Improving nitrogen retention in soils treated with Pig and cattle slurry through the use of organic soil amendments

Abstract

Animal slurry has recently experienced a renaissance as organic nitrogen (N) fertilizer because, on the one hand, sustainable organic farming is receiving growing attention in order to protect the environment and, on the other hand, increasing livestock farming produces large amounts of animal manure that should be properly disposed of to avoid further environmental pollution. However, it should not be neglected that the application of animal slurries may also have negative effects, such as N losses and N contamination, especially in areas with intensive livestock production. Although there are strategies available to reduce N losses from single pathways, such as ammonia (NH₃) loss or nitrate (NO₃^-) leaching, these strategies are not widely used by farmers due to increased costs or the potential for increased N losses from other pathways. High-carbon organic soil amendments (HCAs) with large C:N ratio have shown great potential in reducing N losses and increasing the N retention capacity of the soil. The aim of this thesis was to analyze the combined effects of treating slurries with various HCAs under different conditions after application to soil. <br /> In a laboratory experiment, the potential of three common HCAs—wheat straw, sawdust, and leonardite— to mitigate N loss was evaluated when applied to soil along with pig and cattle slurry. By analyzing N emission, we found that leonardite was most effective in reducing NH₃ and nitrous oxide (N₂O) loss. ¹⁵N labeling showed that the application of leonardite was associated with the highest N retention in soil (24% average slurry N recovery), followed by wheat straw (20% average slurry N recovery). Furthermore, to investigate the effect of wheat straw or leonardite in combination with cattle slurry fertilization under field conditions, a two-year lysimeter experiment was conducted with winter wheat in the first year and winter barley in the second year using ¹⁵N-labeled cattle slurry. The results showed that leonardite improved the retention of slurry N in soil, but did not reduce grain N content compared to the straw treatment, making leonardite a suitable HCA to improve N fertilizer efficiency and soil N retention after slurry application.<br /> However, since leonardite is not a renewable resource, biochar was produced from spruce sawdust and oxidized using the Fenton reaction to introduce oxygen-rich functional groups to the biochar surface in order to find a sustainable alternative to leonardite. The results showed that oxidized biochar greatly decreased NH₃ emission from cattle slurry by increased adsorption of ammonium (NH₄⁺) in cattle slurry compared to non-oxidized biochar, indicating the great potential of oxidized biochar for reducing N losses during slurry application. To test this potential, non-oxidized and oxidized biochar was investigated with three different soils amended with cattle slurry. The results showed that oxidized biochar reduced NH₃ emissions by 64-75% in all soils, while untreated biochar reduced NH₃ emissions by 61% only in sandy soil. In loamy sand, oxidized biochar increased the dissolved organic carbon (DOC) content in topsoil, which stimulated immobilization of slurry N in microbial biomass, thus improving the quality of this marginal acidic soil.<br /> This thesis concludes that among the HCAs tested in this work, leonardite is the most suitable, when applied with animal slurries (pig and cattle slurries), to effectively bind N, mitigate N losses and improve N retention in the soil, while leonardite did not reduce N nutrition in crops under field conditions. In addition, Fenton oxidation can introduce oxygen-rich functional groups in biochar and improve its ability to adsorb NH₄⁺, thus reducing NH₃ emissions from cattle slurry. And when oxidized biochar was applied with cattle slurry to three different soils, it could reduce gaseous N losses and potentially improve microbial N immobilization capacity, especially in sandy soil. In the future, research should focus on further improving the adsorption capacity of biochar to the full level of leonardite, and conducting long-term field experiments before large-scale applications, to better understand the longer-term effects of HCAs in soils.

