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Doctoral Thesis
2025
Digestate composition affecting nitrogen fertilizer value, soil carbon mineralization, and nitrous oxide emissions
Digestate composition affecting nitrogen fertilizer value, soil carbon mineralization, and nitrous oxide emissions
Abstract (English)
The variety of organic feedstocks that can be used for anaerobic digestion leads to digestates with different physico-chemical compositions. Different feedstocks yield distinct digestate compositions, hence different fertilizer potential, which consequently may affect carbon (C) and nitrogen (N) cycling in soils. This present thesis aimed to explore the relationship between feedstocks used for anaerobic digestion, digestate composition and fertilizer properties, and their consequences for agricultural and environmental sustainability. It was investigated, how digestate properties can be related to its N fertilizer value, C storage potential, or greenhouse gas (GHG) emission potential. Two experiments were conducted to assess (i) differences in the N fertilizer value of seven digestates from different feedstocks in a practice-oriented 2-year field experiment with spring wheat on a silty loam, with two different application techniques and (ii) the degradability of organic matter (OM) in the digestates within an aerobic incubation experiment for 56 days. In addition, digestates were labeled with the stable isotope 15N, either in both NH4+-N and organic N, or only in NH4+-N. Those labeled digestates were examined in a 2-year field experiment to assess short-term nitrous oxide (N2O) emissions after application from the digestate and native soil-N pool. The labeled digestates were also examined in a pot study with a crop rotation of ryegrass and maize in a sandy and loamy soil. The 15N-labeling approach was applied to distinguish the N contribution in total N offtakes from the digestate, its solid and liquid fraction, and from the soil.
In a first step, seven digestates from different feedstocks were collected from existing biogas plants either from farms or municipalities in Baden-Württemberg, Germany. The digestates showed differences in dry matter (DM), C/N ratio, ammonium (NH4+) concentration, macro nutrients, and salt content. The range was according to the literature, and no limits for heavy metals were exceeded. The food waste digestate stands out among the other digestates with lowest C/N ratio and raw fiber content, highest ammonium concentration and highest table salt (NaCl) content.
In the field study, the mineral fertilizer equivalents (MFE) ranged from 18% to 60% in the 1st year and from 39% to 83% in the 2nd experimental year. Highest MFE in both years was exhibited with food waste (49-70%), while most other digestates from agricultural feedstocks showed MFE´s in the range of 28-49%. The fertilizer properties (C/N, lignin, acid detergent fiber (ADF), NH4+/N and organic C/organic N (Corg/Norg)) were found to predict 58.9-74.2% of the variance in N offtakes among the digestates. Incubation of the different digestates showed that 61% of the organic C added by food waste digestate had been mineralized after 56 days. In contrast, only 16-22% of the supplied organic C was decomposed for the other plant and manure-based digestates. The composition of the digestates could explain up to 90.4% of the CO2 evolution, with C/N being the predominant factor (35.5%), followed by ADF (26.5%), raw fiber content (9.2%), lignin (8.7%) Corg/Norg (6.7%) and Carbonate-C (1.2%). The pot study showed comparable N fertilizer replacement values (NFRV) as MFEs in the field, with 33.5-76.0% and 40.6-76.3%, in sand and loam, respectively. Highest NFRV was measured from sugar-beet and food-waste-based digestates, with on average 70% across the two soils. N offtakes and yield were affected by fertilizer, soil, and their interaction, meaning digestate performance among soils varied to different extents. Digestate`s N fertilizer value could be related to three main compositional parameters (C/N, Corg/Norg, NH4+/N), which accounted for 44.5% of the variance of total N offtakes. Digestate-15N recovery in aboveground biomass after five applications showed that between 28-78% of N was derived from the digestates. Total 15N-fertilizer recovery in biomass was 18-43% among digestates and did not correspond to higher total N offtakes or N use efficiency (NUE). The solid fraction within the raw digestate contributed only 4.0-8.3% to digestate-N offtakes, compared to 32.5-45.3% from the liquid fraction. N mineralization of the solids was estimated at 6-13% after five applications.
