Zusammenfassung Band 83

Sentek, Valerie B. (2022): Polymerumhüllte Harnstoffdünger im Boden und ihr Einfluss auf die pflanzliche Entwicklung

Anthropogene Einträge von Stickstoff (N) in die Umwelt, beispielsweise durch Überdüngung, übersteigen bereits die ökologische Tragfähigkeit der Erde. Der Einsatz von polymerumhüllten Harnstoffdüngern (PCU) mit verbesserter Nutzungseffizienz könnte zu einer nachhaltigen Nutzung von N in der Landwirtschaft beitragen. Das Ziel meiner Arbeit war es daher die Effizienz von PCU in Boden und Boden-Pflanzensystemen zu untersuchen. Hierzu habe ich mich mit drei Forschungsfragen befasst: (i) wo liegen das Potenzial und die Grenzen von PCU und welche Parameter bestimmen ihre Effizienz, (ii) wie beeinflussen Bodeneigenschaften, Feuchtigkeit und Temperatur die N-Freisetzungskinetik von PCU, und (iii) wie beeinflussen PCU mit unterschiedlicher Freisetzungskinetik die pflanzliche Entwicklung und die Stickstoffnutzungseffizienz (NUE). Zur Beantwortung der ersten Frage habe ich eine Metaanalyse zum Effekt von PCU auf die N-Verluste in Form von Lachgas (N2O), Ammoniak (NH3), Nitrat (NO3-) und der NUE durchgeführt. Zur Klärung der zweiten und dritten Frage habe ich ein Testsystem für das Labor entwickelt und Inkubationsstudien mit zwei PCU, fünf Oberböden, drei Feuchtigkeitsstufen und zwei Temperaturstufen durchgeführt. Weiterhin habe ich einen  Gefäßversuch mit Sommergerste (Hordeum vulgare L.) unter Freilandbedingungen durchgeführt. Die Ergebnisse der (i) Metaanalyse haben gezeigt, dass PCU die NH3-Emissionen wirksam bis zu 38 % reduzieren konnten. Wohingegen die N2O-Emissionen nur im Nassreisanbau gemindert werden konnten (um 32 %). Insgesamt war die NUE für PCU (bei einmaliger Anwendung und gleicher Aufwandmenge) im Durchschnitt um 16 % höher als bei Harnstoff (auch bei Gabenteilung). Die verbesserte NUE wurde durch fehlende Einarbeitung in den Boden, aride Klimabedingungen sowie Kulturen mit hohem Düngebedarf (wie Kartoffeln) eingeschränkt. Die (ii) Inkubationsstudien zeigten, dass die Freisetzungsraten für PCU in Böden mit unterschiedlicher Textur erheblich variierten. Die Bodenfeuchtigkeit hatte jedoch keinen signifikanten Einfluss auf die N-Freisetzung. Eine Senkung der Bodentemperaturen um 5 °C verringerte die Freisetzungsraten um 0 % in sandigem Lehm und um bis zu 49 % in schluffigem Lehm. Der (iii) Gefäßversuch mit Gerste zeigte, dass PCU die NUE auf bis auf 54 % steigern konnten verglichen mit Harnstoff (39 %). Die N-Auswaschung wurde durch PCU ebenfalls signifikant reduziert und die NUE korrelierte linear mit den Freisetzungsraten aus den vorausgegangen Laborstudien. Die Reaktion der Pflanzen  zeigte, dass die N-Verfügbarkeit in kritischen Wachstumsphasen für PCU besser war als für Harnstoff. Die Ergebnisse meiner Arbeit unterstützen damit die Annahme, dass PCU eine wirkungsvolle Ergänzung für ein nachhaltiges N-Management sein können. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass die heute verwendeten Hüllmaterialien zumeist nicht biologisch abbaubar sind. Die damit verbundene Verschmutzung von Böden mit Mikroplastik muss also berücksichtigt werden, bei der Abwägung von Vor- und Nachteilen des Einsatzes von PCU Düngern.

Summary 

Sentek, Valerie B. (2022): Polymer coated urea fertilizers in soil and impacts on plant development

Excessive anthropogenic nitrogen (N) inputs, such as from overfertilization, increasingly threaten natural resources to the extent that acceptable planetary boundaries are already crossed. Enhanced efficiency fertilizers like polymer coated urea (PCU) might contribute to a more sustainable use of N in agriculture. The overarching aim of my work was, therefore, to elucidate the performance of PCU fertilizers in soil and soil-plant systems. I addressed three main research questions: (i) what are the potentials and limitations of PCU fertilizers and, which parameters control their efficiency, (ii) how do soil texture, soil moisture and temperature influence the N release kinetics of PCU fertilizers, and (iii) how do PCU fertilizers with different release kinetics influence plant development and nitrogen use efficiency (NUE)? To answer the first question, I conducted a meta-analysis on the effect of PCU fertilizers on ecosystem N losses in the form of nitrous oxide (N2O), ammonia (NH3), nitrate (NO3-) and NUE. For answering the second and third question, I developed a test system for the lab and conducted incubation studies using five topsoils, three moisture and two temperature levels, and carried out a pot trial with spring barley (Hordeum vulgare L.) under field conditions. Both were run with two different PCU fertilizers and conventional urea as reference. The results of (i) the meta-analysis showed that PCU fertilizers were very effective in reducing NH3 volatilization (up to 38%); however, PCU mitigated N2O emissions only in paddy rice by 32%. Overall, the NUE was on average 16% higher for PCU (in single application) relative to urea at equivalent N rates (even when urea was split applied). The performance of PCU was restrained by absent incorporation into soil, dry and warm climate conditions or crops with a poor root development like potato. The (ii) test system allowed to evaluate the N release from PCU in laboratory incubation studies at high precision. The results showed that the N release rates for PCU fertilizers significantly varied in differently textured top soils. By contrast, soil moisture did not affect N release rates significantly, however, a reduction in soil temperature from 21 to 16 °C reduced the N release rates from certain PCU by 0% in sandy loam and up to 49 % in silt loam. A (iii) pot trial with barley showed that NUE could be increased to 54% through PCU fertilizers compared to urea (39%). Also, N leaching was significantly reduced with PCU, and plant response at critical growth stages was improved relative to the urea application. The NUE correlated linearly with the N release rates of the PCU as formerly assessed in the lab. In summary, my work supports the general assumption that PCU fertilizers can be an effective complement for sustainable N management. When using PCU fertilizers, it is important to bear in mind that most of the coatings used today are very persistent and not (sufficiently) biodegradable. The associated contamination of soils with microplastics must be taken into account when weighing up the advantages and disadvantages of PCU fertilizers.