Data from: N2 and N2O mitigation potential of replacing maize with the perennial biomass crop Silphium perfoliatum – An incubation study

Kemmann, Björn GND; Wöhl, Lena GND; Fuß, Roland GND; Schrader, Stefan GND; Well, Reinhard GND; Ruf, Thorsten GND

Sustainability of biogas production is strongly dependent on soil-borne greenhouse gas (GHG) emissions during feedstock cultivation. Maize (Zea mays) is the most common feedstock for biogas production in Europe. Since it is an annual crop requiring high fertilizer input, maize cropping can cause high GHG emissions on sites that, due to their hydrology, have high N2O emission potential. On such sites, cultivation of cup plant (Silphium perfoliatum) as a perennial crop could be a more environmentally-friendly alternative offering versatile ecosystem services. To evaluate the possible benefits of perennial cup-plant cropping on GHG emissions and nitrogen losses, an incubation study was conducted with intact soil cores from a maize field and a cup plant field. The 15N gas flux method was used to quantify N source-specific N2 and N2O fluxes. Cumulated N2O emissions and N2+N2O emissions did not differ significantly between maize and cup plant soils, but tended to be higher in maize soil. Soils from both systems exhibited relatively high and similar N2O/(N2+N2O) ratios (N2Oi). N2O emissions originating from sources other than the 15N-labelled NO3 pool were low, but were the only fluxes exhibiting a significant difference between the maize and cup plant soils. Missing differences in fluxes derived from the 15N-pool indicate that under the experimental conditions with high moisture and NO3- level, and without plants, the cropping system had little effect on N fluxes related to denitrification. Lower soil pH and higher bulk density in the cup plant soil are likely to have reduced the mitigation potential of perennial biomass cropping.

Die Nachhaltigkeit der Biogasproduktion hängt stark von den bodenbürtigen Treibhausgasemissionen (THG) bei der Biomasseproduktion ab. Mais (Zea mays) ist das am häufigsten verwendete Substrat in der Biogasproduktion in Europa. Da es sich beim Mais um eine einjährige Kultur mit hohem Düngebedarf handelt, kann der Maisanbau an Standorten, die aufgrund ihrer Hydrologie ein hohes N2O-Emissionspotenzial aufweisen, hohe THG-Emissionen verusachen. An solchen Standorten könnte der Anbau der Durchwachsenen Silphie (Silphium perfoliatum) als mehrjährige Kultur eine umweltfreundlichere Alternative sein, die zudem noch viele weitere Ökosystemdienstleistungen bietet. Um die möglichen Vorteile des mehrjährigen Anbaus der Durchwachsenen Silphie auf THG-Emissionen und Stickstoffverluste, wurde ein Inkubationsversuch mit ungestörten Bodensäulen aus einem Mais- und Silphiefield durchgeführt. Dafür wurde die 15N Gasflussmethode verwendet, um N2 und N2O quellenspezifisch zu quantifizieren. Die kumulierten N2O-Emissionen und die N2+N2O-Emissionen unterschieden sich zwischen Mais- und Silphieboden nicht signifikant, waren im Maisboden tendenziell höher. Die Böden aus beiden Systemen wiesen relativ hohe und ähnliche N2O/N2+N2O Verhältnisse (N2Oi) auf. Die N2O-Emissionen, die aus anderen Quellen als dem 15N markierten NO3-Pool stammten, waren gering, aber die einzigen Emissionen, die sich signifikant zwischen den beiden Anbausystemen unterschieden. Fehlende Unterschiede in den Flüssen, die aus dem 15N-Pool stammten, wiesen darauf hin, dass das Anbausystem unter den Versuchsbedingungen mit hoher Bodenfeuchte, NO3-Gehalt und ohne Pflanzen wenig Einfluss auf die N-Emissionen aus der Denitrifikation hatte. Ein niedriger Boden-pH und eine höhere Trockenrodichte in der Durchwachsenen Silphie haben wahrscheinlich das THG-Minderungspotenzial der mehrjährigen Kultur verringert.

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Kemmann, Björn / Wöhl, Lena / Fuß, Roland / et al: Data from: N2 and N2O mitigation potential of replacing maize with the perennial biomass crop Silphium perfoliatum – An incubation study. Göttingen 2021. Open Agrar Repository.

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