Die Rolle von Mistkäferarten bei der Lachgasemission, der Ammoniakverflüchtigung und dem Nährstoffkreislauf

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 3572 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Diese Studie untersuchte die Rolle von Mistkäferarten allein oder in Verbindung mit verschiedenen Arten auf die Emission von Lachgas (N2O), die Ammoniakverflüchtigung und die Leistung von Perlhirse [Pennisetum glaucum (L.)]. Es gab sieben Behandlungen, darunter zwei Kontrollen (Erde und Erde + Mist ohne Käfer), einzelne Arten von Onthophagus taurus [Shreber, 1759] (1), Digitonthophagus gazella [Fabricius, 1787] (2) oder Phanaeus vindex [MacLeay, 1819 ] (3); und ihre Zusammenstellungen (1 + 2 und 1 + 2 + 3). Die Lachgasemissionen wurden für 24 Tage geschätzt, als nacheinander Perlhirse gepflanzt wurde, um Wachstum, Stickstoffertrag (NY) und Mistkäferaktivität zu bewerten. Mistkäferarten zeigten am 6. Tag einen größeren N2O-Fluss im Mist (80 g N2O-N ha−1 Tag−1) im Vergleich zu Erde und Mist (2,6 g N2O-N ha−1 Tag−1). Die Ammoniakemissionen variierten mit der Anwesenheit von Mistkäfern (P < 0,05) und D. gazella hatte an den Tagen 1, 6 und 12 weniger NH3-N mit Durchschnittswerten von 2061, 1526 bzw. 1048 g ha-1 Tag-1 . Der N-Gehalt im Boden stieg mit der Mist- und Käferanwendung. Die Anwendung von Dung beeinflusste die Ansammlung von Perlhirsekräutern (HA), unabhängig von der Anwesenheit von Mistkäfern, und die Durchschnittswerte lagen zwischen 5 und 8 g TS-Eimer−1. Zur Analyse der Variation und Korrelation zu jeder Variablen wurde eine PCA-Analyse durchgeführt, die jedoch auf eine geringe Erklärung der Hauptkomponente (weniger als 80 %) hinwies, was nicht ausreichte, um die Variation in den Ergebnissen zu erklären. Trotz der größeren Mistentfernung müssen die größten Arten, P. vindex, und ihre Artenkombination genauer untersucht werden, um ein besseres Verständnis über ihren Beitrag zu Treibhausgasen zu erhalten. Das Vorhandensein von Mistkäfern vor der Aussaat verbesserte die Produktion von Perlhirse durch einen verstärkten N-Kreislauf, obwohl Bestände mit den drei Käferarten die N-Verluste an die Umwelt durch Denitrifikation erhöhten.

Die Tierhaltung kann zur Verstärkung des Treibhauseffekts beitragen, wobei die enterische Fermentation1 von Rindern, die Frischmistproduktion2 und die Reisproduktion3 den größten Anteil an den Methanemissionen (CH4) haben. Stickstoffdünger4 und tierische Ausscheidungen (Urin und Mist) tragen maßgeblich zu den Lachgasemissionen (N2O) bei. Laut Meng et al.5 werden die jährlichen Treibhausgasemissionen (THG) aus der Produktion und Verwendung von N-Düngemitteln voraussichtlich 50 g N2O-N betragen, während die Düngung mit unbehandeltem Rindermist 90 g N2O-N ausstößt.

Mistkäfer haben das Potenzial, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren, indem sie den Boden belüften und die unter der Mistkruste gebildeten anaeroben Zonen aufbrechen6, was sich auf die Wechselwirkung von abgelagerten Exkrementen mit Bodenmikrobenpopulationen7 auswirken kann. Mistkäfer sind koprophage Insekten (Insecta-Klasse und Coleoptera-Ordnung), die eine wichtige Rolle beim Stickstoffkreislauf sowohl in gemäßigten als auch tropischen landwirtschaftlichen Graslandschaften spielen8. Sie können dazu beitragen, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren und die Kohlenstoffbindung zu verbessern, indem sie das Graswachstum und die Bodenfruchtbarkeit steigern9,10,11.

Mistkäfer-Taxa unterscheiden sich in ihren Nisttechniken und werden als Bewohner, Tunnelbewohner oder Walzenkäfer klassifiziert12, die einen großen Einfluss auf ökologische Funktionen wie die Effizienz der Mistentfernung haben13. Viele der Käferarten graben den Boden auf unterschiedliche Weise aus, mit unterschiedlichen Durchmessern und Größen, was zu unterschiedlichen Mikroumgebungen mit unterschiedlichen Treibhausgasflüssen14,15 und einem verbesserten Nährstoffkreislauf führt, indem Bodenkohlenstoff effizienter übertragen und die bakterielle Bodenvielfalt begünstigt wird12,16,17.

