Einschluss eines Tannins

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 14220 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Ziel dieser Studie war es, die Emission von Lachgas (N2O), Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) sowie die Isotopenzusammensetzung von N2O aus den Ausscheidungen von Rinderochsen zu bestimmen, die mit „AU Grazer“-Sericea-lespedeza-Heu gefüttert wurden [SL; Lespedeza cuneata (Dum. Cours.) G. Don]. Fünfzehn gekreuzte Brahman × Angus-Ochsen wurden mit einer von drei experimentellen Diäten gefüttert: 0, 50 oder 100 % Einschluss von SL in „Tifton 85“-Bermudagras-Heu (Cynodon spp.). Die Gasentnahme erfolgte an den Tagen 0, 1, 3, 5, 7, 14, 18, 25 und 32 nach der Anwendung von Urin oder Fäkalien in statischen Kammern über zwei Versuchszeiträume. Auswirkung des Tages nach der Kotapplikation (P < 0,001), während Tag × Einbeziehung der SL-Wechselwirkung im Urin (P < 0,001) für alle analysierten Treibhausgase (THG) beobachtet wurde. Spitzenwerte für die Emission aller Treibhausgase im Urin und im Kot traten in den ersten Tagen auf (P < 0,001), wobei die Tage 3 und 5 den höchsten Anteil an 15N-N2O im Kot aufwiesen und die Tage 3, 5 und 7 im Urin (P < 0,001). 0,001). Die Verfütterung von SL an Rinderochsen konnte die Treibhausgasemissionen aus den Ausscheidungen wirksam verringern, es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um die Mechanismen hinter den Reduzierungen zu untersuchen.

Anthropogene Aktivitäten haben natürliche Umweltprozesse verändert, indem sie die atmosphärischen Konzentrationen der wichtigsten Treibhausgase (THG) erhöht haben, unter anderem durch die Ausweitung landwirtschaftlicher Aktivitäten1. Im Jahr 2021 wurde ein weltweiter Rinderbestand von 1 Milliarde Tieren gemeldet2, wobei sowohl magensaftresistente Fermentation als auch Gülle den größten Beitrag zu Methan (CH4) und Lachgas (N2O)3 leisteten.

Gülle ist aufgrund des Vorhandenseins organischer Verbindungen und deren Zersetzung unter anaeroben Bedingungen eine bedeutende Treibhausgasquelle in Grünland4. Anaerobe Bakterien zersetzen das organische Material unter Freisetzung von CH4, während Wechselwirkungen verschiedener N-Quellen den N-Kreislauf beeinflussen und dadurch die täglichen N2O5-Flüsse beeinflussen. Die Hauptsorge besteht darin, dass die Menge an N in den in einem bestimmten Gebiet abgelagerten Ausscheidungen den unmittelbaren Pflanzenbedarf übersteigt und der überschüssige N durch Nitratauswaschung und N2O6,7 verloren geht.

Ernährungsumstellungen sind eine Strategie zur Änderung der Intensität und Häufigkeit der Prozesse, die zur Entstehung und Emission von Treibhausgasen in den Ausscheidungen von Wiederkäuern führen. Die Ernährung der Tiere sowie die Futterqualität und -menge können Einfluss auf die N-Konzentration im Urin und Kot haben. Futterleguminosen beispielsweise liefern eine Vielzahl sekundärer Metaboliten wie Tannine, die die Pansengärung modulieren können8. Kondensierte Tannine (CT) binden an Nahrungsprotein und schützen es vor dem Abbau im Pansen. Dadurch erhöhen sie die Aufnahme von Aminosäuren durch den Dünndarm und die Ausscheidung von N im Kot9. Darüber hinaus wurde berichtet, dass natürliche stickstoffhaltige Verbindungen im Urin von Rindern die N2O-Bildungsprozesse im Boden hemmen10,11,12, Tannine würden jedoch den Anteil dieser Verbindungen beeinflussen, was folglich die N2O-Emissionen beeinflussen kann13.

Statische Kammern sind eine häufig verwendete Technik zur Messung von Treibhausgasflüssen aus Böden. Aufgrund der heterogenen Natur der Flüsse14 bestehen jedoch Unsicherheiten hinsichtlich der Größe, Verteilung und des zeitlichen Musters der natürlichen und anthropogenen Quellen. Dies schränkt die Genauigkeit der Ergebnisse und Vergleiche zwischen Studien verschiedener Standorte ein. In diesem Zusammenhang können die Analysen der natürlichen Häufigkeit stabiler Isotope aus den Gasen in der Atmosphäre einen starken Verbündeten bei der Schätzung der Treibhausgasbilanzen darstellen15, da die Prozesse der Treibhausgasbildung und -sequestrierung spezifische Verhältnisse von schweren zu leichten Isotopen aufweisen16.