Cumulative N2O emissions after application of the different digestates were higher in the 1st year (312–1580 g N2O-N ha⁻¹) compared to the emissions (133–690 g N2O-N ha⁻¹) in the 2nd year. Differences among digestates were only found in the 1st year, where sugar beet leaves had higher cumulative N2O than digestates from cattle slurry or food waste. Emission factors determined in the two years’ field study (0.21–0.75%) were all within the range of the IPCC default value. Based on 15N-labeling, it could be observed, that only 16–38% of N2O emissions originated from digestate N.
From the results of field, pot, and incubation study, it can be concluded that differences in fertilizer value and OM stability are related to variations in digestate composition. Differences in C mineralization depend on the overall degradability of the digestates, as shown by C/N and fiber fractions. However, the relevance for yield, N recovery and C storage potential is in most cases rather low, except for digestates with very distinct properties, such as food waste or sugar beet digestates.
The 15N labeling of digestates shows that the N taken up by the majority of digestate-treated crops derived more than 50% of N from the soil pool, underlining the significance of the soil for N supply via mineralization. After several crop cycles and applications of digestate, it appears that the impact of soil on digestate-derived 15N efficiency decreases. With repeated application and mineralization of Norg from the solids, the initially 2.4-4.6% lower N availability of the applied 15N from the solid fraction increased to a similar range as the NUE of the liquid fraction (~31-24%). The eight labeled digestates showed differences in NUE and 15N recovery rates, which indicate different impacts of the digestates on N immobilization and mineralization in the soil. Field application of the 15N-digestates shows that more than 60% of N2O emissions originate from the native soil N pool. The first peak following fertilization contained mainly soil N, presumably due to denitrification of soil nitrate, likely induced by the applied OM. Whereas later N2O peaks after rainfall events contained more denitrified digestate-N, as indicated by 15N signals in N2O, signifying that digestate derived N becomes the primary N source. It can be concluded that for N2O emissions that after digestate application, the main N source for emissions is the soil N pool, probably triggered by the supplied OM. Furthermore, the influence of environmental factors such as water-filled pore-space and soil N pool, on overall N2O emissions are of main relevance, and less the digestate type.
In summary, while digestate composition does have some influence on its performance as fertilizer, the broader context of environmental conditions and the role of native soil N pools are of higher significance than the feedstock. Understanding these factors will be crucial for optimizing the use of digestates in agricultural and environmental management practice.
Abstract (German)
Die Vielfalt organischer Ausgangssubstrate, die für die anaerobe Vergärung und Biogasproduktion verwendet werden können, führt zu Gärresten mit unterschiedlicher physikalischer und chemischer Zusammensetzung. Die spezifische Zusammensetzung von Gärersten unterschiedlicher Herkunft beeinflusst den Stickstoff (N)-und Kohlenstoff-(C) Haushalt im Boden, was wiederum deren Wirkung als Dünger verändert. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluss der Gärrest-Zusammensetzung auf die N-Düngewirkung, die C-Mineralisation, und Lachgas (N2O) -Emissionen zu untersuchen.
Es wurden zwei Versuche durchgeführt, um (i) Unterschiede in der N-Düngewirkung von sieben Gärresten aus verschiedenen Ausgangsubstraten in einem praxisorientierten 2-jährigen Feldversuch mit Sommerweizen und zwei Applikationstechniken zu untersuchen; sowie (ii) die Abbaubarkeit der organischen Substanz (OS) in den Gärresten in einem aeroben Inkubationsversuch über 56 Tage zu bewerten. Zusätzlich wurden Gärreste mit dem stabilen Isotop 15N markiert, entweder nur in der Ammonium (NH4+-N)-Fraktion, oder in beiden Fraktionen, NH4+-N und organischer N (Norg). Diese 15N-Gärreste wurden in einem 2-jährigen Feldversuch untersucht, um die kurzfristigen N2O-Emissonen nach der Ausbringung zu quantifizieren. Zudem ließ sich der Anteil an Anteil an N2O-N aus den Gärersten und dem Boden-N-Vorrat unterscheiden. Die 15N-Gärreste wurden auch in einem Gefäßersuch mit einer Fruchtfolge aus Weidelgras und Mais in einem sandigen und lehmigen Boden untersucht. Dank der 15N-Markierung konnte die Herkunft der N-Aufnahme durch die Pflanze unterschieden werden, ob es sich Boden-N handelte oder um N aus dem gesamten Gärrest, der flüssigen oder festen Fraktion. In einem ersten Schritt wurden sieben Gärreste verschiedener Ausgangsubstrate aus Biogasanlagen, entweder von landwirtschaftlichen Betrieben oder Gemeinden in Baden-Württemberg gesammelt. Die Gärreste unterschieden sich in der Trockenmasse, dem C/N-Verhältnis, im NH4+/N, den Makronährstoffen und dem Salzgehalt. Die Zusammensetzung war vergleichbar mit Werten aus der Literatur und es wurden keine Grenzwerte für Schwermetalle überschritten. Der Gärrest aus Speiseresten hebt sich von anderen Gärresten, z.B. aus nachwachsenden Rohstoffen, deutlich ab, mit dem niedrigsten C/N-Verhältnis und Rohfasergehalt, sowie der höchsten NH4+-N-Konzentration und dem höchsten Kochsalzgehalt (NaCl).