Daher wurden verschiedene Mistkäferarten einzeln oder in Kombination mit Mist zur Düngung von Perlhirse [Pennisetum glaucum (L.)] ausgebracht, wobei der N2O-Fluss und die NH3-Verflüchtigung sowie die Futterproduktivität bewertet wurden. Daher stellten wir die Hypothese auf, dass die Anwesenheit von Mistkäfern die N2O-Emission und die NH3-Verflüchtigung verringern und den Ernteertrag aufgrund des verbesserten N-Kreislaufs und der geringeren N-Verluste steigern würde.

Es gab eine Wechselwirkung zwischen Probenahmetag und Behandlung bei den N2O-Flüssen (P < 0,001), wobei die durchschnittlichen Emissionen zwischen 2 g N2O-N ha-1 Tag−1 für alle Behandlungen am Tag 0 nach der Behandlungsanwendung und 80 g N2O-N ha lagen −1 Tag −1 an Tag 6, um einen Eimer nur mit Mist bzw. einen Eimer mit Mist + Mistkäferarten zu füllen (Abb. 1A). Die N2O-Flüsse aus Eimern mit Mistkäferarten (die Gruppe aller Arten und P. vindex allein) waren am größten und unterschieden sich im Laufe der Zeit deutlich von Eimern mit Mist und Eimern mit nur Erde (P < 0,001), außer an Tag 2. als der N2O-Fluss auf Mist größer war als auf Mist + Käfer. Die Mistkäferaktivität erhöhte den N2O-N-Fluss um 71 % bzw. 79 %, verglichen mit einem Eimer mit Mist und einem Eimer mit nur Erde am zweiten Tag. Der Anstieg erfolgte hauptsächlich an den Tagen 1, 2 und 6 (Abb. 1A).

Lachgasfluss und Ammoniakverflüchtigung aus Boden, Boden + Mist und Boden + Mist + Mistkäfern über einen Zeitraum von 24 Tagen. (A) Durchschnittlicher Lachgasfluss aller Mistkäferbehandlungen im Vergleich zu ihrer Kontrolle, (B) Lachgasfluss über die Zeit aus Viehmist unter kontrastierenden Mistkäferarten, (C) Ammoniakfluss über die Zeit. T1: nur Erde, T2: Erde + Mist, T3: Erde + Mist + O. taurus (OT), T4: Erde + Mist + D. gazella (DG), T5: Erde + Mist + P. vindex (PV), T6: Erde + Mist + OT + DG, T7: Erde + Mist + OT + DG + PV. Sternchen: Zeigt einen signifikanten Unterschied auf der Wahrscheinlichkeitsebene 0,05 zwischen den Behandlungen im selben Monat gemäß orthogonalem Kontrasttest an.

Die N2O-Flüsse waren im Laufe der Zeit bei Mist + Käfer größer als bei Boden und Boden + Mist (P < 0,001). Darüber hinaus hatten O. taurus und D. gazella im Vergleich zu anderen Käferarten im Zeitverlauf die geringste N2O-Emission (Abb. 1B). Der N2O-Fluss aus dem Eimer mit Mist (T2) nahm mit der Zeit zu, sank jedoch vom 6. bis zum 24. Tag von 45 auf 2,9 g N2O-N ha−1 Tag−1. T3 und T4 zeigten eine geringere N2O-N-Emission bei den Mistkäfern Behandlungen an den Tagen 0, 1 und 12, durchschnittlich −3, 12,3, 25,8 bzw. −1, 17,5, 23,5 g N2O-N ha−1 Tag−1. Behandlung 7 zeigte den höchsten N2O-N-Peak (145,7 g N2O-N ha−1 Tag−1) am 6. Tag, während sich der N2O am 12. Tag nicht von T3 und T4 unterschied (Abb. 1B). Behandlungseimer 1 hatte den geringsten durchschnittlichen N2O-Fluss (1,09 g N2O-N ha−1 Tag−1). Behandlung 5 zeigte einen progressiven Anstieg im Laufe der Zeit, mit dem höchsten N2O-N-Höchstwert an den Tagen 12 und 24.