Wir stellten die Hypothese auf, dass die Aufnahme einer tanninreichen Hülsenfrucht in die Ernährung von Rindern die Emission von N2O, CH4 und CO2 aus ihren Ausscheidungen verringern würde, was auf die Verschiebung der N-Ausscheidung vom Urin in den Kot und auf den Einfluss von Tanninen auf die Methanogenese zurückzuführen ist . Darüber hinaus würden Urin und Kot unterschiedliche Emissionsfaktoren und Isotopenzusammensetzungen von N2O aufweisen, was eine Quellenzuordnung zu den Emissionen ermöglichen würde. Ziel dieser Studie war es daher, die Nettoemissionen von N2O, CH4 und CO2 aus den Ausscheidungen von Rindern abzuschätzen, die mit tanninreichen Futterhülsenfrüchten gefüttert wurden, sowie den Emissionsfaktor von N2O und die Isotopenzusammensetzung von N2O zu bestimmen.

Der Probenahmetag hatte einen Einfluss auf die N2O-Emissionen aus dem Kot, wobei die ersten 5 Tage im Vergleich zu den übrigen Tagen höhere Emissionen aufwiesen (P < 0,001) und die mittleren Emissionen am 14. Tag auftraten (Abb. 1a). Für Urin wurde eine Wechselwirkung zwischen der SL-Einschlussmenge und dem Tag der N2O-Emissionen beobachtet (P < 0,001), wobei die Emissionen an den Tagen 1, 3 und 5 nach der Urinanwendung (Abb. 1b, P < 0,001) und der Behandlung signifikant höher waren Der 100SL wies die geringsten Emissionen auf.

Netto-N2O-Fluss, emittiert durch (a) Kot von Rindern, die mit Sericea lespedeza [SL; Lespedeza cuneata (Dum. Cours.) G. Don], wobei die Werte den Durchschnitt von drei Diäten (0, 50 oder 100 % SL) in zwei Versuchszeiträumen darstellen und die Mittelwerte, gefolgt von unterschiedlichen Buchstaben, zwischen den Probenahmetagen (Pday < 0,001); und (b) Urin von Rindern, die mit 0 SL, 50 SL oder 100 SL gefüttert wurden, wobei ein Sternchen Unterschiede zwischen den Futtern innerhalb eines Tages anzeigt (PSL*Tag < 0,001). Balken beziehen sich auf die Standardabweichung. Die gestrichelte Linie stellt Bodenemissionen (keine Ausscheidungen) dar.

Die höchsten N2O-Emissionen im Kot traten 5 Tage nach der Anwendung bei allen Futtermitteln auf (0,12, 0,07 und 0,08 mg m-2 d-1 für 0SL, 50SL bzw. 100SL) und sanken nach 18 Tagen auf ähnliche Hintergrundemissionen (0,05 mg). m−2 d−1, P > 0,05). Andererseits traten die maximalen N2O-Emissionen im Urin früher auf (1 oder 3 Tage nach der Anwendung; 0,08, 0,06 und 0,05 mg m−2d−1 für 0SL, 50SL bzw. 100SL), dauerten aber länger (25 Tage). Reduzierung auf Hintergrundemissionen (0,02 mg m-2 d-1, P > 0,05), obwohl ab Tag 7 keine signifikanten Unterschiede zwischen den SL-Werten beobachtet wurden.

Es gab Auswirkungen des Tages (P < 0,001) auf die δ15N-Zusammensetzung von Urin und Kot aus N2O (Abb. 2). Der stärkste N2O-Abbau an δ15N trat an den Tagen 3 und 5 für beide Arten von Ausscheidungen auf (−4,2 und −8,2 ‰ für Kot und −2,2 und −5,2 ‰ für Urin).

δ15N-Isotopenzusammensetzung von N2O, emittiert von (a) Kot von mit Sericea lespedeza gefütterten Ochsen [SL; Lespedeza cuneata (Dum. Cours.) G. Don], wobei die Werte den Durchschnitt von drei Diäten (0, 50 oder 100 % SL) in zwei Versuchsperioden darstellen und die Mittelwerte, gefolgt von unterschiedlichen Buchstaben, zwischen den Probenahmetagen (Pday < 0,001); und (b) Urinfleck von Rindern, die mit 0 SL, 50 SL oder 100 SL gefüttert wurden, wobei ein Sternchen Unterschiede zwischen den Futtern innerhalb eines Tages anzeigt (PSL*Tag < 0,001). Balken beziehen sich auf die Standardabweichung. Die gestrichelte Linie stellt Bodenemissionen (keine Ausscheidungen) dar.

Es gab Auswirkungen des Probenahmetages auf die CH4- und CO2-Emissionen aus dem Kot (Abb. 3a bzw. 4a; P < 0,001) und die Wechselwirkung zwischen SL-Einschluss und Tag auf die Emissionen aus dem Urin (Abb. 3b bzw. 4b; P < 0,001). Für CH4 trat der Höhepunkt im Kot am ersten Tag nach der Ausbringung der Exkrete auf, wobei an den anderen Tagen keine signifikanten Unterschiede zwischen den Mengen an SL-Einschlüssen beobachtet wurden. Im Urin unterschied sich die CH4-Emission zwischen den SL-Spiegeln nur am ersten Tag nach der Anwendung, wobei die größte Emission bei der Behandlung mit 0 SL (0,0006 mg m−2 d−1) und die geringste bei der Behandlung mit 100 SL (− 0,0004 mg m−1) festgestellt wurde 2 d−1). Darüber hinaus wurden am 18. Tag nach der Anwendung des Urins negative CH4-Peaks beobachtet, unabhängig vom Grad des SL-Einschlusses, der am 25. Tag wieder auf den Hintergrundwert zurückging.

