Environmental impacts of silage production: Formation, emission and fixation of gases from field to barn

Abstract

Silages are essential feeds in livestock husbandry. Losses should be minimised to close the nutrient cycle between crop and animal production. Besides, losses are generally associated with emissions of climate and environmental relevant substances, such as greenhouse gases (GHG), e.g. carbon dioxide (CO₂), methane (CH₄) and nitrous oxide (N₂O), or volatile organic compounds (VOC), e.g. ethanol and ethyl acetate. These gases are emitted during fermentation and aerobic storage, contributing to the negative environmental impact of agricultural animal husbandry. <br /> This thesis addresses the pathways of gas dynamics, i.e. formation, emission and fixation of the gases mentioned above, in order to derive climate impacts and mitigation options through adapted management in silage production. <br /> Study 1 investigated the concentrations of GHGs during the 49-day fermentation of grass and lucerne silage (two varying dry matter contents in each case). The wetter silages showed earlier CO₂ formation due to faster microbial activity. Grass silage had higher CH₄ and N₂O concentrations than lucerne silage during the local maxima (first 4 ensiling days). After a temporary drop in the concentrations, the lucerne silage showed increasing CH₄ concentrations. This was due to malfermentation, i.e. the activity of clostridia. This led to the formation of butyric acid and ammonia. The rising pH value and released hydrogen facilitated methanogenesis. <br /> The other studies investigated GHG and VOC gases’ formation, emission and fixation during 30 and 135 days of fermentation (Study 2) and 14 days of aerobic storage (Study 3). Two of the three maize silage treatments were treated with a biological (lactic acid bacteria) or chemical silage additives (organic acids). The biological additives reduced the CH₄ and N₂O, and the chemical reduced the ethanol and increased the N₂O emissions of the fermentation (Study 2). The formation took place mainly in the first 6 ensiling days. The treatments showed decreasing gas emission quantities in the course of ensiling: microbiological fixation was assumed. <br /> Both treated variants showed increased aerobic stability (Study 3), which reduced dry matter losses. This means that lower quantities of harvested forage are required, which can reduce indirect GHG emissions during crop production. This has a positive effect on the climate impact of silage production. At the same time, the treated variants showed increased VOC emissions during aerobic storage. The quantities of ethyl acetate emissions exceeded the original quantities in the material; microbial reformation from ethanol was suspected. Using silage additives can mitigate the negative environmental consequences of poor silage management. <br /> Based on the studies, a structuring of gas formation and fixation phases within the silage production process chain is derived. In addition, recommendations for emissions research and management in practice are formulated in this thesis.

<strong>Umwelteinflüsse der Silageproduktion: Bildung, Emission und Fixierung von Gasen zwischen Feld und Stall</strong> <br /> Silagen sind wichtige Futtermittel in der Viehhaltung. Verluste sollen minimiert werden, um den Nährstoffkreislauf zwischen Pflanzen- und Tierproduktion zu schließen. Zudem gehen Verluste meist mit Emissionen umweltrelevanter Stoffe, wie Treibhausgase (THG), e.g. Kohlenstoffdioxid (CO₂), Methan (CH₄) und Lachgas (N₂O), oder flüchtige organische Verbindungen (VOC), e.g. Ethanol und Ethylacetat, einher. Diese Gase emittieren während der Fermentation sowie der aeroben Lagerung und beeinflussen die Umweltfolgen der Viehhaltung. <br /> Diese Dissertation befasst sich mit der Bildung, Emission und Fixierung der Gase, um daraus Klimaauswirkungen und Minderungsmöglichkeiten in der Silageproduktion abzuleiten. <br /> Studie 1 untersuchte die Konzentrationen der THG während der 49-tägigen Fermentation von Gras- und Luzernesilage (jeweils zwei variierende Trockenmassegehalte). Die nasseren Silagen zeigten aufgrund schnellerer mikrobieller Aktivität eine frühere CO₂-Bildung. Grassilage wies während der lokalen Maxima (erste 4 Siliertage) höhere CH₄- und N₂O-Konzentrationen als Luzernesilage auf. Nach einem zwischenzeitlichen Abfall der Konzentrationen zeigte die Luzernesilage ansteigende CH₄-Konzentrationen, welche auf eine Fehlgärung, d.h. die Aktivität von Clostridien, zurückzuführen waren. Diese führte zur Buttersäure- und Ammoniakbildung. Die steigenden pH Werte und der freigesetzte Wasserstoff begünstigten die Methanogenese. <br /> Die weiteren Studien untersuchten die Bildung, Emission und Fixierung der THG und VOC Gase während der 30- bzw. 135-tägigen Fermentation (Studie 2) und 14-tägigen aeroben Lagerung (Studie 3). Zwei der drei Maissilagevarianten wurden mit einem biologischen (Milchsäurebakterien) bzw. einem chemischen Siliermittel (organische Säuren) behandelt. Das biologische Siliermittel reduzierte die CH₄- und N₂O-, das chemische reduzierte die Ethanol- und erhöhte die N₂O-Emissionen der Fermentation (Studie 2). Die Bildung fand in den ersten 6 Tagen statt. Alle Varianten zeigten abnehmende Gasmengen: eine mikrobielle Fixierung wird vermutet. <br /> Die behandelten Varianten zeigten eine verlängerte aerobe Stabilität (Studie 3) was die Trockenmasseverluste reduziert. So werden geringere Erntemengen benötigt, was zu sinkenden indirekten THG Emissionen während des Ackerbaus führt. Dies beeinflusst die Klimafolgen der Silageproduktion positiv. So kann der Einsatz von Siliermitteln die negativen Umweltfolgen von schlechtem Silagemanagement reduzieren. Jedoch zeigten die behandelten Varianten erhöhte VOC Emissionen während der aeroben Lagerung. Die Mengen an Ethylacetatemissionen überschritten die Mengen im Material; eine mikrobielle Neubildung aus Ethanol wird vermutet. <br /> Auf Basis der Studien wird eine Strukturierung der Phasen der Gasbildung und -fixierung innerhalb der Prozesskette der Silageproduktion hergeleitet. Zudem werden in dieser Dissertation Empfehlungen für die Emissionsforschung und das Management in der Praxis formuliert.