Es gab eine Wechselwirkung zwischen Probenahmetag und Behandlung (P < 0,05) bei der Ammoniakverflüchtigung, die von 6431 g NH3-N ha-1 für T6 am Tag 2 bis 241 g NH3-N ha-1 am Tag 24 variierte. Behandlungen T3 und T4 zeigten mit 1536 bzw. 1575 g NH3-N ha−1 die geringsten Durchschnittswerte im Vergleich zu anderen Behandlungen (Abb. 1C). Bei Behandlung T4 kam es im Vergleich zu anderen Behandlungen an den Tagen 6, 12 und 24 zu einer geringeren Verflüchtigung von NH3-N mit durchschnittlich 1526, 1048 und 245 g ha−1. T5 zeigte am 6. Tag einen Höhepunkt, der größer war (P < 0,001) als T1, T2, T3 und T4. Der T1 wies die geringste NH3-N-Emission auf und variierte im Laufe der Zeit nicht wesentlich (Abb. 1C).

Alle Behandlungen mit Mistkäferarten führten bei Behandlungen, bei denen Dung ausgebracht wurde, zu höheren Birnenhirsepflanzen (P < 0,05). Perlhirsepflanzen, die in Anwesenheit von Mistkäfern kultiviert wurden, waren 41,8 cm hoch und damit größer als Hirsepflanzen, die ohne Käfer kultiviert wurden (39,9 cm; P = 0,035; Abb. 2). Die Ergebnisse der Mistentfernung, der Stickstoffkonzentration im Boden, der Birnenhirse-Futterproduktion, des Stickstoffertrags und der PCA-Analysen sind in den ergänzenden Abbildungen dargestellt. S1, S2, S3 und S4 online).

Perlhirsehöhe bei Anwesenheit oder Abwesenheit von Mistkäfern. Sternchen: Mittelwerte, gefolgt von unterschiedlichen Buchstaben, unterscheiden sich je nach Polynomkontrast erheblich zwischen den Behandlungen.

Die Effizienz der Mistentfernung durch Käfer ist in Abb. 3 dargestellt. Die kleinsten Arten O. taurus und D. gazella hatten die höchsten Mistanteile auf der Eimeroberfläche (T3 = 56 % bzw. T4 = 62 %), während die größten Arten P. vindex hatte die kleinste von Dung eingenommene Fläche (T5 = 44 %). Darüber hinaus belegten die Kombinationen der Arten 1 + 2 und 1 + 2 + 3 eine kleinere Oberfläche der Eimer mit Mist (T6 = 34 % bzw. T7 = 42 %). Dies weist auf die Wirksamkeit von Mistkäfern bei der Mistentfernung hin, wobei der Mistanteil auf der Oberfläche des Eimers geringer ist und der Mistanteil im Boden vergraben höher ist.

Entmistung einzelner Mistkäferarten und ihrer Kombinationen. T1: nur Erde, T2: Erde + Mist, T3: Erde + Mist + O. taurus (OT), T4: Erde + Mist + D. gazella (DG), T5: Erde + Mist + P. vindex (PV), T6: Erde + Mist + OT + DG, T7: Erde + Mist + OT + DG + PV.

Frühere Untersuchungen haben ergeben, dass die Aktivität von Mistkäfern die N2O-Emissionen aus Kuhmist erhöht, der in tropischen Regionen mit den größten Flüssen an den Tagen 15, 20 und 30 nach der Dungausbringung abgelagert wird17, was auch zu einem Anstieg der NO3−-Werte durch Belüftung des Substrats führen kann18. Dennoch kann die N2O-Dynamik während der Denitrifikation auch mit der Bodentiefe, dem labilen organischen Kohlenstoff, dem Bodennitrat und der mikrobiellen Biomasse C19 zusammenhängen. Eine weitere Möglichkeit für eine erhöhte N2O-Emission besteht darin, dass Mistkäfer Kugeln aus dem Kuhmist bildeten, wodurch dieser auf einem hohen Feuchtigkeitsgehalt gehalten wurde und ein anaerober Zustand, eine höhere N-Konzentration und mehr verfügbarer Kohlenstoff begünstigt wurden. Dies sind perfekte Bedingungen für die N2O-Emission und bieten optimale Bedingungen für denitrifizierende Bakterien20.

Die NH3-N-Emission hängt vom pH-Wert des Bodens, der Feuchtigkeit, der Textur, der Kationenaustauschkapazität (CEC) und der Bodentemperatur sowie der Windgeschwindigkeit und der Lufttemperatur ab21. In der aktuellen Studie zeigten N2O-N und NH3-N die größten Spitzenwerte in Anwesenheit von Mistkäfern. Die Bodentemperatur und -feuchtigkeit betrug durchschnittlich 27 °C und 37 % in den Eimern, in denen nur Erde vorhanden war, und 26 °C und 78 % in den Eimern mit Mist und Käfern. Diese Verringerung der NH3-Emission wird durch die Bildung einer oberflächlichen Kruste auf dem Mist erklärt. Diese Kruste kann als physische Barriere gegen den Wind wirken und die Verflüchtigung von NH3 verhindern22. Darüber hinaus diffundiert NH3 tendenziell zwischen Fäkalien, wo es in NH4+ umgewandelt wird, was die NH3-Emission noch schwieriger macht23.