Nettofluss von CH4, emittiert durch (a) Kot von Rindern, die mit Sericea lespedeza [SL; Lespedeza cuneata (Dum. Cours.) G. Don], wobei die Werte den Durchschnitt von drei Diäten (0, 50 oder 100 % SL) in zwei Versuchszeiträumen darstellen und die Mittelwerte, gefolgt von unterschiedlichen Buchstaben, zwischen den Probenahmetagen (Pday < 0,001); und (b) Urin von Rindern, die mit 0 SL, 50 SL oder 100 SL gefüttert wurden, wobei ein Sternchen Unterschiede zwischen den Futtern innerhalb eines Tages anzeigt (PSL*Tag < 0,001). Balken beziehen sich auf die Standardabweichung. Die gestrichelte Linie stellt Bodenemissionen (keine Ausscheidungen) dar.

Netto-CO2-Fluss, emittiert durch (a) Kot von Rindern, die mit 0, 50 oder 100 % Sericea lespedeza [SL; Lespedeza cuneata (Dum. Cours.) G. Don], wobei die Werte den Durchschnitt von drei Diäten (0, 50 oder 100 % SL) in zwei Versuchsperioden darstellen und die Mittelwerte, gefolgt von unterschiedlichen Buchstaben, zwischen den Probenahmetagen (Pday < 0,001); und (b) Urin von Rindern, die mit 0 SL, 50 SL oder 100 SL gefüttert wurden, wobei ein Sternchen Unterschiede zwischen den Futtern innerhalb eines Tages anzeigt (PSL*Tag < 0,001). Balken beziehen sich auf die Standardabweichung. Die gestrichelte Linie stellt Bodenemissionen (keine Ausscheidungen) dar.

Der CO2-Spitzenwert im Kot trat am Tag 1 nach der Ausbringung der Exkrete auf (P < 0,001), unabhängig vom SL-Spiegel, und am 18. Tag wurden Reduzierungen auf die Hintergrundwerte erreicht (Abb. 4b). Obwohl der Spitzenwert im Urin am selben Tag (Tag 1) für die Behandlung mit 100 SL beobachtet wurde, trat der CO2-Spitzenwert für die Behandlungen mit 0 SL und 50 SL jeweils 5 bzw. 14 Tage nach der Ausscheidungsanwendung auf.

Die im Kot beobachtete Stickstoffkonzentration betrug 1,6, 2,2 und 2,8 %, während sie im Urin 0,19, 0,24 bzw. 0,58 % für 0SL, 50SL und 100SL betrug (Tabelle 1).

Die kumulativen N2O-Emissionen aus Fäkalien betrugen 2,02, 1,09 und 0,84 mg m-2 für 0SL, 50SL und 100SL, was einen negativen linearen Effekt des Einschlusses von SL darstellt (P = 0,01; Tabelle 2). Im Urin betrugen die kumulativen Emissionen 1,44, 0,23 und 0,02 mg m-2 für 0SL, 50SL bzw. 100SL, was ebenfalls einen negativen linearen Effekt der Einbeziehung von SL darstellt (P = 0,01). Der Emissionsfaktor von N2O (EFN2O) für jede SL-Einschlussstufe in jeder Art von Ausscheidungen ist in Tabelle 2 beschrieben.

Bei Zugabe von SL wurde ein linearer Rückgang der kumulativen CH4-Emissionen in Kot und Urin beobachtet (P = 0,03 bzw. P = 0,04). Im Kot wurde eine negative kumulative Emission bzw. Aufnahme von CH4 durch den Einschluss von 100 % SL (− 0,004 mg m−2) nachgewiesen, während im Urin der Einschluss von 50 % SL die geringste Emission (bzw. größte Aufnahme) ergab ) in 32 Tagen (− 0,013 mg m−2). Die kumulative CO2-Emission in Kot und Urin folgte einem ähnlichen Muster wie bei CH4, mit einer linearen CO2-Aufnahme unter Einbeziehung von SL (P = 0,03) für beide Exkrementarten, wobei die geringsten Emissionen für 100 SL aus der Nahrung beobachtet wurden (15,51 und). 8,93 mg m−2 für Kot bzw. Urin).

In einer Begleitstudie haben wir gezeigt, dass ein großer Anteil des CT aus SL an Proteine und Ballaststoffe im Kot von mit 100 SL gefütterten Tieren gebunden war, was zu einer geringeren offensichtlichen Verdauung dieser Nährstoffe im Gesamttrakt führte als bei Tieren, die nur Gras ernährten17. Somit wurden die Enzymverdauung des Wirts und die intestinale Absorption von Aminosäuren durch die CT-Bindungsfähigkeit im gesamten Magen-Darm-Trakt gehemmt, was auch zu einer höheren N-Konzentration im Kot von Tieren, denen 100 SL verabreicht wurden, als im Kot von Tieren, die mit 0 SL gefüttert wurden, beitrug. Darüber hinaus könnte die stärkere Ausscheidung von N im Kot einen erheblichen Beitrag von endogenem metabolischem N bei der Zugabe von CT in die Nahrung geleistet haben18, was mit den Studien von Komolong et al.19 und Carulla et al.8 übereinstimmt.

