The fate of inorganic nitrogen fertilizers in agricultural soils : Dissertation, Universität Wien

Wien

Universität Wien

2009

1973 S.

25 Abb., 20 Tab., zahlr. Lit. Ang.

Monographie

162179

Der Einsatz von Stickstoffdüngern in der Landwirtschaft Europas ist nicht mehr wegzudenken. Allerdings werden von den aufgetragenen Düngern, hauptsächlich in der Form von Ammonium, Nitrat oder Ammoniumnitrat, nur 50% von den Nutzpflanzen genutzt, während 2-5% im Boden gespeichert, ~25% als Stickstoffgase emittiert, und ~20% ausgewaschen werden. In den letzten Jahren wurde in verschiedensten Studien nach Wegen gesucht, die Stickstoffnutzungseffizient durch die Nutzpflanzen zu steigern und die Stickstoffverluste zu minimieren. Der erste Teil dieser Arbeit zeigt die Zuverlässigkeit eines neuen Mikrokosmos Systems, im Bezug auf Untersuchungen von Stickstoffdynamiken zwischen Boden, Pflanze und Mikroorganismen. Fünf Ackerböden aus der Umgebung Wiens wurden homogenisiert und in die Mikrokosmen gepackt, und anschließend vier Wochen lang unter kontrollierten Bedingungen in einer Klimakammer gehalten. Die fünf Böden zeigten klare Unterschiede in den Stickstoffpools und in ihrer mikrobiellen Zusammensetzung, aber wenig Unterschied in ihren Aktivitäten. Bakterielle und pilzliche Gemeinschaftsstrukturen, sowie Bodeneigenschaften (mit Ausnahme von Brutto-Stickstofftransformationsraten) blieben während der Testperiode unverändert und reproduzierbar. Diese Ergebnisse zeigten, dass das neu entwickelte Mikrokosmossystem für Untersuchungen des Boden-Stickstoffkreislaufes sowie microbieller Strukturen und Aktivitäten genutzt werden kann. Der zweite Teil dieser Arbeit untersucht mit Hilfe von 15N Tracern Unterschiede zwischen Nutzpflanzen und Mikroorganismen im Bezug auf Stickstoffaufnahmeraten sowie Konkurrenzeffekte über eine kurze Zeitspanne. Jeweils ein Gerstenkeimling (Hordeum vulgare L. cv. Morex) wurde in je einem Mikrokosmos angebaut. Verwendet wurden zwei Böden, die mit unterschiedlichen Stickstoffformen gedüngt wurden (Ammoniun, Nitrat oder Ammuniumnitrat). Zu jedem Düngeansatz wurden zusätzlich Spuren von 15N-Ammonium oder 15N-Nitrat zugesetzt. Anschließend wurde dieser 15N Tracer acht Tage lang in Pflanzen, Stickstoffpools im Boden und in der mikrobiellen Biomasse gemessen und Änderungen in Brutto-Stickstoffmineralisierung und Brutto-Nitrifizierungsraten untersucht. Eine Woche nach der Düngung konnten 60-80% des Düngers in den Pflanzen wieder gefunden werden, während nur 1-10% in der mikrobiellen Biomasse gebunden war. Das zeigt, dass die Pflanzen in diesem System die stärksten Konkurrenten für Stickstoffdünger waren.Außerdem waren Bodenmikroorganismen den Pflanzen im Bezug auf Stickstoff Aufnahmeraten ebenfalls unterlegen, mit der Ausnahme der ersten vier Stunden nach der Düngung. In diesem Fall nahmen die Mikroorganismen mehr Stickstoff auf als die Pflanzen, unabhängig von Bodentyp oder Düngerform. Anschließend nahmen die Stickstoff Aufnahmeraten gravierend ab, höchstwahrscheinlich aufgrund von Kohlenstofflimitierung. In beiden Böden wurde ebenfalls unabhängig von der Düngerform mehr Nitrat als Ammonium von den Pflanzen und von Mikroorganismen aufgenommen. Überraschenderweise kam es zu keiner Inhibierung der Ammonium Aufnahme durch Nitratzugabe, und umgekehrt. Im Vergleich zu mikrobieller Ammonium Immobilisierung waren die Brutto-Nitrifizierungsraten 3-75 mal höher, was ein Zeichen dafür ist, dass die Nitrifizierer in beiden Böden das zugegebene Ammonium am besten nutzen konnten. Diese Ergebnisse zeigen, dass sich die Mikroorganismen in gedüngten Ackerböden an hohe Nitratkonzentrationen anpassen, und Nitrat immer mehr als Stickstoffquelle nutzen. Im dritten Teil dieser Arbeit wurden die Auswirkungen von verschiedenen anorganischen Stickstoffdüngern auf die Ausgasung von den potentiellen Treibhausgasen Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Lachgas (N2O) untersucht. In beiden Böden führte die Düngung zu gesteigerten Ausgasungen von CO2, CH4 und N2O, und folglich auch zu einer Erhöhung des Potentials der globalen Erwärmung (global warming potential, GWP). Die Emissionen von N2O stiegen am stärksten nach der Düngung mit Ammoniumnitrat an, ein Zeichen dafür, dass sowohl Nitrifikation und Denitrifikation gleichzeitig zu den N2O Emissionen beigetragen haben. Die beiden Böden reagierten unterschiedlich auf die verschiedenen Düngevarianten, sehr wahrscheinlich da sich die beiden Böden stark in ihrer mikrobiellen Gemeinschaft unterschieden. Das weist weiters darauf hin, dass Archaeen potentiell zu N2O Emissionen beitragen könnten. Erhöhte CO2 Emissionen konnten hauptsächlich auf eine erhöhte Wurzelatmung durch die Düngung zurückgeführt werden. Trotzdem war eine Unterscheidung zwischen Wurzelatmung und mikrobieller Atmung in der Rhizosphäre nicht möglich und bedarf noch zusätzlicher Studien. Die Oxidation von CH4 verringerte das GWP nur zu einem sehr geringen Maß und wurde nicht von der Form des zugegebenen Düngers beeinflusst, sondern hauptsächlich vom Bodenwassergehalt. Eine Erhöhung dessen um 2 bis 5% führte dennoch zu einem starken, wenn auch kurzlebigen, Anstieg der CH4 Aufnahme beider Böden. Um ein detailliertes Verständnis der für die Treibhausgasemissionen verantwortlichen Mechanismen zu bekommen, wird empfohlen integrative Studien durchzuführen, die sowohl biochemische und molekulare Methoden beinhalten, und zusätzlich mit dem Einsatz von stabilen Isotopen (15N und 18O) unterstützt werden