The fate of nitrogen after grassland renewal and grassland conversion to maize cropping – An investigation of N2O processes and mineral N dynamics at the field scale

Buchen, Caroline

A common practice in order to improve forage quality and sward composition of grasslands is of grassland renewal. The break-up of permanent grassland is associated with the release of large amounts of nitrogen (N). This additional supply of mineral N can cause enhanced N losses either in gaseous form as nitrous oxide (N2O), an important greenhouse gas and/or as nitrate (NO3-) leaching. Until now, information about the persistence of this effect by using different renewal techniques and underlying processes is scarce. A field trial with different renewal techniques in comparison to permanent grassland and grassland conversion to maize cropping, was set up on two sites (Histic Gleysol and Plaggic Anthrosol) in north-western Germany. In the first part of the study, N2O fluxes and mineral N dynamics following grassland break-up were studied for a period of two years. In addition mineral N profiles (0- 90 cm) were used to estimate the risk of NO3- leaching over winter. Although, no effect of the different renewal treatments on the annual N2O emissions was obtained, grassland renewal caused elevated N2O fluxes for a short period of two months The risk of NO3- leaching however, was particularly enhanced during the first winter following grassland break-up especially for the sandy Plaggic Anthrosol. To investigate N2O production processes and in particular N2O reduction to N2 the 15N gas-flux method was applied in situ in the second part of the study. High denitrification rates were obtained for the Histic Gleysol, while for the Plaggic Anthrosol a higher nitrification potential along with general lower gaseous losses was found. In the third part of the study, natural abundance stable isotope signatures of soil-emitted N2O were used to identify sources of N2O emission. By using a novel isotopocule mapping approach , the magnitude of N2O reduction to N2 and the fraction of microbial N2O sources could be estimated simultaneously. Both sites indicated bacterial denitrification (heterotrophic bacterial denitrification and/or nitrifier denitrification) as the main source of N2O production, while a significant contribution of N2O reduction to N2 was confirmed. Moreover, nitrification and/or fungal denitrification also contributed to N2O fluxes to some extent. The results showed, that with respect to N2O mitigation and the prevention of NO3- leaching, a rapid development of the new grass sward (i.e. acting as a considerable N sink) is recommended to avoid N losses.

Grünlanderneuerung ist eine weit verbreitete Maßnahme, die zu einer Verbesserung der Grünlandzusammensetzung und der Beseitigung von Narbenschäden angewendet wird. Die mechanische Bearbeitung von Grünlandböden kann jedoch hohe Stickstoffverluste (N- Verluste) in Form des klimarelevanten Treibhausgases Lachgas (N2O) und/oder Nitratauswaschung (NO3-) zur Folge haben. Bisher gibt es jedoch über die Dauer des beschriebenen Effektes, sowie den Einfluss unterschiedlicher Grünlanderneuerungstechniken und die zugrundeliegenden Prozesse nur wenige bekannt. Daher wurde in Norddeutschland ein Feldversuch auf zwei unterschiedlichen Standorten (Plaggenesch und Anmoorgley) angelegt, bei dem verschiedene Grünlanderneuerungstechniken mit Dauergrünland und Grünlandumbruch mit nachfolgender Maisnutzung verglichen wurden. Im ersten Teil der Studie wurden N2O Flüsse und die Dynamik des mineralischen N über einen Zeitraum von zwei Jahren untersucht. Zusätzlich wurden Nmin Profile (0-90 cm) genutzt, um das Risiko für eine mögliche NO3- Auswaschung abzuschätzen. Obwohl die N2O Flüsse für einen kurzen Zeitraum (2 Monate) nach der Grünlanderneuerung erhöht waren konnte kein Jahreseffekt festgestellt werden. Im ersten Winter nach dem Aufbrechen der alten Grasnarbe trat jedoch insbesondere für den Plaggenesch ein erhöhtes Risiko für NO3- Auswaschung auf. Die Untersuchung der N2O Produktionswege und der N2O Reduktion zu N2 erfolgte unter Anwendung der 15N Gasflussmethode im Feld (zweiter Teil der Studie). Auf dem Anmoorgley konnten große N-Verluste durch den Prozess der Denitrifikation bestimmt werden Für den Plaggenesch konnte ein höheres Nitrifikationspotential festgestellt werden, obwohl gasförmige Verluste an diesem Standort generell geringer waren. In der dritten Studie, wurden natürlich vorhandene stabile Isotopensignaturen im bodenbürtigen N2O genutzt, um Quellen der N2O Bildung zu ermitteln. Unter Anwendung eines neuen Isotopen- Mapping Ansatzes konnten gleichzeitig die Anteile der N2O Reduktion und der bakteriellen N2O Bildung abgeschätzt werden. Für beide Standorte wurden bakterielle Denitrifikation als N2O Quelle identifiziert. Es zeigte sich jedoch, dass ein hoher Anteil des emittierten N2O reduziert wurde, während sich weitere Anteile auf die Prozesse der Nitrifikation und der pilzlichen Denitrifikation zurückführen lassen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine schnelle Entwicklung des neuen Pflanzenbestandes notwendig ist (Wirkung als N-Senke), um N- Verluste zu vermeiden.

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Buchen, Caroline: The fate of nitrogen after grassland renewal and grassland conversion to maize cropping – An investigation of N2O processes and mineral N dynamics at the field scale. 2017.

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