Eine höhere N-Konzentration im Urin von Tieren, die mit 100 SL gefüttert wurden, als mit 50 SL und 0 SL, kann auch auf eine hohe CP-Aufnahme zurückzuführen sein. Eine hohe CP-Aufnahme ohne gleichzeitige Erhöhung der Energieversorgung führt zu einer Überlastung der Pansenmikroben und erhöht die Ammoniakproduktion im Pansen, was dazu führt, dass bei Tieren, die mit 100SL gefüttert werden, mehr Ammoniak von der Pansenwand absorbiert wird als mit 0SL20. Dadurch wurde bei Tieren, die mit 100 SL gefüttert wurden, proportional mehr Ammoniak in Harnstoff umgewandelt und mit dem Urin ausgeschieden als bei Tieren, die mit den anderen Diäten gefüttert wurden21. Broderick22 gibt an, dass die Fütterung von Wiederkäuern ausschließlich mit Hülsenfrüchten zu einer intensiven Harnstoffproduktion führen kann, was die N-Ausscheidung im Urin erhöht und somit die N-Retention der Tiere verringert. Dies liegt daran, dass die Geschwindigkeit der Ammoniakproduktion im Pansen die Geschwindigkeit der Nutzung durch Mikroorganismen übersteigt23 und wenn es nicht als mikrobielles Protein im Pansen eingefangen wird, durchläuft es den Ureageneseprozess in der Leber.

Beauchemin et al.24 ergänzten eine zu 70 % aus Grünfutter bestehende Ernährung mit 1 und 2 % Tanninen aus Quebracho (Schinopsis lorentzii) und berichteten über eine Abnahme der CP-Verdaulichkeit sowie einen geringeren N-Urinanteil als Anteil der gesamten N-Ausscheidung, wenn CT einbezogen wurde . Sie beobachteten auch einen Anstieg der fäkalen N-Ausscheidung im Verhältnis zur gesamten N-Ausscheidung, wobei CT stärker in die Ernährung einbezogen wurde, was auf endogene und mikrobielle Beiträge zurückgeführt wurde, und nicht auf eine tatsächliche Abnahme des N im Urin.

Der EFN2O aus Urin ist in der Regel größer als der EFN2O aus Fäkalien25,26, da er den N in N2O als Prozentsatz des insgesamt verabreichten N27 darstellt. Daher wird empfohlen, für jede Art von Ausscheidungen einen EF zu entwickeln. In unserer Studie war der EFN2O von Kot oder Urin von Tieren, die mit SL gefüttert wurden, niedriger als im Kot oder Urin von Tieren, die mit 0SL gefüttert wurden. Darüber hinaus entsprach nur EFN2O aus Fäkalien von Tieren, die mit 0SL gefüttert wurden, den in der Verfeinerung des IPCC 201928 angegebenen Standardwerten, die auf spezifischen Wetterbedingungen und Bodeneigenschaften basierten und weltweite Schätzungen falsch darstellen könnten.

Der fehlende Effekt des Einschlusses von SL in den N2O-Fluss aus Fäzes wurde hauptsächlich durch das Vorhandensein von organischem N in Verbindung mit dem gebundenen CT5,17 verursacht. Die N2O-Flüsse aus Urinpflastern sind im Allgemeinen größer als die Flüsse aus Fäkalien, da Harnstoff schneller hydrolysiert wird als organisches N5. Eine Überprüfung21 zeigte, dass bis zu 3,8 % des N im Urin gegenüber nur bis zu 0,7 % des N im Stuhl in Form von N2O in die Atmosphäre abgegeben werden könnten. Allerdings sind in der aktuellen Studie die geringeren kumulativen Emissionen aus Urinflecken als aus Fäkalienhaufen wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass Urin als eine andere Verbindung, wie etwa flüchtiges Ammoniak, emittiert wurde.

Der Fäkalienhaufen fungiert als organischer Dünger für den Boden und die Nährstoffverfügbarkeit ist eine Schlüsselkomponente für die Bodenmikrobiota. Nach dem von Firestone und Davidson29 vorgeschlagenen „Hole-in-the-pipe“-Modell hängt die Größe der N2O-Produktion hauptsächlich von der Verfügbarkeit von N im Boden ab. Daher führten die Verfügbarkeit von mineralischem N (NH4+ und NO3−) sowie die Verfügbarkeit von labilem Kohlenstoff bei allen Behandlungen in den ersten Tagen zu höheren N2O- und CO2-Emissionen, hauptsächlich durch die Aktivierung mikrobieller Populationen30. Die Ablagerung frischer Ausscheidungen löste in den ersten Tagen eine Denitrifikation aus, die auf mehr Feuchtigkeit, Stickstoff und andere Nährstoffe zurückzuführen war. Darüber hinaus könnte es auch zu Nitratauswaschungsverlusten gekommen sein, die teilweise zu indirekten N2O-Emissionen beitragen, wenn Nitrat in Oberflächengewässern denitrifiziert wird31,32.