Die Vielfalt der Mistkäfer variiert im Laufe der Jahreszeiten, und ihre Aktivitäten und Auswirkungen im Zusammenhang mit der Mistzersetzung unterscheiden sich wahrscheinlich je nach Art24. Dieser Umstand hat wahrscheinlich nicht nur Auswirkungen auf die Mistzersetzung, sondern auch auf die N2O-Emissionen25 und die NH3-Verflüchtigung. In dieser Studie erhöhte P. vindex die N-Verluste, selbst wenn es mit anderen Arten gemischt wurde. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass P. vindex eine längere Lebensdauer hat (über ein Jahr leben kann) als die anderen Arten26. Darüber hinaus präsentiert P. vindex in seinem Darm 24 % der Bakterien, die zu Enterecoccace amilyliy gehören (Scheleifer und Kilpper-Bälz, 1984)27, die wie Enterococcus casseliflavus (Collins, 1984)28 zum Denitrifizierungsprozess beitragen könnten. Evans et al.29 zeigten, dass Mistkäfer den N2O-Fluss während der Spätsommersaison beeinflussten, indem sie die feuchtigkeitsabhängigen Gastransportprozesse veränderten. Die verringerte N2O-Emission aus allen Behandlungen mit Mist in der aktuellen Studie am ersten Tag der Bewertung könnte darauf zurückzuführen sein, dass organisches N mehrere Prozesse durchlaufen muss, bevor es als N2O30 in die Atmosphäre zurückkehrt.

D. gazella zeichnet sich durch seine hohe Ausbreitungsfähigkeit31,32 und seine große Toleranz gegenüber klimatischen Bedingungen33 aus, ist ein wirksamer Konkurrent und Eindringling und reduziert die Population anderer Käferarten in einer bestimmten Ansammlung34. Andererseits entfernen kleine Mistkäfer aufgrund ihrer kürzeren Beine und Köpfe mehr Mist, was das Vergraben und Bohren von Löchern erleichtert35,36. Dies könnte erklären, warum D. gazella in Kombination mit O. taurus aus dieser Studie mehr Mist entfernte als die anderen Einzelarten. Darüber hinaus war die Kotentfernung bei Gruppierung von D. gazella mit P. vindex zwar geringer, aber immer noch effizienter als allein (einzelne Art).

Mehr als 85 % des von Rindern aufgenommenen N gelangen über Ausscheidungen in den Boden zurück37. Durch die Aktivität des Mistkäfers könnte Fäkalien-N in kurzer Zeit vergraben und mineralisiert werden, wodurch das organische N und P in eine anorganische Form umgewandelt wird, die der Pflanze zur Verfügung steht38. Dies könnte zu einer erhöhten N-Konzentration im Boden geführt haben (siehe ergänzende Abbildung S2), was zu einer erhöhten N2O-Emission führt, da denitrifizierenden Bakterien mehr N als Substrat zur Verfügung steht. Obwohl mehrere Studien gezeigt haben, dass Mistkäfer die N2O-Emission erhöhen6,14,35, haben andere ihre wichtige Rolle im Nährstoffkreislauf des Bodens gezeigt und die organische Substanz des Bodens um 159 g pro 600 m2 erhöht (entspricht 2647 kg ha-1)18. Obwohl wir den Gehalt an organischer Substanz nicht gemessen haben, zeigten Bilder von jedem Eimer, dass Mistkäfer Mist von der Bodenoberfläche entfernten und vergruben. Dies könnte die Wirkung der mikrobiellen Atmung des Bodens fördern und die Zersetzungsrate der organischen Bodensubstanz beeinflussen39.

Mist enthält N und andere für die Pflanzenentwicklung erforderliche Nährstoffe, die die Bestockung verbessern und die Futtermasse erhöhen können40,41. In der aktuellen Studie könnte die geringere Grasansammlung in der zweiten Ernte bei allen Behandlungen jedoch auf die geringe Nährstoffverfügbarkeit des Bodens zurückzuführen sein, da bei der ersten Ernte der größte Teil des verbleibenden Stickstoffs, der durch die Mistzersetzung aufgenommen wurde, extrahiert wurde.

Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Mistkäferaktivität dieser Studie die Stickstoffmineralisierung aus ausgebrachtem Mist beschleunigen könnte. Laut Badenhorst et al.42 steigt die Nährstoffkonzentration in der Vegetation dort deutlich an, wo Mistkäfer aktiv waren. In dieser Studie hatte die Aktivität der Mistkäfer bei keiner der Behandlungen einen Einfluss auf die N-Konzentration der Perlhirse. Die Ansammlung von Pflanzenkräutern korreliert stark mit der Pflanzenhöhe aufgrund des Wachstums auf Meristemebene, das mit der Produktion neuer Zellen und der Bildung neuer Organe verbunden ist43. Dies bestätigt unsere Ergebnisse aufgrund der positiven Korrelation zwischen der Biomasse der Birnenhirse und ihrer Höhe. Darüber hinaus hat die PCA gerade die starke Wirkung von Mistkäfern auf Bodenstickstoff und Treibhausgase durch eine positive Korrelation zwischen ihnen gezeigt (siehe ergänzende Abbildung S4 online).

Das Vorkommen von Mistkäfern im Dung von Rindern erbrachte wichtige Ökosystemleistungen, indem es den Nährstoffkreislauf verbesserte und die Stickstoffspeicherung im Boden steigerte. Mehr Boden-N führte zu einer höheren Pflanzenbiomasse und N-Konzentration. Mistkäfer leisteten jedoch einige schlechte Dienste, da sie die Stickstoffverluste aus dem Viehmist erhöhten, anstatt sie zu verringern. D. gazella neigte dazu, die gesamten N-Verluste in Form von N2O und NH3 aus dem Dung zu verringern, und war bei der Kombination mit O. taurus bei der Entfernung von Dung von der Eimerbodenoberfläche effizienter, was den Nährstoffkreislauf in einem Grasland verbessert.

Alle Verfahren mit Tieren wurden gemäß den Richtlinien und Vorschriften des Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) der University of Florida (Protokoll Nr. 201509019) durchgeführt. Dieses Manuskript wird in Übereinstimmung mit den ARRIVE-Richtlinien veröffentlicht.

Diese Studie wurde im North Florida Research and Education Center in Marianna, FL (30°46′35″N 85°14′17″W, 51 m ü.M.) durchgeführt. Der Versuch wurde in zwei Versuchsjahren (2019 und 2020) in einem Gewächshaus durchgeführt.

Der verwendete Boden wurde von einer Weide mit Rhizoma-Erdnuss (Arachis glabrata Benth.) und argentinischem Bahiagras (Paspalum notatum Flügge) als Hauptfutter gesammelt. Ohne Pflanzen- und Wurzelmaterial wurde nur Erde in Eimer gefüllt, wie weiter unten im Abschnitt „Zusammenbau der Eimer“ beschrieben. Der Boden wurde als Orangeburg-Lehmsand (fein-lehmig-kaolinitischer, thermisch typischer Kandiudult) mit einem pH-Wert des Wassers von 6,7 und Mehlich-1-extrahierbaren P-, K-, Mg- und Ca-Konzentrationen von 41, 59, 63, 368 mg kg-1 klassifiziert , jeweils. Die durchschnittliche minimale und maximale Tagestemperatur und relative Luftfeuchtigkeit im Gewächshaus betrugen im September und November (September für den Käferversuch aufgrund des saisonalen Auftretens der Käfer und Oktober und November für den Birnenhirseversuch) in den Jahren 2019 und 2020 11 bzw. 33 °C, 81 %; 10 bzw. 35 °C, 77 %.

Um die Käferarten auszuwählen, wurde im Beweidungsexperiment zuvor eine Mistkäferprobenahme auf demselben Gebiet (Gras- und Hülsenfruchtfuttermischung) durchgeführt, um die Anzahl der Mistkäferarten gemäß den von Conover et al. beschriebenen Funktionsgruppen zu bestimmen.44 . Käfer wurden von März 2017 bis Juni 2018 vorab beprobt, wobei die Gruppe der Tunnelbewohner dominierte und durch Onthophagus taurus (Schreber), Digitonthophagus gazella (Fabricius), Phanaeus vindex (MacLeay), Onthophagus oklahomensis (Brown) und Euniticellus intermedius (Reiche) repräsentiert wurde. . Andere Arten waren vorhanden, aber nicht häufig, darunter Aphodius psudolividus (Linnaeus), Aphodius carolinus (Linnaeus) und Canthon pilularius (Linnaeus), die als Dweller- bzw. Roller-Gruppe identifiziert wurden. Die Vorproben zeigten, dass drei Arten aus der Tunneler-Gruppe häufiger vorkamen und daher für die Zusammenstellung der experimentellen Behandlungen ausgewählt wurden (Abb. 4).

