Chopped <em>Miscanthus</em> biomass for soil organic matter build-up and evaluation of nitrogen and carbon dynamics in arable farming systems

Abstract

Arable farming practices affect soil C and N dynamics and thus have a crucial impact on global climate change and on aquatic and terrestrial ecosystems. Soil nutrient cycling is driven by soil microbial biomass, making knowledge of C and N pathways a key tool for the sustainable management of cropping systems. The cultivation of the perennial plant <em>Miscanthus x giganteus</em> (<em>Mis</em>) combines the benefits of ecosystem services for each cultivated area with the production of an additional carbon pool, that is used as a fertiliser for soil C sequestration, thus acting as a C sink. The hypothesis of this thesis is that the integration of C-rich <em>Mis</em> biomass into arable management strategies will stimulate soil microbial biomass (SMB) resulting in microbial N immobilisation and soil organic matter (SOM) build-up. Therefore, two different N-containing and C-rich agricultural fertilisers were produced from chopped <em>Mis</em> biomass. One was produced by mixing cattle slurry (CS) with <em>Mis</em> biomass (CS-<em>Mis</em>) and the other by using chopped <em>Mis</em> biomass as a bedding material for cattle for the production of cattle manure (CM-<em>Mis</em>). Both were then implemented in experiments conducted under greenhouse conditions by cultivation of perennial ryegrass (<em>Lolium perenne</em> L.) and under field conditions in a crop rotation with winter barley (<em>Hordeum vulgare</em> L.), mustard (<em>Sinapis alba</em> L.) as catch crop, sugar beet (<em>Beta vulgaris</em> L.) and winter wheat (<em>Triticum aestivum</em> L.). The other treatments tested were a mixture of CS and wheat straw (CS-WS) and a cattle manure from shredded WS bedding (CM-WS) to test WS as a common biomass. A pure CS was also tested as a reference treatment for the two mixtures (CS-<em>Mis</em>, CS-WS). The influence of the above mentioned fertilisers on soil (soil inorganic N, soil microbial biomass C and N) and plant parameters (plant N uptake, yield and quality parameters) were continuously determined during the experiments by standard soil and plant analyses. The results indicated that SMB make use of <em>Mis</em> as a C source. <em>Mis</em> biomass contributes to SMB build-up and thus C sequestration at least as WS. This also resulted in N immobilisation, which had a mostly negative impact on yield and quality parameters and led to a reduction in nitrate leaching. In addition, N uptake was determined using a drone-based sensor and the implementation of digital elements in arable farming was assessed. With increasing knowledge of C and N fluxes and the metabolism of SMB, there is great potential to improve the sustainability of arable farming through their management. <em>Mis</em> biomass can be used as a tool for sustainable C and N management in arable farming systems.

Die Art der ackerbaulichen Bewirtschaftung hat einen erheblichen Einfluss auf die C- und N-Dynamik im Boden. Damit spielt sie eine wichtige Rolle für den globalen Klimawandel sowie für aquatische und terrestrische Ökosysteme. Da die Nährstoffkreisläufe durch die Bodenmikroorganismen (SMB) gesteuert werden, ist das Verständnis ihrer Stoffwechselprozesse ein wesentliches Instrument für die nachhaltige Ausrichtung von Anbausystemen. Der Anbau der mehrjährigen Pflanze <em>Miscanthus x giganteus</em> (<em>Mis</em>) verbindet die Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen auf den jeweiligen Anbauflächen mit der Erzeugung einer zusätzlichen C-Senke. In dieser Arbeit wird die Hypothese aufgestellt, dass die Integration von C-reicher <em>Mis</em>-Biomasse in ackerbauliche Bewirtschaftungsstrategien mikrobielle Umsetzungsprozesse gezielt fördert und dadurch eine mikrobielle N-Immobilisierung und einen Aufbau organischer Bodensubstanz (SOM) induziert. Um dies herauszufinden, wurde gehäckselter <em>Mis</em> zu zwei C- und N-reichen Düngern verarbeitet. Zum einen wurde Rindergülle (CS) mit <em>Mis</em>-Biomasse gemischt (CS-<em>Mis</em>), zum anderen wurde <em>Mis</em>-Biomasse als Einstreumaterial für Rinder verwendet, um einen Rinder<em>Mis</em>t aus <em>Mis</em>-Einstreu (CM-<em>Mis</em>) zu erhalten. Beide wurden in Versuchen unter Gewächshaus- und Freilandbedingungen eingesetzt. Zusätzlich wurden eine Mischung aus CS und Weizenstroh (CS-WS) und ein Rindermist aus Weizenstroh-Einstreu (CM-WS) verwendet, um Weizenstroh (WS) als klassische Biomasse zu testen. Der Einfluss auf Boden- (anorganischer N, mikrobieller Boden-C und -N) und Pflanzenparameter (pflanzliche N-Aufnahme, Ertrags- und Qualitätsparameter) wurde mittels Standard-Boden- und -Pflanzenanalysen bestimmt. Die Ergebnisse zeigten, dass die SMB <em>Mis</em>-Biomasse als C-Quelle nutzt und mindestens in gleichem Maße zur Bildung von SOM und damit zur C-Sequestrierung beiträgt wie WS. Dadurch wurde ebenfalls eine N-Immobilisierung hervorgerufen, wodurch zum einen die Ertrags- und Qualitätsparameter negativ beeinflusst wurden und zum anderen auf eine Verringerung der Nitratauswaschung geschlossen werden konnte. Zusätzlich wurde der pflanzliche N-Gehalt mit einem Drohnensensor bestimmt und der Einsatz digitaler Elemente im Ackerbau bewertet. Mit zunehmenden Erkenntnissen der C- und N-Flüsse sowie des Metabolismus der SMB besteht ein großes Potenzial, durch deren Management die Nachhaltigkeit im Ackerbau zu erhöhen. <em>Mis</em> kann als Instrument für ein nachhaltiges C- und N-Management in Ackerbausystemen eingesetzt werden.