Laut Franzluebbers und Steiner33 sind auch Temperatur, Luftfeuchtigkeit und anorganisches N im Boden ausschlaggebend für die Größe der N2O-Emissionen. In der aktuellen Studie könnten Niederschlagsereignisse nach der Ausbringung von Exkrementen den Anteil des wassergefüllten Porenraums (WFPS) beeinflusst und anaerobe Bedingungen geschaffen haben. Daher begünstigten die Anaerobiose und die erhöhten N- und C-Werte im Boden aufgrund der Ablagerung von Exkrementen die Nitrifizierung, die Denitrifizierung von Nitrifikanten und die Denitrifizierung, was zu einer höheren Produktion und Emissionen von Treibhausgasen führte34,35. Später wurde bei erhöhten Temperaturen im Sommer in Florida ein schnelles Austrocknen des Kots und die Bildung einer oberflächlichen Kruste beobachtet4, was auch dazu geführt haben könnte, dass der N2O-Fluss aus dem Kot ab Tag 5 abnahm.

Es wurde gezeigt, dass Gasverluste in einem linearen Zusammenhang mit δ15N im Boden stehen, mit großen Fraktionierungsfaktoren, wenn NO3− in der Denitrifikationsreaktion vollständig verbraucht wird36. Die gemeldeten δ15N-Werte für Boden und aus dem Boden emittiertes N2O liegen typischerweise zwischen 0 und −40 ‰37,38,39,40, was auf eine große Variation bei der Erschöpfung von 15N im Gasverlustpfad hinweist. In unserer Studie war der δ15N-Wert von N2O stärker erschöpft, wenn die Emissionen intensiver waren (erste Tage nach der Ausbringung der Exkremente), was durch die starke Fraktionierung der Ammoniakverflüchtigung und die Intensivierung des Denitrifikationsprozesses dargestellt wird41. Dieser Trend stützt die Hypothese, dass mehr N aus dem Urin als Ammoniak verloren ging als N2O.

Kool et al.11 zeigten, dass synthetischer Urin mit hoher Hippursäurekonzentration die N2O-Emissionen um bis zu 50 % reduzierte. In jüngerer Zeit führten Zhou et al.13 die stärkere Verringerung der N2O-Emissionen aus dem Urin auf den Zusatz von Gerbsäure im Futter von Rindern zurück. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass das erhöhte Verhältnis von Hippursäure-N/Urin-N eine hemmende Wirkung auf die N2O-Emissionen hatte, die Wirkung der Gerbsäure jedoch bei höheren Rohproteinwerten deutlicher war. Obwohl wir diese Verbindungen nicht im Urin bestimmt haben, haben aromatische Verbindungen aus CT, die im Urin von mit 100 SL gefütterten Tieren vorhanden waren, möglicherweise die Nitrifikationsprozesse im Boden bis zu einem gewissen Grad gehemmt42, was zu geringeren N2O-Emissionen führte.

Die kumulierten Emissionen aller drei bewerteten Treibhausgase waren unabhängig von der Art der Ausscheidungen bei Tieren, die mit 0 SL gefüttert wurden, höher als mit 100 SL. Allerdings waren die CH4-Flüsse nach einigen Tagen der Ausbringung der Ausscheidungen negativ, was auf eine Aufnahme aus dem Boden hindeutet. Darüber hinaus waren mehr als 65 % der gesamten Treibhausgasemissionen bis zum siebten Tag emittiert worden, was zeigt, dass die Emissionen unmittelbar nach der Fäkalienablagerung relevanter sind43.

Methanemissionen aus Exkrementen entstehen hauptsächlich aufgrund der Zersetzung von Fäkalien durch methanogene Organismen unter günstigen anaeroben Bedingungen44. So konnten in den ersten Tagen nach der Ausbringung von Exkrementen, unabhängig von der Art, größere CH4-Flüsse beobachtet werden, die denen ähneln, die in der Literatur auf tropischen Weiden beobachtet wurden25,45. Die Methanogenese wurde wahrscheinlich durch die hohe Feuchtigkeit des Bodens in den ersten Tagen begünstigt und nahm tendenziell ab, wenn die Feuchtigkeit der Ausscheidungen auf natürliche Weise abnahm, es kaum Niederschläge gab und Nährstoffe ausgewaschen und durch Mikroorganismen verbraucht wurden45. CT wurde jedoch mit einem direkten negativen Effekt auf Methanogene in Verbindung gebracht46, was möglicherweise zu einer eingeschränkten Methanogenese in den Ausscheidungen von mit SL gefütterten Tieren führte, was die lineare Reduzierung von 0 auf 100 % der Aufnahme der Hülsenfrucht in die Nahrung erklärt.