Die in der aktuellen Studie am häufigsten vorkommende Mistkäferart in Marianna, Florida. Bildnachweis: Carlos CV García.

Drei Arten gemeiner Mistkäfer wurden verwendet: O. taurus (1), D. gazella (2) und P. vindex (3). Die Behandlungen umfassten zwei Behandlungen, die nur Erde und Erde + Mist ohne Käfer enthielten und als Kontrolle 1 (T1) bzw. Kontrolle 2 (T2) betrachtet wurden. Isolierte Arten T3 = 1, T4 = 2, T5 = 3 und ihre Kombinationen T6 = 1 + 2 und T7 = 1 + 2 + 3. Mistkäfer wurden mit grasenden Tieren auf der Weide unter Verwendung der standardmäßigen Fallen mit Rindermistköder gefangen , wie von Bertone et al.41 beschrieben. Um den Verlust von Proben aufgrund von Viehtrampeln zu vermeiden, wurden 18 Fallen zufällig auf neun Koppeln verteilt (zwei Fallen pro Koppel) und geschützt durch Metallkäfige aufgestellt. Nach einem Zeitraum von 24 Stunden wurden die Käfer eingesammelt und die Fallen entfernt. Tabelle 1 zeigt die Anzahl der Mistkäfer, ihre Gesamtmasse (die zur Standardisierung der Behandlungen verwendet wird) pro Behandlung und die durchschnittliche Masse pro Art. Um die Einheitlichkeit bei allen Behandlungen zu gewährleisten, haben wir die Käferbiomasse für alle Arten konstant bei etwa 1,7 bis 1,8 g pro Ansammlung gehalten (Tabelle 1). Vierundzwanzig Stunden nach der Entnahme der Käfer aus den Feldfallen wurden sie mithilfe eines Insektenaufzuchtkäfigs getrennt, klassifiziert und anschließend in kleinen Glasflaschen aufbewahrt, die mit einem Stopfen versehen und mit einem Netz verbunden waren, um die Belüftung aufrechtzuerhalten und die Käfer am Leben zu erhalten.

Der in den Eimern verwendete Boden wurde aus dem Beweidungsversuch in zwei Versuchsjahren (August 2019 und August 2020) auf neun Koppeln (jeweils 0,9 ha) gesammelt. Die 21 Plastikeimer hatten einen Durchmesser von 23 cm und waren 30 cm (0,034 m2) groß und enthielten jeweils 10 kg Erde (Abb. 5). Am Boden des Behälters wurden sieben Löcher für den Wasserabfluss angebracht, wobei ein Metallgeflecht mit einem Durchmesser von 1 mm über der Oberfläche der Löcher angebracht wurde, um das Entweichen von Mistkäfern zu verhindern. Alle vier Tage wurde Wasser hinzugefügt, um die natürlichen Bodenbedingungen auf 60 % der Feldkapazität des Bodens (d. h. Eimers) aufrechtzuerhalten (gemessen anhand des Bodengewichts und der Wasserhaltekapazität des Bodens). Da der Boden der drei Koppeln eine leicht unterschiedliche Beschaffenheit hatte (sandiger Ton und sandiger Ton-Lehm), verwendeten wir ihn als Sperrfaktor.

Details zum Eimer aus Plastikeimer für den Mistkäferversuch.

Die im Versuch verwendete Frischmistmenge wurde auf der Grundlage der durchschnittlichen mit Dung bedeckten Fläche und des Dunggewichts (0,05 bis 0,09 m2 und 1,5 bis 2,7 kg) von Rindern in Weidesystemen bestimmt, wie von Carpinelli et al.45 vorgeschlagen. Frischer Mist wurde von Angus-Ochsen gesammelt, die in der warmen Jahreszeit Grasweiden (Bahiagrass) grasten, und vor Beginn des Experiments 24 Stunden lang im Kühlschrank gelagert. Insgesamt wurden 16,2 kg Frischmist gesammelt, wobei pro Eimer 0,9 kg verwendet wurden. Nach der Mistausbringung wurden Mistkäfer in den Eimer gegeben. Um zu verhindern, dass Mistkäfer entkommen, wurde vor und nach jeder Auswertung ein mobiles Kunststoffnetz mit 0,5 mm Durchmesser über den Eimern angebracht. Das Experiment dauerte in jedem Versuchsjahr (2019 und 2020) 24 Tage mit einer Durchschnittstemperatur von 28 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 79 %, wie aus Informationen des Florida Automated Weather Network (FAWN) hervorgeht.

