Lysimeterstudien zu Abbau, Verlagerung und Pflanzenverfügbarkeit von ¹⁴C/¹⁵N-markiertem Ethylendiharnstoff und Acetylendiharnstoff (Langzeitdünger) in einer schwach pseudovergleyten sauren Braunerde

Abstract

In der vorliegende Studie wird das Schicksal der ¹⁴C/¹⁵N-markierten Harnstoffderivate Acetylendiharnstoff (ADH), Ethylendiharnstoff (EDH) und ¹⁵N-Harnstoff in 5 Lysimetern (1 m², 1,1 m Profiltiefe) mit ungestörten Bodenmonolithen (schwach pseudovergleyte saure Braunerde aus Flugsand über Löß) unter Freilandbedingungen untersucht. <br /> Die Sickerwässer wurden, soweit vorhanden, in einem Abstand von etwa 4 Wochen entnommen. Im Beprobungszeitraum (12.04.2000 - 08.05.2001 EDH und 12.04.2000 - 05.03.2003 ADH und Harnstoff) betrug die Sickerwassermenge im Mittel bei den EDH-Lysimetern ca. 409,7 L (= 44 % des Jahresniederschlages), bei den ADH-Lysimetern ca. 1114,3 L (= 46 % der 3 Jahresniederschläge) und beim Harnstoff-Lysimeter ca. 1073,0 L (= 44 % der 3 Jahresniederschläge). Mit dem Sickerwasser wurden aus den EDH Lysimetern (L218/L219) 3,40 %/2,56 % und aus den ADH-Lysimetern (L226/L227) 0,17 %/0,20 % der applizierten ¹⁴C-Aktivität ausgetragen. Im Durchschnitt ergaben sich über die spezifische Radioaktivität berechnete nicht flüchtige Harnstoffderivat-Äquivalente in Höhe von 1,345 mg L^-1/0,897 mg L^-1 bei den EDH-Lysimetern (L218/L219) und 0,064 mg L^-1/ 0,067 mg L^-1 bei den ADH-Lysimetern (L226/L227). Der Austrag an Dünger-N liegt bei ADH mit ca. 7-8 % ADH-N in der gleichen Größenordnung wie beim Harnstoff mit ca. 6 % in drei Sickerperioden. Im Vergleich hierzu ist der Austrag an EDH-N mit ca. 61 % nach einer Sickerperiode sehr hoch. <br /> Aus den Ergebnissen der Bodenbeprobungen der EDH-Lysimeter konnte eine Verlagerung der ¹⁴C-Aktivität und des ¹⁵N-Isotops aus der 0-10 cm Bodenschicht in die 10-20 cm und 20-30 cm Bodenschicht abgeleitet werden. Dabei wurde bis zum 4. Beprobungstermin am 28.06.2000 kein Rückgang der wiedergefundenen Radioaktivität beobachtet. Erst danach reduzierte sich die wiedergefundene Radioaktivität bis zur Ernte am 01.08.2000 auf ca. 16 % in der Krumenschicht. Im Fall von ADH fand nur eine geringe Verlagerung in der 0-30 cm Krumenschicht statt. Die wiedergefundene Radioaktivität nahm überwiegend zwischen dem 1. (05.05.2000) und 2. Beprobungstermin (18.05.2000) von ca. 80 % auf 25 % ab. Bis zur Haferernte verringerte sich die ¹⁴C-Aktivität in der 0-30 cm Schicht bis auf 15 % der applizierten Radioaktivität. Nach der zweiten Applikation zu Wintergerste wurde ein ähnliches Abbauverhalten und Verlagerungsverhalten beim ADH beobachtet. <br /> Der Anteil der applizierten Radioaktivität im Hafer der EDH-Studie (Stroh, Spreu und Korn) betrug zur Ernte 0,25 % AR. Die Aufnahme an Radiokohlenstoff durch den Hafer in den ADH-Lysimetern lag mit 0,18 % AR und durch die Wintergerste mit 0,13 % AR in der gleichen Größenordnung. Im Nachbau Winterweizen konnten noch 0,002 % der zu Hafer und Wintergerste applizierten ¹⁴C-Aktivität in Weizen bestimmt werden. Der Radiokohlenstoffgehalt der Pflanzen in der ADH-Variante konnte in hohem Maße auf reassimiliertes ¹⁴CO₂ zurückgeführt werden. Es ist nicht auszuschließen, dass neben der ¹⁴CO2-Assimilation auch [¹⁴C]ADH/[¹⁴C]EDH oder Metabolite in geringen Spuren in die Pflanzen aufgenommen wurden. Der EDH-gedüngte Hafer enthielt zur Ernte 17 % des gedüngten EDH-Stickstoffs. Der Gehalt an Stickstoff aus der ADH- und Harnstoffdüngung lag im Hafer bei 42 % bzw. 29 %. Im zweiten Jahr enthielt die mit ADH gedüngte Wintergerste 38 % des ADH-N. <br /> Die Bilanzverluste der applizierten ¹⁴C-Aktivität können einem Gesamtabbau zum ¹⁴CO₂ der Harnstoffderivate zugeordnet werden. Beim EDH wurden keine ¹⁵N-Verluste festgestellt. Im ADH-Versuch betrugen die ¹⁵N Verluste ca. 25 % des applizierten Stickstoffs, bei alleiniger Harnstoff-Düngung ca. 31 %. <br /> Es konnte gezeigt werden, dass EDH ein weitaus höheres Verlagerungspotential als ADH aufweist.