Zusammenfassend zeigte diese Studie, wie sich die Ernährung des Tieres, die Art der Ausscheidungen und die Wetterbedingungen auf die Treibhausgasflüsse auf Weiden mit warmem Klima in Nordflorida auswirkten. Daher war die Fütterung von Rinderochsen SL wirksam bei der Minderung der Emission von N2O, CH4 und CO2 aus ihren Ausscheidungen für 32 Tage nach der Ablagerung im Boden. Darüber hinaus verringerte sich der EFN2O der Exkremente durch die Einbeziehung von tanninreichen Hülsenfrüchten, Kot und Urin sollten jedoch aufgrund spezifischer Unterschiede in den einzelnen Studienbedingungen (Ernährung, Boden, Niederschlag) getrennt betrachtet werden. Somit würde die Einführung spezifischer EFN2O für Länder und Regionen eine Überschätzung der globalen Emissionen aus der Viehwirtschaft vermeiden. In der aktuellen Studie wurde mehr N über die Ausscheidungen von Tieren, die mit SL-Heu gefüttert wurden, hinzugefügt, wodurch die N2O-Emissionen im Vergleich zu den Ausscheidungen von Tieren, die nur mit Grasheu gefüttert wurden, reduziert wurden. Das δ15N folgte einem ähnlichen Muster der N2O-Flüsse, das bei hohen Freisetzungsraten aufgrund der Aktivität von Bodenmikroorganismen nach der Ausscheidungsausbringung stärker abgebaut wurde. Weitere Forschung ist erforderlich, um die Mechanismen hinter den verringerten Verlusten zu verstehen, während Studien mit zusätzlichen Isotopenmessungen, wie z. B. Wasserstoffisotopen, Schätzungen von Emissionen und atmosphärischen Modellen erleichtern würden.

Die Studie folgte allen vom University of Florida Institutional Animal Care and Use Committee (Protokoll Nr. 201810218) genehmigten Verfahren und alle Methoden wurden in Übereinstimmung mit den relevanten Richtlinien und Vorschriften durchgeführt. Dieses Manuskript wird gemäß den ARRIVE-Richtlinien veröffentlicht.

Das Experiment wurde im North Florida Research and Education Center (NFREC) der University of Florida in Marianna, FL (30°52′ N, 85°11′ W, 35 m ü. M.) auf einer Weide aus „Pensacola“-Bahiagras durchgeführt (Paspalum notatum Flüggé). Der Boden am Versuchsstandort wird als lehmiger Orangeburg-Sand (fein-lehmig-kaolinitischer, thermisch typischer Kandiudults) mit einem durchschnittlichen pH-Wert von 6,5 klassifiziert. Die durchschnittlichen mit Mehlich-I extrahierbaren P-, K-, Mg- und Ca-Konzentrationen betrugen 13, 45, 31 bzw. 245 mg kg−1. Die organische Substanz im Boden betrug 6,3 g kg−1 und die geschätzte Kationenaustauschkapazität betrug 2,8 meq 100 g−1. Die Studie wurde über zwei Versuchszeiträume von jeweils 32 Tagen durchgeführt, die durch ein 15-tägiges Intervall getrennt waren (Zeitraum 1: vom 08.06.2018 bis 10.07.2018; Zeitraum 2: vom 25.07.2018 bis 08.08.2018). 27/2018). Die durchschnittlichen, maximalen und minimalen Temperaturen und Niederschläge für die Versuchszeiträume sind in Abb. 5 dargestellt.

Marianna (FL) Station des Florida Automated Weather Network (FAWN) Daten von (a) wöchentlichen Niederschlags- und Temperaturdaten aus zwei Versuchszeiträumen und (b) akkumulierten monatlichen Niederschlagsmengen (mm) und Durchschnittstemperaturen (°C). Zeitraum 1: vom 06.08.2018 bis 07.10.2018; Zeitraum 2: vom 25.07.2018 bis 27.08.2018.

Fünfzehn Brahman × Angus-Mischlinge [Periode 1: 324 ± 26 kg anfängliches Körpergewicht (BW); Periode 2: 336 ± 30 kg KG] wurden zufällig auf drei experimentelle Diäten verteilt: 0, 50 oder 100 % (wie gefüttert) Einschluss von „AU Grazer“-Sericea-lespedeza-Heu [SL; Lespedeza cuneata (Dum. Cours.) G. Don] in „Tifton 85“-Bermudagras-Heu (BG; Cynodon spp.) aufgenommen (Tabelle 3) und als Spender von Exkrementen (Urin und Kot) verwendet. In einer Begleitstudie17 wurden Ochsen 21 Tage lang in zwei Fütterungsperioden gefüttert, und die in der aktuellen Studie verwendeten Exkremente wurden jeweils an den letzten beiden Versuchstagen gesammelt. Alle Methoden wurden in Übereinstimmung mit den relevanten Richtlinien und Vorschriften durchgeführt.

Die Treibhausgasemissionen wurden mithilfe der statischen Kammertechnik (instationärer Zustand)14 bewertet. Die Kammern waren kreisförmig mit einem Radius von 30 cm und bestanden aus einer Basis und einem Deckel, beide aus PVC47. Die Deckel wurden zur Isolierung mit reflektierendem Klebeband umwickelt und für die Gasprobenahme wurde ein Gummiseptum hinzugefügt48. Die Basis war mit einem 10 cm langen Kupfer-Entlüftungsrohr ausgestattet, um während der Messungen einen ausreichenden Luftdruck in der Kammer sicherzustellen49,50. Deckel und Boden wurden für die Gasprobenahme geschlossen gehalten, indem ein Fahrradreifenschlauch angebracht wurde, der die Teile dicht miteinander verschloss.