Die Gasflüsse aus den Behandlungen wurden mithilfe der statischen Kammertechnik46 bewertet. Die Kammern waren kreisförmig und hatten einen Radius von 10,5 cm (0,034 m2). Kammerböden und -deckel bestanden aus Polyvinylchlorid (PVC) und der Deckel war mit einer Acrylplatte ausgekleidet, um jegliche Reaktionen der interessierenden Gase mit dem Kammermaterial zu vermeiden (Abb. 6). Die Kammerdeckel wurden zur Isolierung mit reflektierendem Klebeband abgedeckt und zur Probenahme mit einem Gummiseptum ausgestattet47. Der Deckel war mit einem Entlüftungsrohr aus Kupfer mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Länge von 10 cm ausgestattet, um während der Messungen einen ausreichenden Luftdruck in der Kammer sicherzustellen, wobei eine durchschnittliche Windgeschwindigkeit von 1,7 ms berücksichtigt wurde − 148,49. Während der Messungen wurden Kammerdeckel und -böden dicht gehalten, indem Fahrradreifenschläuche dicht über dem Bereich zwischen Deckel und Boden angebracht wurden. Auf den Eimern wurden Kammerböden mit einer Tiefe von 8 cm installiert, wobei 5 cm über den Boden hinausragten. Die Basen wurden am letzten Bewertungstag (24.) jedes Versuchsjahres entfernt.

Statische Kammerdetails und Instrumente zur Treibhausgassammlung im Mistkäferversuch.

Die Gasflüsse wurden nach 1000 Stunden gemäß den Probenahmeempfehlungen von Parkin & Venterea50 sieben Mal vom 28. August bis 22. September in beiden Jahren (2019 und 2020) gemessen, und zwar an den Tagen 0, 1, 2, 3, 6, 12 und 24 nach der Mistausbringung. Für jede Kammer wurden in 15-Minuten-Intervallen (t0, t15 und t30) Gasproben mit einer 60-ml-Spritze entnommen. Das Gas wurde sofort in vorevakuierte 30-ml-Glasfläschchen gespült, die mit einem Butylgummistopfen ausgestattet waren, der mit einem Aluminiumseptum verschlossen war (dieser Vorgang wurde zweimal pro Fläschchen und pro Sammelzeitpunkt durchgeführt). Der Zeitpunkt Null (t0) stellte das aus den Eimern gesammelte Gas dar (vor dem Schließen der Kammer). Unmittelbar danach wurde der Eimerdeckel fest verschlossen, indem der Deckel mit dem Fahrradschlauch am Boden befestigt wurde, gefolgt von den nächsten Probeentfaltungszeiten.

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. Die Temperatur des Injektors und der Säulen betrug 80 bzw. 200 °C. Der tägliche N2O-N-Fluss (g ha−1 Tag−1) wurde wie in Gleichung (1) beschrieben berechnet. (1):

Dabei ist F der N2O-Fluss (g ha−1 Tag−1), A die Fläche der Kammer und dC/dt die Konzentrationsänderung über die Zeit, berechnet unter Verwendung einer linearen Integrationsmethode von Venterea et al.49.

Die Ammoniakverflüchtigung wurde mithilfe der offenen Kammertechnik gemessen, wie von Araújo et al.51 beschrieben. Die Ammoniakkammer bestand aus einer 2-Liter-Flasche aus Polyethylenterephthalat (PET). Der Boden der Flasche wurde entfernt und als Verschluss über der oberen Öffnung verwendet, um die Umgebung kontrolliert und frei von Insekten und anderen Kontaminationsquellen zu halten. Zur Stützung des Plastikgefäßes wurde ein Eisendraht verwendet. Ein Polyschaumstreifen (250 mm lang, 25 mm breit und 3 mm dick) wurde in 20 ml Säurelösung (H2SO4 1 mol dm−3 + Glycerin 2 % v/v) getränkt und oben mit dem befestigt Entfernen Sie das untere Ende des Schaums, der im Plastikbehälter verbleibt. In jeder Kammer befand sich ein 250 mm langer Draht mit einem Haken, um ihn von der Oberseite der Flasche abzustützen, und einem Drahtkorb am unteren Ende, der ein Plastikgefäß (25 ml) trug, das die Säurelösung enthielt, um den Schaum aufzubewahren Streifen während der Probenahmeperioden feucht halten (Abb. 7). Die Ammoniakkammern wurden nach der letzten Gasprobenahme des Tages in den Eimer in der Mitte jedes Versuchsblocks eingebaut und vor Beginn der nächsten Gasprobenahme entfernt.

