Insights into nitrogen fluxes in different dairy production systems in northwest Germany

by Friederike Sieve
Doctoral thesis
Date of Examination:2023-06-27
Date of issue:2023-08-31
Advisor:Prof. Dr. Johannes Isselstein
Referee:Prof. Dr. Johannes Isselstein
Referee:Prof. Dr. Klaus Dittert
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10077

 

 

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Abstract

English

Local nutrient surpluses are a global challenge and pose a risk for ecosystems. Nitrogen (N) is particularly important in this context, as it is a main plant nutrient and necessary for a promoted plant growth in agricultural food production. The essential need to ensure a sufficient (global) food production faces several negative aspects that can be related to N surpluses in terrestrial and aquatic ecosystems: loss of biodiversity, changes in species composition, eutrophication, acidification, and water pollution. Therefore, an efficient use of N (and all other nutrients) in agricultural systems is crucial. Our aim was to gain insights into N fluxes in different dairy production systems in northwest Germany. Two methodical approaches were used to analyse N fluxes. The first approach is a method used at the experimental plot and farm scale: analysing the natural abundance of 15N and 13C using isotopic signatures. The second approach is a method used at the farm scale: applying a farm gate balance for N and P. In the first study, a grassland field trial was used to simulate different forage production systems. On a plot scale, isotopic measurements of the natural abundance of 15N in aboveground biomass and topsoil were conducted. The experiment comprised of different N fertilizer managements (organic N and synthetic N). An isotopic signal could already be detected after a period of 2-3 years of consistent management, due to a combined effect of time and N surpluses. A drought period in the last experimental year (2018) limited N utilization, led to large N surpluses, and thus boosted the isotopic signal. In a second study, the method of isotopic measurements was expanded from the plot scale to the farm scale. On dairy farms in northwest Germany, measurements of the natural abundance of 13C in cow tail hair and cow slurry were conducted to gain information about the proportion of maize in cow diet. The method was applied under a wide range of environmental conditions. A relationship between δ13C values in cattle hair and the dietary proportion of maize could be confirmed. Additionally, a relationship between 13C cow tail hair and the proportion of maize of total agricultural farm area was detected. Considering the debate on feed-food competition this enables conclusions on the amount of forage that is produced on arable land compared to grassland. The third study examines nitrogen and phosphorus (P) fluxes on the same dairy farms using a different approach at the farm scale: the gross farm gate balance. This method records all N and P inputs and outputs of a farm for one year. Farm gate balances for the farms were calculated over three consecutive years (2019-2021). Results show that the N surplus on farm is mainly influenced by the purchase of synthetic fertilizer, whereas a P surplus is mainly influenced by the purchase of additional forage. Moreover, we also found that the farm gate balances were strongly affected by annual weather conditions – thus on productive or less yielding grass swards. Market-related effects played a role, too; higher prices for synthetic N clearly limited the purchase of N fertilizer. Furthermore, we applied three proposals for an upcoming amendment of the Ordinance for Substance Flow Analysis Germany (StoffBilV) for the assessment of N surpluses to the farm data. Generally, dairy farms should be able to fulfil the requirements; however, N efficiency could be further improved, and dairy farms are vulnerable to weather related changes in productivity caused by drought or calamities (severe damages to the sward by field mice). In the last study, both methodical approaches for tracing N fluxes (isotopic measurements and farm gate balances) were combined to examine whether one method allows to draw conclusions about the other and vice versa. Only a weak relationship was detected between the isotopic signatures (δ15N) of topsoil and aboveground biomass and gross N farm gate balance. At the farm level, the relationship between δ15N values of cow slurry and the respective gross N farm gate balance was slightly stronger. However, there remains a gap between information gathered at the field and at the farm scale. In conclusion, this thesis gives valuable insights into N fluxes on forage production systems and dairy farms in northwest Germany. Different approaches provide good results for each scale level. A transfer of information derived at one scale to another scale remains difficult because of the complexity of various influencing factors. Still, there are some factors that lead to lower nutrient surpluses: less use of synthetic fertilizer combined with a higher N use efficiency of organic fertilizer; feeding with concentrates for dairy cows adjusted to the actual need; and the production of high-quality forage to minimize the need for additional concentrates. Those factors do not only promote the economic success of a farm but also reduce a potential negative influence on the environmental effect.
Keywords: nitrogen; natural abundance; isotopes; forage production; dairy farm; balances