Zwei Wochen vor der Ausbringung der Exkremente wurden in der nicht beweideten Bahiagras-Weide Kammersockel installiert, um jegliche Auswirkungen von Bodenstörungen auf die Treibhausgasemissionen zu vermeiden51. Die Sockel wurden in einer Tiefe von 8 cm installiert, wobei 5 cm über den Boden hinausragten. Die Einbautiefe wurde auf Grundlage von Clough et al.48 bestimmt. Die Kammeroberseiten hatten eine Höhe von 22 cm, was zusammen mit 5 cm Boden eine Gesamthöhe von 27 cm ergab, was mit der Angabe einer Kammerhöhe von ≥ 40 cm pro Einsatzstunde übereinstimmt48. Für den zweiten Versuchszeitraum wurden, ebenfalls zwei Wochen vor Beginn der neuen Gasprobenahmen, neue Stützpunkte in der Nähe derselben Weide installiert.

Die in den Kammern angewendeten Behandlungen bestanden entweder aus Kot oder Urin innerhalb einer der drei Einschlussebenen von SL-Heu, das an die Rinderochsen verfüttert wurde, und wurden als vollständig randomisierte Blockanordnung verteilt. Urin und Kot wurden direkt von jedem Tier durch spontanes oder stimuliertes Urinieren und Stuhlgang gesammelt und in einer Menge von 2 l Urin und 2 kg Kot aufgetragen, als typische Mengen, die von Rindern für den Bereich der Kammer ausgeschieden werden5,52. Um die benötigten Exkrementmengen zu erhalten, wurden die Proben zweimal täglich (700 und 1500 Stunden) entnommen und die Proben bis zum nächsten Morgen (Tag 0 der Gasprobenahme) bei 4 °C gekühlt aufbewahrt. Proben jedes Exkrementtyps wurden von allen fünf Tieren innerhalb jeder SL-Diät zusammengestellt, was zu drei endgültigen Teilproben führte (Urin und Kot aus jeder der drei SL-Diäten). Die Exkrementproben wurden 2 Stunden vor der Einbringung in die Kammern bei Raumtemperatur gehalten und ihre chemische Zusammensetzung ist in Tabelle 1 beschrieben.

Die Ausbringung von Exkrementen in den Kammern erfolgte einmal in jedem Versuchszeitraum auf der Bodenoberfläche innerhalb des durch den Kammerboden bestimmten Bereichs (0,28 m253). Gegebenenfalls wurde vor jedem Probenahmetag Gras im Kammerbereich auf Bodenhöhe gemäht. Die Gasprobenentnahme erfolgte zwischen 09:00 und 11:00 Uhr, wenn die Temperatur als repräsentativer für den Tagesdurchschnitt47 an den Tagen 0, 1, 3, 5, 7, 14, 18, 25 und 32 nach der Ausscheidungsanwendung für beide Versuchszeiträume angesehen wird. Pro Einsatzzeit und Kammer wurde eine Teilprobe entnommen, getrennt durch 15-Minuten-Intervalle (T0, T15 und T30). Bei T0 wurde eine Probe aus dem Bereich direkt über der Bodenoberfläche entnommen54. Unmittelbar danach wurden die Kammern fest verschlossen, indem der Deckel mit dem Fahrradschlauch am Boden befestigt wurde, gefolgt von den nächsten Probenentfaltungszeiten. Alle Proben wurden mit einer 60-ml-Spritze gesammelt und sofort in ein vorvakuumiertes 30-ml-Glasfläschchen gespült. Das Fläschchen war mit einem Butylkautschukstopfen ausgestattet und mit einem Aluminiumseptum verschlossen. Die Proben wurden unmittelbar nach Abschluss jedes Versuchszeitraums analysiert.

Gasprobenanalysen wurden mit einem Gaschromatographen (Trace 1310 Gas Chromatograph, Thermo Scientific, Waltham, MA) durchgeführt. Für N2O ein Elektroneneinfangdetektor (350 °C) und eine Kapillarsäule (J&W GC-gepackte Säule in Edelstahlrohr, Länge 6,56 Fuß (2 m), 1/8 Zoll Außendurchmesser, 2 mm Innendurchmesser, Hayesep D-Packung, Maschenweite). Größe 80/100, vorkonditioniert, Agilent Technologies) verwendet. Methan wurde mit einem Flammenionisationsdetektor (250 °C) und einer Kapillarsäule (J&W PoraBOND Q GC Column, Agilent Technologies) analysiert. Für CO2, ein Wärmeleitfähigkeitsdetektor (200 °C) und eine Kapillarsäule [J&W GC-gepackte Säule in Edelstahlrohr, Länge 7 Fuß (2,13 m), 1/8 Zoll Außendurchmesser, 2 mm Innendurchmesser, Haysep N-Packung, Maschenweite 60/80, vorkonditioniert, Agilent Technologies] verwendet. Die Temperatur des Injektors und der Säulen betrug 80 bzw. 200 °C.

Die stündlichen Gasflüsse (mg N2O oder CH4 oder CO2 pro m−2 h−1) wurden nach Cardoso et al.55 berechnet:

wobei δC/δt die Änderung der Gaskonzentration in der Kammer während der Einsatzzeit ist; V und A sind das Kammervolumen bzw. die von der Kammer abgedeckte Bodenfläche; M ist das Molekulargewicht des Gases; und Vm ist das molekulare Volumen des Gases. Der Vm-Parameter wurde auf die Standardbedingungen von Temperatur und Druck wie folgt korrigiert: Vm = 0,02241 × (273,15 + Tc/273,15) × p0/p1, wobei 0,02241 das Molvolumen (m3) und Tc die Temperatur im Kopfraum der Kammer zum Zeitpunkt der Probenahme ist ( °C), p0 ist der Luftdruck auf Meereshöhe und p1 ist der lokale Druck, der anhand der barometrischen Gleichung berechnet wird. Der minimal nachweisbare Fluss betrug 0,012 ppb min-1 für N2O, 0,004 ppm min-1 für CH4 und 1,40 ppm min-1 für CO2.