<strong>Lysimeter studies utilizing ¹⁴C/¹⁵N-labeled ethylene diurea and acetylene diurea (slow release fertilizers) to estimate their degradation, leaching behavior and availability to plants in a gleyic cambilsol</strong><br /> The aim of the study was to examine the ¹⁴C/¹⁵N labeled urea derivatives ethylene diurea (EDH), acetylene diurea (ADH) and ¹⁵N-urea in 5 lysimeters with soil monoliths of undisturbed gleyic cambisol under open field conditions.<br /> The leachate was collected at intervals of about four weeks. During the sampling period (12 April 2004 - 08 May 2001 for EDH and 12 April 2000 - 05 March 2003 for ADH and urea) the mean total leachate was 409.7 L for EDH, 1114.3 L for ADH and 1073.0 L for urea. This corresponds to 44 %, 46 % and 44 % of the annual precipitate, respectively. The ¹⁴C discharged with the leachate was 3.40 %/2.56 % of the applied radiocarbon (AR) for the EDH lysimeters (L218/L219) and 0.17 %/0.20 % for the ADH lysimeters (L226/L227). The concentrations of active substance equivalents amounted to as much as 1.345 mg L^-1/0.897 mg L^-1 (EDH lysimeters 218/219) and 0.064 mg L^-1/0.067 mg/L^-1 (ADH lysimeters 226/227) during the study period. The discharge of fertilizer-N was in the case of ADH about 7-8 % ADH-N, i.e. similar to the amount of the urea control, which was 6 % in three leachate periods. In comparison, the discharged EDH-N was very high at 61 % after one leachate period. <br /> The soil sampling results of the EDH lysimeters indicated a translocation of the ¹⁴C activity from the 0-10 cm soil layer into the 10-20 cm and 20-30 cm soil layers. No reduction of radioactivity was observed before the fourth sampling day (28.06.2000) in the 0-30 cm soil layer. Only later was the recovered radioactivity reduced to 16 % AR in the 0-30 cm soil layer at harvest time (01.08.2000). In the ADH experimental variant, the major fraction of the AR was located in the 0-10 cm layer. The detected radioactivity mainly decreased between the first (05.05.2000) and second (18.05.2000) sampling days from about 80 % to 25 % of the AR. 15 % AR was measured at harvest time in the 0-30 cm soil layer. After the second application to winter barley in 2001, a similar degradation and leaching behavior was observed with ADH. <br /> The fraction of AR in oats was in total 0.25 % in the harvested full plant (EDH). The uptake of radiocarbon by the oat plant in the ADH experiment was 0.18 % AR and 0.13 % by the winter barley plants. At harvesting, the subsequent crop (winter wheat) in the ADH variant was found to have taken up just 0.002 % of the AR applied to oats and winter barley. In the ADH experimental variants, the radiocarbon content of the plant could be largely attributed to reassimilated ¹⁴CO₂. However, it cannot be excluded that apart from the ¹⁴CO₂ assimilation also small amounts of [¹⁴C]ADH/[¹⁴C]EDH or metabolites were perhaps taken up by the plants. At the oat harvest in the EDH study 17 % of the applied fertilizer-N was measured. The content of fertilized nitrogen in the ADH and urea lysimeters was 42 % and 29 % at the oat harvest, respectively. In the second year, the ADH-fertilized winter barley contained 38 % of the ADH-N. <br /> The balance losses of the applied ¹⁴C activity can be assigned to an overall degradation of the urea derivatives to ¹⁴CO₂. A loss of ¹⁵N did not occur in the EDH variant. On the other hand, in the ADH variant the loss of ¹⁵N was about 25 % of the applied nitrogen and about 31% in the case of urea fertilization. <br /> It was thus shown that EDH has a much higher leaching potential than ADH.