German

Lokale Nährstoffüberschüsse stellen eine globale Herausforderung und eine Bedrohung für intakte Ökosysteme dar. Dabei kommt Stickstoff (N) eine besondere Bedeutung zu, da er als Makronährstoff essenziell für das Pflanzenwachstum und damit Voraussetzung für eine ausreichende und gesicherte Lebensmittelerzeugung ist. Gleichzeitig verursachen N-Überschüsse viele verschiedene negative Effekte auf terrestrische und aquatische Ökosysteme, beispielsweise den Verlust von Biodiversität, eine veränderte Artenzusammensetzung in spezifischen Gemeinschaften, Eutrophierung oder Versauerung und Wasserverschmutzungen. Deshalb ist der effiziente Einsatz von N (und auch allen anderen Nährstoffen) unbestritten wichtig. Ziel dieser Arbeit ist es, Einblicke in N-Ströme unterschiedlicher Systeme der Milcherzeugung zu erhalten. Dazu wurden zwei verschiedene methodische Ansätze gewählt, um die N-Ströme zu analysieren. Der erste Ansatz analysiert auf der Ebene des Parzellenversuchs und des Betriebes das natürliche Vorkommen von 15N und 13C Isotopen. Bei dem zweiten Ansatz handelt es sich um die Berechnung einer Stoffstrombilanz für Stickstoff und Phosphor auf Betriebsebene. Im ersten Kapitel wurden verschiedene Futterbausysteme in einem Grünland Parzellenversuch simuliert und dort das natürliche Vorkommen von 15N Isotopen im Oberboden und der oberirdischen Biomasse untersucht. Eine Nachverfolgung von unterschiedlichen Düngeregimen aus organischer und mineralischer N Gabe war dadurch möglich. Ein isotopisches Signal konnte bereits nach 2-3 Jahren nachgewiesen werden, was sich auf einen kombinierten Einfluss von Zeit und hohen N-Überschüssen zurückführen lässt. Eine Trockenperiode im letzten Versuchsjahr (2018) begrenzte die N-Ausnutzung und verstärkte dadurch das isotopische Signal. Im zweiten Kapitel wurde die Anwendung der Methode der isotopischen Messungen von der Ebene des Parzellenversuchs auf die Ebene von praktisch wirtschaftenden Milchviehbetrieben erweitert. Das natürliche Vorkommen von 13C in den Schwanzhaaren und der Gülle der Milchkühe wurde genutzt, um Informationen über den Maisanteil in der Futterration der Tiere zu erhalten. So wurde die Methode unter verschiedenen Umweltbedingungen angewandt und der Zusammenhang zwischen δ13C-Werten in den Kuhhaaren und dem Maisanteil in der Futterration bestätigt. Außerdem wurde ein Zusammenhang zwischen den δ13C-Werten in den Kuhschwanzhaaren und der Maisanbaufläche an der gesamten landwirtschaftlichen Fläche des Betriebes festgestellt. In Anbetracht der Teller-Trog Debatte ermöglicht dies Rückschlüsse auf die Menge des auf Ackerland erzeugten Futters im Vergleich zum grünlandbasierten Futter. Die dritte Studie untersucht die Stickstoff- und Phosphor (P)-Flüsse auf denselben Milchviehbetrieben mit einem anderen methodischen Ansatz, der Stoffstrombilanz (nach StoffBilV). Bei dieser Methode werden alle N- und P-Einträge und -Austräge eines Betriebes für ein Jahr erfasst. Die Bilanzen für die Futterbaubetriebe wurden für drei aufeinanderfolgende Jahre (2019-2021) berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass ein betrieblicher N-Überschuss hauptsächlich durch den Zukauf von Mineraldünger beeinflusst wird, während ein betrieblicher P-Überschuss hauptsächlich durch den Zukauf von Futtermitteln beeinflusst wird. Außerdem wurde eine starke Abhängigkeit der Stoffstrombilanz von Jahreseffekten aufgrund von Wetter- und Markteffekten festgestellt. Weiterhin wurden drei Vorschläge im Rahmen einer anstehenden Novellierung der Stoffstrombilanzverordnung (StoffBilV) zur Bewertung von N-Überschüssen auf die Praxisdaten der Betriebe angewandt. Die Analysen geben Hinweise darauf, dass die Einhaltung der maximalen N-Salden im Rahmen dieser potenziellen Novellierung für die hier untersuchten Milchviehbetriebe möglich wäre. Nichtsdestotrotz könnte die Effizienz der N-Ausnutzung weiter verbessert werden. Im vierten Kapitel wurden beide methodischen Ansätze zur Nachverfolgung von N-Strömen (Isotopenmessungen und Stoffstrombilanzen) kombiniert, um zu ermitteln, ob eine Methode Rückschlüsse auf die andere Methode erlaubt. Es wurde nur ein schwacher Zusammenhang zwischen den isotopischen Signaturen (δ15N) des Oberbodens und der oberirdischen Biomasse und der Brutto N-Stoffstrombilanz des Betriebes festgestellt. Auf Betriebsebene war die Beziehung zwischen der isotopischen Signatur (δ15N) der Kuhgülle und der Brutto N-Stoffstrombilanz etwas stärker. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Lücke zwischen Feld und Betrieb bestehen bleibt, in der die Einflussfaktoren auf die N-Flüsse nicht vollständig erklärt werden können. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Arbeit wertvolle Einblicke in die N-Flüsse auf Futterbau- und Milchviehbetrieben in Nordwestdeutschland gibt. Die verschiedenen methodischen Ansätze liefern gute Ergebnisse für ihre jeweilige Skalenebene. Eine Übertragung von einer Skalenebene zur anderen bleibt aufgrund von verschiedenen Einflussfaktoren aber schwierig. Obwohl diese Einflussfaktoren sehr betriebsindividuell sein können, konnten bereits bekannte Haupteinflussfaktoren auf die Höhe des N-Saldos bestätigt werden: Ein geringerer Einsatz von Mineraldünger und damit zusammenhängend eine effizientere Ausnutzung des betriebseigenen Wirtschaftsdüngers, eine abgestimmte Kraftfutterfütterung und die Produktion von qualitativ hochwertigem Grundfutter tragen nicht nur zum ökonomischen Erfolg eines Betriebes bei, sondern können auch maßgeblich den ökologischen Effekt positiv beeinflussen.
 
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