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There is a great need for simple and inexpensive methods to quantify ammonia emissions in multi-plot field trials. However, methods that meet these criteria have to be thoroughly validated. In the calibrated passive sampling approach, acid traps placed in the center of quadratic plots absorb ammonia, enabling relative comparisons between plots. To quantify ammonia emissions, these acid trap samplings are scaled by means of a transfer coefficient (TC) obtained from simultaneous measurements with the dynamic tube method (DTM). However, dynamic tube measurements are also comparatively costly and time-consuming. Our objective was to assess the best practice for using calibrated passive sampling in multi-plot field trials. One particular challenge in such experiments is to evaluate the influence of ammonia drift between plots. In a series of eight multi-plot field trials, acid traps and DTM were used simultaneously on all plots to measure ammonia emissions caused by different slurry application techniques. Data obtained by both methods were correlated, and the influence of the ubiquitous ammonia background on both methods was evaluated by comparing net values, including the subtraction of the background with gross values (no background subtraction). Finally, we provide recommendations for calculating a TC for calibrating relative differences between plots, based on simultaneous acid trap and dynamic tube measurements on selected plots. Treatmentmean values obtained by bothmethods correlatedwell. For most field trials, R2 values between 0.6 and 0.8were obtained. Ammonia background concentrations affected both methods. Drift between plots contributed to the background for the acid traps, whereas the contamination of the chamber system might have caused the background for the DTM. Treatments with low emissions were comparatively more affected by that background. For a robust application of calibrated passive sampling, we recommend calculating the TC based on a treatment with high ammonia emissions, reducing the relative influence of the ubiquitous ammonia background.
Organic pot-based production of basil (Ocimum basilicum L.) often has lower biomass yield than conventional cultivation. Previous investigations indicate that this growth impairment is related to high ammonium (NH4+) concentrations in the growing media released by the mineralization of organic nitrogen (N) fertilizers. However, as a result of this ammonification process substrate pH may also increase. Under neutral to alkaline conditions NH4+ is converted to ammonia (NH3), which is known to be phytotoxic even at low concentrations. Therefore, we investigated the impact of both ammonical N species on basil grown in a peat substrate. In total, three fertilization pot experiments were conducted in a greenhouse in order to compare the effect of different organic base dressings [250 and 750 mg N (L substrate)-1 mainly supplied by a liquid amino acid fertilizer (AAF)] and two initial substrate pH levels (5.5 and 6.5). In two treatments, 5% (v/v) mature compost was mixed into the peat 1 day and 12–days before the substrate was used for sowing, respectively. The aim of this procedure was to stimulate nitrification in this way to reduce ammonical N concentration. Ammonia concentration in the aerial plant surrounding environment was measured by using NH3 detector tubes in combination with an open-top chamber method. The results showed that the growth of basil (number of plants, fresh matter yield, plant height) was significantly inhibited in the second and third week of cultivation by rising NH3 and NH4+ exposure, as well as by a substrate pH ≥ 7.0. These adverse effects were reduced by lowering the organic base dressing rate and adjusting the initial substrate pH to 5.5. Furthermore, the addition of mature compost to peat in combination with a 12-day storage was proven to be effective for promoting nitrification in the organically fertilized substrate. As a result, plant growth was improved by both lower NH3 and NH4+ exposure as well as a faster supply of nitrate (NO3-) as an additional N source. Using this approach, it was possible to feed organically fertilized basil right from the seedling stage with a NO3--N/NH4+-N-balanced and later on providing a predominant NO3--N supply.
Topfbasilikum ist die bedeutendste Kultur auf dem deutschen Topfkräutermarkt. Etwa 30 - 40 % werden nach den Vorgaben der EU-Ökoverordnung angebaut. In diesem Produktionssegment treten immer wieder Wachstumshemmungen und Pflanzenschäden auf. In vorangegangenen Untersuchungen konnten diese Beeinträchtigungen über eine einseitige N-Ernährung in Form von Ammonium (NH4+) induziert werden. Die stärksten Schäden zeigten sich dabei in einer organisch gedüngten Variante, in der sich sowohl eine hohe NH4+-Akkumulation als auch ein pH-Wert-Anstieg in den ersten Wochen nach der Aussaat einstellte. Mit steigendem pH-Wert steigt auch die Freisetzung von Ammoniak (NH3), was ebenfalls mit Pflanzenschäden einhergehen kann. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde nun geprüft, inwiefern neben NH4+ die Freisetzung von NH3 Wachstum und Qualität von Topfbasilikum beeinträchtigen kann. Dazu wurden drei Düngeversuche angelegt, mit der folgende Fragen beantwortet werden sollten: (1) Wie lässt sich das Spurengas NH3 im Pflanzenbestand erfassen? (2) Welche NH3- und NH4+-Exposition entsteht nach organsicher Düngung? (3) Wie wirkt diese Exposition auf Wachstum und Qualität von Topfbasilikum? (4) Mit welchen Maßnahmen kann die NH3- und NH4+-Exposition auf ein pflanzenverträgliches Maß reduziert werden?