Details zur mobilen Ammoniakkammer zur Ammoniakmessung im Mistkäferversuch. Angepasst von Araújo et al.51.

Vierundzwanzig Stunden nach dem letzten Tag der Probenahme zur Messung des Gasflusses wurden Fotos vom Boden- und Mistanteil jedes Eimers gemacht, um die Mistentfernung von einzelnen Käferarten und ihrer Kombination zu bestimmen. Im Abschnitt zur statistischen Analyse werden die Programmierung und die statistischen Verfahren beschrieben. Nach diesem Vorgang wurden in jeden Eimer Perlhirsesamen gepflanzt. Nach 5 Tagen Samenkeimung wurden die Pflanzen ausgedünnt, so dass vier Pflanzen pro Eimer übrig blieben. Darüber hinaus wurden die Pflanzen in beiden Versuchsjahren zweimal im Abstand von fünf Wochen geschnitten, wobei der erste Schnitt am 23. Oktober und der zweite Schnitt am 24. November erfolgte. Vor jeder Ernte wurde die Pflanzenhöhe in der letzten Woche zweimal gemessen. Am Erntetag wurden alle Pflanzen 10 cm über dem Boden geschnitten. Die Proben wurden bei 55 °C in einem Umluftofen bis zur Gewichtskonstanz getrocknet und mit einer Mixer Mill MM 400 (Retsch, Newton, PA, USA) 9 Minuten lang bei 25 Hz in einer Kugelmühle gemahlen und mit a auf die Gesamt-N-Konzentration analysiert C-, H-, N- und S-Analysator nach der Dumas-Trockenverbrennungsmethode (Vario Micro Cube; Elementar, Hanau, Deutschland).

Die Behandlungen wurden in einem randomisierten vollständigen Blockdesign (RCBD) mit drei Wiederholungen verteilt. Die Daten wurden mit dem Mixed Procedure von SAS (Version 9.4., SAS Inst., Cary, NC) analysiert und mit LSMEANS unter Verwendung von PDIFF, angepasst durch den t-Test (P < 0,05), verglichen. Als wiederholte Messungen wurden der Tag der Gasprobenahme und die Ernte verwendet. Die Behandlungen wurden als fester Effekt betrachtet, während Block und Versuchsjahr als zufällige Effekte betrachtet wurden. Polynomkontraste wurden verwendet, um den Effekt des Fehlens von Dung (Boden vs. Boden + Dung), den Effekt von Mistkäfern (Boden + Dung vs. Boden + Dung + Mistkäferarten) und den Effekt jeder Art und ihrer Kombinationen (Arten) zu testen 1 vs. 2, 3, 1 + 2, 1 + 2 + 3) zur N2O-Emission und zum Nährstoffkreislauf. Eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) wurde verwendet, um ein besseres Verständnis über die Wirkung von Mistkäferbehandlungen zu erhalten, wobei ein Biplot-Diagramm mit den PRCOMP-Funktionen aus dem Statistikpaket (R Core Team)52 und ein ggbiplot aus dem ggbiplot-Paket53 verwendet wurden Die Unterstützung der Pakete Vegan, Tidyverse und Devtools54.

Die folgenden Schritte wurden unternommen, um die interessierenden Anteile „Erde“ und „Mist“ zu bestimmen, nachdem die Originalbilder für die ausschließliche Analyse des Teils, der dem Inhalt der Eimer entspricht, segmentiert wurden: Umwandlung von Farbbildern in Graustufenbilder unter Verwendung von RGB Modell55; Glätten von Grenzübergängen mithilfe von Defokussierung und der Technik des mehrdimensionalen Gaußschen Filters56; Bei der manuellen Schwellenwertbildung wird das Histogramm von Graustufenbildern analysiert, um Binärbilder zu erzeugen, und der Anteil von „Erde“ und „Mist“ in den Binärbildern wird durch Zählen der interessierenden Pixel bestimmt. Die Programmiersprache Python57 sowie die Bibliotheken imageio58 numpy59 matplotlib60 und scikit-image61 wurden verwendet, um die Bilder zu analysieren und die aus dem Prozess resultierenden Abbildungen zu erstellen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Giselle GM Fracetto

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Korrespondenz mit Carlos CV Garcia.

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Eingegangen: 25. September 2022

Angenommen: 24. Februar 2023

Veröffentlicht: 02. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30523-0

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Die Rolle von Mistkäferarten bei der Lachgasemission, der Ammoniakverflüchtigung und dem Nährstoffkreislauf