Im Feldversuch erreichten die Gärreste Mineraldüngeräquivalente (MDÄ) von 18-60 % im ersten Jahr und von 39-83% im zweiten Versuchsjahr. Die höchsten MDÄ wurden in beiden Jahren bei dem Gärrest aus Speiseresten (49-70 %) erzielt, während die meisten anderen Gärreste aus landwirtschaftlichen Rohstoffen MDÄ im Bereich von 28-49 % aufwiesen. Die Düngereigenschaften (C/N, Lignin, die ADF-Fraktion NH4+/N und organischer C/organischer N (Corg/Norg)) konnten 58,9-74,2 % der Varianz der N-Entzüge zwischen den Gärresten vorhersagen.
Der Inkubationsversuch zeigte, dass 61% des applizierten Corg aus dem Speiserest-Gärrest nach 56 Tagen mineralisiert wurde. Im Gegensatz dazu wurden bei den anderen pflanzlichen und güllebasierten Gärresten nur 16-22 % des zugeführten Corg abgebaut. Die Zusammensetzung der Gärreste konnte bis zu 90,4 % der Respiration erklären, wobei das C/N-Verhältnis den stärksten Einfluss hatte (35,5 %), gefolgt von ADF (26,5 %), Rohfasergehalt (9,2 %), Lignin (8,7 %) Corg/Norg (6,7 %) und Carbonat-C (1,2 %). Der Gefäßversuch ergab vergleichbare N-Effizienzen wie im Feld, mit 33,5-76,0 % und 40,6-76,3 % in Sand bzw. Lehm. Der höchste N-Düngewert wurde bei Gärresten aus Zuckerrüben und Speiseresten gemessen, mit durchschnittlich 70 % in beiden Böden. Die N-Entzüge und Erträge wurden durch Dünger, Boden und deren Wechselwirkung beeinflusst, was bedeutet, dass die Effizienz der Gärreste in den Böden variierte, jedoch in unterschiedlichem Maße. Die Düngewirkung, der Gärreste konnte mit den drei wichtigsten Gärresteigenschaften (C/N, Corg/Norg, NH4+/N) in Verbindung gebracht werden, die zusammen 44,5 % der Varianz des gesamten N-Entzüge ausmachten. Die Aufnahme von 15N aus den Gärresten in der oberirdischen Biomasse nach fünf Düngungen zeigte, dass zwischen 28-78 % des N aus den Gärresten stammt. Die gesamte 15N-Wiederfindung in der Biomasse betrug 18-43 % applizierten N-Menge durch die Gärreste und korrelierte nicht mit einer höheren Gesamt-N-Entnahme oder N-Nutzungseffizienz. Die feste Fraktion im Gärrest trug nur etwa 4,0-8,3 % zur N-Entnahme aus dem Gärrest bei, verglichen mit 32,5-45,3 % aus der flüssigen Fraktion. Die N-Mineralisierung der festen Gärrestfraktion wurde nach fünf Düngungen und Kulturzyklen auf 6-13 % geschätzt. Die kumulativen N2O-Emissionen nach Applikation der verschiedenen Gärreste waren im ersten Versuchsjahr höher (312-1580 g N2O-N ha-¹) als die Emissionen im zweiten Jahr (133-690 g N2O-N ha-¹). Unterschiede zwischen den Gärresten wurden allerdings nur im 1. Versuchsjahr festgestellt, wo Gärreste aus Zuckerrübenblätter höhere N2O-Emissionen aufwiesen als Gärreste aus Rindergülle oder Speiseresten. Die ermittelten Emissionsfaktoren aus zwei Versuchsjahren (0,21-0,75 %) lagen alle im Bereich der IPCC-Referenzwerte. Anhand der 15N-Markierung zeigte sich, dass nur 16-38 % der N2O-Emissionen aus Gärrest-N stammen. Aus den Ergebnissen der Feld-, Gefäß- und Inkubationsversuche lässt sich schließen, dass die Unterschiede in der Düngewirkung und in der Stabilität der organischen Substanz auf unterschiedliche Zusammensetzungen der Gärreste zurückzuführen sind. Die Unterschiede in der C-Mineralisierung hängen von der allgemeinen Abbaubarkeit der Gärreste ab, wie die C/N- und Faserfraktionen zeigen. Die Relevanz der Gärrest-Zusammensetzung für den Ertrag, die N-Wirkung und die Humuswirkung ist jedoch für die meisten Gärprodukte eher gering (z.B. Mais- oder Gülle-basiert), außer bei Gärprodukten mit sehr ausgeprägten Eigenschaften, wie beispielsweise aus Speiseresten oder Zuckerrüben.