Die täglichen N2O-, CO2- und CH4-Emissionen wurden durch Multiplikation der Flüsse mit 24 Stunden berechnet und die kumulativen Emissionen wurden durch Integration der Flüsse über jeden Tag (Fläche unter der Kurve) geschätzt und pro Zeitraum gemittelt. Der als N2O verlorene N-Anteil in den Ausscheidungen, der als Emissionsfaktor (EF) bezeichnet wird, wurde nach folgender Gleichung berechnet:

wobei \({\text{EF}}_{{{\text{N}}_{{2}} {\text{O}}}}\) der Emissionsfaktor von N2O ist; N2O-Nemitted ist die kumulative N2O-N-Emission aus der Kammer mit Exkrementen (mg m−2); N2O-Nblank sind die kumulierten N2O-N-Emissionen aus den Rohlingen (Kammer ohne abgelagerte Exkremente; mg m−2); und Napplied ist die N-Anwendungsrate im Urin oder Kot (mg m−2).

Eine Teilprobe (12 ml) des gesammelten Gases wurde in evakuierte Extainer (Labco, UK) überführt. Exetainer wurden mit einer Doppelnadel durchstochen und unter Verwendung eines Autosamplers (Gilson GX-271, Gilson Inc, WI) 6 Minuten lang mit einem hochreinen He-Strom (12 ml/min) gespült. Während des Spülens wurden die Proben in eine Vorkonzentrationseinheit (Trace Gas, Hanau, Deutschland) überführt, die mit Glasfallen (Außendurchmesser 10 mm, Länge 20 cm) ausgestattet war, die mit Ascarite, Sofnocat und Mg(ClO4)2 gefüllt waren, um CO2, CO und Wasser abzufangen , jeweils. Das verbleibende N2O wurde auf einer in flüssigen Stickstoff getauchten Kapillarsäule 12 Minuten lang kryofokussiert und zur 15N-Analyse unter Verwendung von He (2 ml min−1) in ein Isotopenverhältnis-Massenspektrometer (IsoPrime 100, IsoPrime, Manchester, UK) überführt Träger. Das Isotopenverhältnis für 15N/14N wurde wie folgt berechnet:

Dabei ist δ15N das N-Isotopenverhältnis der Probe relativ zum atmosphärischen Stickstoff, 15N/14Nsample das N-Isotopenverhältnis der Probe und 15N/14Nreference das N-Isotopenverhältnis von atmosphärischem N (Standard). Die stabile Isotopenzusammensetzung von Stickstoff wurde unter Verwendung der herkömmlichen Delta-Promille-Notation angegeben. δ15N-Werte werden relativ zum internationalen Standard (AIR-N2) ausgedrückt.

Das Experiment wurde als vollständig randomisiertes Blockdesign analysiert, wobei die Kot- und Urindaten aufgrund von Unterschieden in der Stärke der Reaktionen getrennt berechnet wurden53. Es gab drei Wiederholungen (Kammer) jeder Behandlung, und der Tag wurde als wiederholte Messung für alle Variablen betrachtet. Es wurde das Glimmix-Verfahren von SAS (SAS Inst., Inc., Cary, NC, Version 9.4) verwendet, bei dem die Kammer als Versuchseinheit galt. Die Diagramme wurden mit Microsoft Excel (Version 16.61) erstellt. Die Normalverteilung und die Homogenität der Varianzen wurden mithilfe des univariaten SAS-Verfahrens bewertet. Kovarianzstrukturen basierten auf dem kleinsten Wert des Akaike-Informationskriteriums. Das Modell umfasste den festen Effekt des SL-Einschlussniveaus und des Tages nach der Ausscheidungsanwendung und deren Wechselwirkung sowie die zufälligen Auswirkungen von Block, Periode und deren Wechselwirkungen. Die Mittelwerte wurden unter Verwendung des durch den Tukey-Test angepassten PDIFF mit einer Signifikanz von 5 % verglichen.

Alle im Rahmen dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind im Artikel enthalten.

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Francine M. Ciriaco und Darren D. Henry

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David M. Jaramillo

Abteilung für Agrar-, Lebensmittel- und Ernährungswissenschaften, University of Alberta, Edmonton, AB, T5N3X1, Kanada

Erick RS Santos

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Harley D. Naumann

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Lynn E. Sollenberger

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OS van Cleef, F., B. Dubeux, JC, M. Ciriaco, F. et al. Die Aufnahme einer tanninreichen Hülsenfrucht in die Ernährung von Rinderochsen reduziert die Treibhausgasemissionen aus ihren Ausscheidungen. Sci Rep 12, 14220 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18523-y

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Eingegangen: 01. März 2022

Angenommen: 16. August 2022

Veröffentlicht: 20. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18523-y

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