Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Agricultural soils constitute the base in human food production and soil content of organic matter and plant nutrients together with soil microbial activity are all important parameters for high crop yield of good quality. These parameters are dependant on proper fertilization.
Anaerobic digestion of organic wastes for biogas production generates a liquid residue called biogas residue (BR). It contains organic material and plant nutrients which makes it
a potential fertilizer for arable cropping. However, it also contains heavy metals and toxic organic compounds and it is therefore in need of evaluation before usage.
Microbial tests were performed aiming to evaluate the agronomic traits of four different BR and to find a viable procedure for evaluating slurry fertilizers. Two experiments where soil respiration and soil potential denitrification activity (PDA) was measured at fertilizer addition were performed. As controls pig slurry (PS) was used in both experiments along with a mixture of ammonium and glucose in the respiration experiment. In two follow up experiments soil PDA at addition of trace elements, extra glucose and heat treated PS were tested. All additions were based on fertilizer mineral nitrogen content and corresponded to
0-140 and 0-1120 kg NH4-N ha-1 in the respiration and PDA experiment, respectively.

A respiration peak was observed for the BRs immediately or within three days after fertilizer addition. After ten days the respiration of the BR had almost stopped. There were
differences between the BR but larger differences were observed when compared with the controls, which respired more and for a longer time. Characteristic data useful for determining the qualities of the fertilizers, were extracted from the respiration curves including (1) the utilization rate of carbon, (2) the time of respiration peak, (3) the height and (4) the slope of that peak and finally (5) the initial respiration rate. Practical difficulties with the experiment, mostly due to different additions of carbon with the fertilizers, were discussed.
All four BR stimulated soil PDA at low doses but inhibited soil PDA at high rates of addition. Differences between PS and BR were distinct as PS stimulated soil PDA at high
rates of addition. The follow up experiment indicated that this was due to denitrifying bacteria and enzymes present in the PS itself. This has not previously been shown but offers a potential explanation to the often observed evolution of N2O gas at PS fertilization. The heavy metal contents of the BR were proposed as the reason for their inhibition of PDA.

Overall the BR stimulated microbial processes in the soil to a lesser extent than the controls.
Since microbial activity often results in immobilization of plant nutrients, it might be easier to predict nutrient dynamics for BR compared to PS when added to soil. Furthermore, the BR behaved differently probably depending on their substrates and the anaerobic digestion process. Together with a number of other microbial tests, incubation experiments and C compound analyzes, soil respiration and soil PDA can be used for evaluating slurry fertilizers.

Jordbruksmark utgör basen för mänsklig livsmedelsförsörjning. Jordens förråd av organiskt
material och växtnäring samt dess mikrobiella aktivitet är viktiga parametrar för dess förmåga att ge höga skördar av god kvalitet. Rätt gödsling är avgörande för att underhålla
dessa parametrar. Framställning av biogas genom rötning av organiska substrat generar en flytande restprodukt, rötrest (RR) innehållande organiskt material samt växtnäring. Det ger den potential att användas som gödselmedel på åkermark. RR kan innehålla tungmetaller och toxiska organiska föreningar, varför den bör utvärderas innan användning.

En serie mikrobiella experiment utfördes i syfte att utvärdera fyra RR med avseende på deras gödselvärde och inverkan på jordkvalitet. Ett mer specifikt syfte var att finna en markmikrobiologisk procedur för utvärdering av RR från biogasprocessen. Jordens respiration och potentiella denitrifikationsaktivitet (PDA) vid tillsats av RR testades i två experiment.

Som kontroller användes svinflytgödsel (SF) i båda experimenten samt i respirationsexperimentet en blandning av ammonium och glukos. PDA i jord efter tillsats av
spårelement, extra glukos samt värmebehandlad SF testades i två uppföljande experiment.

Alla tillsatser baserades på halten mineralkväve i gödseln och motsvarade 0-140 samt 0-1120 kg NH4-N ha-1 i respirationsexperimentet respektive PDA-experimentet.
En respirationstopp återfanns för alla RR omedelbart eller inom tre dagar efter tillsats.

Efter tio dagar hade alla RR respiration i stort sett avstannat. Skillnader fanns mellan RR men skillnaderna var större gentemot kontrollerna, vilka respirerade mer och under längre tid. Karakteristiska parametrar, användbara för att särskilja gödselmedlens kvaliteter, kunde
identifieras i de uppkomna respirationskurvorna.

Parametrarna inkluderade (1) utnyttjandegraden
av tillsatt kol, (2) tid och (3) höjd för respirationstoppen, (4) lutningen på
stigningen innan toppen samt (5) initial respiration. Praktiska problem med respirationstestet diskuterades, vilka till stor del berodde på skillnader i mängd tillsatt kol.

Alla RR stimulerade jordens PDA vid låga doser men inverkade negativt på densamma vid höga doser. SF skilde sig markant från rötresterna och stimulerade jordens PDA vid
höga doser. De uppföljande experimenten indikerade att detta berodde på att SF i sig innehöll mikroorganismer och enzymer med denitrifierande förmåga, något som ej tidigare har visats men kan ge en förklaring till den i andra studier ofta uppmätta förhöjda avgång av lustgas vid spridning av SF. Innehållet av tungmetaller föreslogs som en anledning till den minskade denitrifikationen för RR.
Generellt sett stimulerade RR mikrobiell aktivitet i mindre omfattning än kontrollerna.

Eftersom mikrobiell aktivitet ofta immobiliserar växtnäring kan det betyda att det blir lättare att förutsäga RR växtnäringsvärde vid spridning i fält, i jämförelse med SF. Olika RR skilde sig åt, troligen beroende på substrat och rötningsprocess. Tillsammans med ett urval av andra mikrobiologiska testmetoder, samt inkubationsexperiment och analys av kolföreningar,kan markrespiration och PDA användas för utvärdering av flytande gödselmedel.