Die 15N-Markierung zeigt, dass mehr als 50 % der N-Aufnahme durch die Kulturpflanzen aus dem Boden stammt, was die Bedeutung des Bodens-N-Vorrats für die N-Versorgung durch Mineralisierung unterstreicht. Nach mehreren Kulturzyklen und Düngungen scheint der Einfluss des Bodens auf die direkte N-Effizienz aus den Gärresten abzunehmen. Durch wiederholte Düngung und die zunehmende Mineralisierung von Norg aus den Gärrest-Feststoffen, stieg die anfänglich um 2,4-4,6 % niedrigere N-Verfügbarkeit des applizierten 15N aus der festen Fraktion, auf einen ähnlichen Bereich wie die N-Effizienz der flüssigen Fraktion (~31-24 %). Dies zeigt die Bedeutung des organischen Gärrest-N für die N –Nachlieferung und damit langfristige Düngewirkung. Die acht markierten Gärreste zeigten Unterschiede in der gesamten N Effizienz und den 15N-Rückgewinnung, was auf unterschiedliche Auswirkungen der Gärreste auf die N-Immobilisierung und Mineralisierung im Boden hinweist.
Die Ausbringung der 15N-Gärreste im Feld zeigt, dass mehr als 60 % der N2O-Emissionen aus dem N-Vorrat im Boden stammen. Der erste N2O-Anstieg nach Düngung enthielt hauptsächlich N aus dem Boden, vermutlich aufgrund der Denitrifikation von Nitrat, die durch die Zufuhr von organischer Substanz aus den Gärresten ausgelöst wurde. Spätere N2O-Anstiege folgten nach Regenfällen und enthielten dagegen mehr denitrifizierten Gärrest-N. Daraus lässt sich schließen, dass die Hauptquelle für N2O-Emissionen nach der Ausbringung von Gärresten der Boden ist, wahrscheinlich initiiert durch die zugeführte Kohlenstoffquelle. Darüber hinaus ist der Einfluss von Umweltfaktoren wie dem wassergefüllten Porenraum und dem Stickstoffvorrat im Boden auf die gesamten N2O-Emissionen von größerer Bedeutung als die Zusammensetzung der Gärreste.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass zwar die Gärrestzusammensetzung einen gewissen Einfluss auf ihre Wirkung als N-Dünger hat, jedoch der umfassendere Kontext der Umweltbedingungen und die Rolle des Boden N eine größere Bedeutung haben als das Ausgangsmaterial der Gärreste. Ein besseres Verständnis dieser Einflussfaktoren ist entscheidend für die Optimierung der Gärrest-Düngung in der Landwirtschaft und zur Minimierung negativer Umweltwirkungen.
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2024-10-14
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Häfner, F. (2025). Digestate Composition Affecting Nitrogen Fertilizer Value, Soil Carbon Mineralization, and Nitrous Oxide Emissions. https://doi.org/10.60848/13046
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630 Agriculture
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author = {Häfner, Franziska},
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