(1) Zur Erfassung von NH3 wurde ein Messsystem zur Bestimmung von NH3 in Feldversuchen entwickelt. Es handelt sich dabei um eine offene Messkammer, die direkt in den Pflanzenbestand gestellt werden kann. Über einen Schlauch wird die Luft auf der Topfoberfläche angesaugt und durch ein Dräger-Röhrchen (Ammoniak 0,25/a, Drägerwerk AG & Co. KGaA, Lübeck) geleitet. In dem Röhrchen befindet sich ein Reagenz, welches in Abhängigkeit der NH3-Konzentration in der Probeluft von gelb zu blau reagiert. Im Zuge einer Methodenevaluierung erwies sich das Messsystem als geeignet, die NH3-Exposition im Pflanzenbestand qualitativ zu erfassen.
(2) In allen Versuchen konnte eine zügige Umwandlung des zur Grund- und Nachdüngung eingesetzten organischen Flüssigdüngers Fontana (9/0/0) (MeMon BV, Arnheim, Niederlande) in NH4+ beobachtet werden. Dies spiegelte sich in einer NH4+-Akkumulation, einem Anstieg des pH-Wertes sowie einer erhöhten Freisetzung von NH3 wider. Die Bildung von Nitrat (NO3-) war hingegen stark verzögert. Außerdem kam es zeitweise zur Akkumulation von Nitrit (NO2-) in für Pflanzen potentiell toxischen Konzentrationen. In einem reinen Torfsubstrat stellte sich frühestens 5 - 7 Wochen nach der Aussaat ein ausgeglichenes NH4+/NO3--Verhältnis ein. Durch die Einmischung von 5 Vol.-% Kompost 12 Tage vor der Aussaat konnte dies bereits in der zweiten Kulturwoche beobachtet werden. Im Zuge des Abbaus von NH4+ über die Nitrifikation nahmen der pH-Wert und gleichzeitig die NH3-Exposition immer weiter ab. Die im späteren Kulturverlauf durchgeführte flüssige Nachdüngung mit Fontana führte, vermutlich aufgrund des sinkenden pH-Wertes, zu keiner messbaren NH3-Exposition (≤ 0,125 ppm NH3).
Im ökologischen Anbau von Topfbasilikum treten des Öfteren Wachstums- und Qualitätsbeeinträchtigungen auf. Diese machen sich bereits an den Jungpflanzen in Form chlorotischer und nekrotrischer Keimblätter bemerkbar. Als eine Ursache hierfür kommt eine einseitige Stickstoffernährung der Pflanzen mit Ammonium (NH4+) in Betracht, wie vorausgehende Untersuchungen zeigten. Unklar ist bislang allerdings, ob das Schadsymptom direkt durch NH4+ hervorgerufen wird oder aber die Bildung von Ammoniak (NH3) im Kultursubstrat hierzu wesentlich beiträgt. In einer Reihe von Düngeversuchen wurden daher folgende Fragen bearbeitet: (a) Wie lässt sich die NH3-Exposition im Topfpflanzenbestand erfassen? (b) Wie hoch ist die nach organischer Stickstoffdüngung von Topfbasilikum entstehende NH3- und NH4+-Exposition? (c) Wirken sich die NH3- und NH4+-Exposition limitierend auf Ertrag und Qualität der Pflanzen aus? (d) Wie lässt sich die NH3- und NH4+-Exposition auf ein pflanzenverträgliches Maß reduzieren?
Zur NH3-Erfassung wurde ein offenes Messkammersystem in Kombination mit Dräger-Röhrchen (Ammoniak 0.25/a, Drägerwerk AG & Co. KGaA, Lübeck) entwickelt und evaluiert. Mit diesem Verfahren konnte NH3 ab einer Konzentration von 0,25 ppm bestimmt werden.
Auf eine Exposition von > 0,5 ppm NH3 bzw. > 200 mg NH4+/L Substrat reagierte Basilikum mit einem gehemmten Austrieb von Keimwurzel und Keimspross. Die Wachstumsdepressionen in der Sämlingsphase führten auch zu einer verzögerten Weiterentwicklung der Pflanzen (Pflanzenanzahl, Pflanzenhöhe, Frischmasse). Am stärksten waren diese Effekte bei einer hohen NH3-Exposition ausgeprägt. Durch eine niedrige organische Stickstoffgrunddüngung und ein auf pH 5,5 gepuffertes Substrat konnte die NH3-Exposition begrenzt werden. Auch das Einmischen von 5 Vol.-% potentiell nitrifikationsförderndem Kompost in das Torfsubstrat wirkte sich in dieser Hinsicht positiv aus.