicht dargestellt). Inwieweit es unter diesen Bedingungen zu einem späteren Zeitpunkt zu einer erhöhten N₂O-Freisetzung kommen kann, lässt sich aus den durchgeführten Versuchen nicht abschätzen. In den Untersuchungen von Senbayram et al. (2009) verzögerte eine erhöhte Gärrestmenge ebenfalls die Lachgasfreisetzung, führte aber bei einem längeren Untersuchungszeitraum letztlich zu einer insgesamt höheren Emission. Die Wirkung hoher Gärrestmengen auf die N₂O-Freisetzung ist beim Vergleich einer Injektion des Gärrestes in den Boden (hohe Konzentration) mit einer Einarbeitung in den Boden (geringere Konzentration) von Bedeutung.

Zum Vergleich der N₂O- und N₂-Freisetzung zeigten die Versuche, dass in dem feuchteren Boden die Gärrest­applikation bei beiden N-Formen zu einer höheren Freisetzung führte als in dem trockeneren Boden. Im feuchten Boden lag dabei die N₂O-Freisetzung höher als die N₂-Freisetzung und im trockenen Boden war es umgekehrt. Das N₂-N/N₂O-N-Verhältnis von ca. 5–20/1 bei einem trockeneren Boden fiel bei einem feuchteren Boden auf ca. 1/1 ab. Bei dem feuchteren Boden wurde damit nicht nur mehr Stickstoff freigesetzt, sondern darüber hinaus in der für die Umwelt ungünstigeren Form N₂O. Die gleiche Wirkung einer steigenden Bodenfeuchte auf die Lachgasfreisetzung stellten auch Ruser et al. (2006) und Senbayram et al. (2009) fest. Deren Untersuchungen ergaben ebenfalls, dass es im hohen Bodenfeuchtebereich besonders zu einem Anstieg der N₂O-Freisetzung kam und diese über der N₂-Freisetzung lag.

Alle durchgeführten Versuche und insbesondere der Versuch „L9“ weisen auf die besondere Bedeutung von verfügbarem Kohlenstoff für die N₂O-Freisetzung hin. Bereits Pfeiffer und Lemmermann (1900) hatten auf eine denitrifikationssteigernde Wirkung von leicht löslichen organischen Substanzen aufmerksam gemacht, was auch aus den Untersuchungen von Senbayram et al. (2009) hervorgeht. Die Erhöhung der N₂O-Freisetzung nach Zugabe von Stroh bei gleichzeitiger Senkung der N₂-Freisetzung im Versuch „N4“ könnte so gedeutet werden, dass durch die erhöhte N₂O-Freisetzung weniger Stickstoff für die weitere Reduktion zur Verfügung stand.

Die unterschiedliche Wirkung des Strohzusatzes auf die N₂O-Freisetzung, wie sie bereits in einer vorangegangenen Auswertung mit weiteren Versuchen aufgezeigt wurde (Herbst et al., 2012), könnte mit unterschiedlichen Bodenfeuchtegehalten erklärt werden. Im trockenen Boden des Versuches „L9“ trat durch den Strohzusatz eine verringerte N₂O-Freisetzung auf; gegebenenfalls aufgrund einer gehemmten Strohzersetzung und einer verbesserten Durchlüftung des Bodens. Im feuchten Boden des Versuches „N4“ nahm dagegen die N₂O-Freisetzung zu, was mit dem höheren Strohumsatz infolge des höheren Bodenfeuchtegehaltes im Zusammenhang stehen kann. Wie ein nicht dargestellter Versuch („L24“) zeigte, korrespondierte das Maximum der CO₂-Freisetzung mit dem Maximum der N₂O-Frei­setzung. Möglicherweise führte in jenem Versuch und auch im Versuch „N4“ der O₂-Verbrauch beim Stroh­umsatz zu anaeroben Bedingungen, in dessen Folge es zu einer Nitratreduktion und N₂O-Bildung gekommen war. In den Untersuchungen von Sänger (2012) hatte die mit steigender Temperatur verbundene erhöhte mikrobielle Aktivität einen abnehmenden O₂-Gehalt im Boden zur Folge, welcher die Denitrifikationsrate zusätzlich begünstigte.