Tierische Gülle hat in letzter Zeit eine Renaissance als organischer Stickstoffdünger (N) erlebt. Das liegt zum einen daran, dass die nachhaltige ökologische Landwirtschaft immer mehr an Bedeutung gewinnt, um die Umwelt zu schützen, und zum anderen daran, dass in der Tierhaltung immer größere Mengen tierischer Gülle anfallen, die ordnungsgemäß entsorgt werden sollten, um weitere Umweltbelastungen zu vermeiden. Es sollte jedoch nicht vernachlässigt werden, dass die Ausbringung von Tierdung auch negative Auswirkungen haben kann, wie z. B. N-Verluste und N-Kontaminationen, insbesondere in Gebieten mit intensiver Viehhaltung. Es gibt zwar Strategien zur Verringerung (z. B. Ammoniak (NH₃)-Verluste oder Nitrat (NO₃^-)-Auswaschung), doch werden diese Strategien in der Regel von den Landwirten aufgrund der höheren Kosten oder des Potenzials für erhöhte N-Verluste auf anderen Wegen nicht angenommen. Organische Bodenhilfsstoffe mit einem hohen Kohlenstoffgehalt (HCA) und C:N-Verhältnis haben großes Potenzial zur Verringerung von N-Verlusten und zur Erhöhung des N-Rückhaltevermögens des Bodens gezeigt. Ziel dieser Arbeit war es, die kombinierten Auswirkungen der Behandlung von Gülle mit verschiedenen HCAs unter verschiedenen Bedingungen nach der Ausbringung auf den Boden zu analysieren.<br /> In einem Laborexperiment wurde das Potenzial dreier gängiger HCAs – Weizenstroh, Sägemehl und Leonardit – zur Verringerung der Stickstoffverluste untersucht, wenn sie zusammen mit Schweine- und Rindergülle auf den Boden ausgebracht werden. Die Analyse der N-Emissionen zeigte, dass Leonardit den Verlust von NH₃ und Lachgas (N₂O) am wirksamsten reduzierte. Die ¹⁵N-Markierung zeigte, dass die Ausbringung von Leonardit mit der höchsten N-Retention im Boden verbunden war (24 % durchschnittliche N-Wiederfindung aus Gülle), gefolgt von Weizenstroh (20 % durchschnittliche N-Wiederfindung aus Gülle). Um die Wirkung von Weizenstroh oder Leonardit in Kombination mit Rindergülledüngung unter Feldbedingungen zu untersuchen, wurde ein zweijähriger Lysimeterversuch mit Winterweizen im ersten Jahr und Wintergerste im zweiten Jahr mit ¹⁵N-markierter Rindergülle durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass Leonardit die N-Retention der Gülle im Boden verbesserte, aber den N-Gehalt der Körner im Vergleich zur Behandlung mit Stroh nicht verringerte, was Leonardit zu einem geeigneten HCA zur Verbesserung der N-Düngeeffizienz und der N-Retention im Boden nach der Gülleausbringung macht.<br /> Da Leonardit jedoch keine erneuerbare Ressource ist, wurde Biokohle aus Fichtensägemehl hergestellt und mit der Fenton-Reaktion oxidiert, um sauerstoffreiche funktionelle Gruppen in die Oberfläche der Biokohle einzubringen und so eine nachhaltige Alternative zu Leonardit zu schaffen. Die Ergebnisse zeigten, dass oxidierte Biokohle die NH₃-Emissionen aus Rindergülle durch erhöhte Adsorption von Ammonium (NH₄⁺) in der Rindergülle im Vergleich zu nicht oxidierter Biokohle stark reduzierte, was auf das große Potenzial von oxidierter Biokohle zur Verringerung von N-Verlusten bei der Gülleausbringung hinweist. Um dieses Potenzial zu testen, wurden nicht oxidierte und oxidierte Biokohle mit drei verschiedenen mit Rindergülle angereicherten Böden untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass oxidierte Biokohle die NH₃-Emissionen in allen Böden um 64-75% reduzierte, während unbehandelte Biokohle die NH₃-Emissionen nur im sandigen Boden um 61% reduzierte. In lehmigem Sand erhöhte die oxidierte Biokohle den Gehalt an gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) im Oberboden, was die Immobilisierung von Gülle-N in der mikrobiellen Biomasse förderte und die Qualität dieses leicht sauren Bodens verbesserte.<br /> Diese Arbeit kommt zu dem Schluss, dass von den in dieser Arbeit getesteten HCAs Leonardit am besten geeignet ist, wenn es zusammen mit Tierdung (Schweine- und Rindergülle) ausgebracht wird, um N wirksam zu binden, N-Verluste zu verringern und die N-Retention im Boden zu verbessern, während Leonardit die N-Nahrung in Nutzpflanzen unter Feldbedingungen nicht verringert. Darüber hinaus können durch die Fenton-Oxidation sauerstoffreiche funktionelle Gruppen in die Biokohle eingebracht und ihre Fähigkeit zur Adsorption von NH₄⁺ verbessert werden, wodurch die NH₃-Emissionen aus Viehdung verringert werden. Und wenn oxidierte Biokohle zusammen mit Rinderdung auf drei verschiedene Böden ausgebracht wurde, konnte sie die gasförmigen N-Verluste verringern und möglicherweise die mikrobielle N-Immobilisierungskapazität verbessern, insbesondere in sandigem Boden. Künftige Forschungsarbeiten sollten sich darauf konzentrieren, wie die Adsorptionskapazität von Biokohle weiter verbessert werden könnte, um das volle Niveau von Leonardit zu erreichen. Darüber hinaus sollten Feldversuche durchgeführt werden, um die längerfristigen Auswirkungen von HCAs in Böden bei einer großflächigen Anwendung besser verstehen zu können.