Nitrogen retention efficiency and nitrogen losses of a managed and phytodiverse temperate grassland

Maintaining nitrogen retention efficiency (NRE) is crucial in minimizing N losses when intensifying management of temperate grasslands. Our aim was to evaluate how grassland management practices and sward compositions affect NRE (1 − N losses/soil available N), defined as the efficiency with which soil available N is retained in an ecosystem. A three-factorial grassland management experiment was established with two fertilization treatments (without and combined N, phosphorus and potassium fertilization), two mowing frequencies (cut once and thrice per year) and three sward compositions (control, monocot- and dicot-enhanced swards). We measured N losses as leaching and nitrous oxide emissions, and soil available N as gross N mineralization rates. Fertilization increased N losses due to increased nitrification and decreased microbial N immobilization, and consequently decreased NRE. Intensive mowing partly dampened high N losses following fertilization. Sward compositions influenced NRE but not N losses: control swards that developed for decades under extensive management had the highest NRE, whereas monocot-enhanced sward had the lowest NRE. NRE was highly correlated with microbial NH4+ immobilization and microbial biomass and only marginally correlated with plant N uptake, underlining the importance of microbial N retention in the soil-plant system. Microbial N retention is reflected in NRE but not in indices commonly used to reflect plant response. NRE was able to capture the effects of sward composition and fertilization whereas N losses were only sensitive to fertilization; thus, NRE is a better index when evaluating environmental sustainability of sward compositions and management practices of grasslands.

ZusammenfassungIm Rahmen der Intensivierung der landwirtschaftlichen Nutzung von temperatem Grünland ist die Stickstoffretentionseffizienz (NRE) essentiell für die Minimierung von Stickstoffverlusten. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Einfluss von Grünlandbewirtschaftung und Vegetationszusammensetzung auf die Stickstoffretentionseffizienz (1 - Stickstoffverluste ÷ verfügbarer Stickstoff im Boden), definiert als die Effizienz, mit der im Boden verfügbarer Stickstoff in einem Ökosystem zurückgehalten wird, zu erfassen. Es wurde ein dreifaktorielles Grünlandbewirtschaftungsexperiment mit zwei Düngeintensitäten (ohne Düngung und mit kombinierter Stickstoff-, Phosphor- und Kaliumdüngung), zwei Mahdfrequenzen (einmal und dreimal pro Jahr) und drei Vegetationszusammensetzungen (Kontrollvegetation, Monokotyl-angereicherte Vegetation und Dikotyl-angereicherte Vegetation) etabliert. Dabei wurden Stickstoffverluste als Summe aus Stickstoffauswaschung und Stickstoffoxidemissionen berechnet. Der im Boden verfügbare Stickstoff wurde anhand der Brutto-Stickstoffmineralisationsraten ermittelt. Düngung verstärkte die Stickstoffverluste durch einen Anstieg der Nitrifikation bei gleichzeitig verringerter mikrobieller Stickstoffimmobilisation und verringerte folglich die Stickstoffretentionseffezienz. Intensives Mähen konnte die durch Düngung hervorgerufenen Stickstoffverluste teilweise kompensieren. Die Vegetationszusammensetzung hatte keinen Einfluss auf die Stickstoffverluste, beeinflusste jedoch die Stickstoffretentionseffizienz: Die (unbehandelte) Kontrollvegetation, die sich im Laufe jahrzehntelanger extensiver Bewirtschaftung entwickelt hat, zeigte die höchste Stickstoffretentionseffizienz. Die niedrigste Stickstoffretentionseffizienz war für die Monokotyl-angereicherte Vegetation zu verzeichnen. Es bestand eine starke Korrelation zwischen der Sticksoffretentionseffizienz und der mikrobiellen Ammoniumimmobilisation sowie der mikrobiellen Biomasse. Die Korrelationen zwischen Stickstoffretentionseffizienz und der Stickstoffaufnahme durch Pflanzen war hingegen nur marginal-signifikant, was die Bedeutung des mikrobiellen Stickstoffrückhaltes im System Boden-Pflanze unterstreicht. Im Gegensatz zu anderen häufig verwendeten Indizes berücksichtigt die Stickstoffretentionseffizienz diesen Mechanismus. Zudem war die Stickstoffretentionseffizienz in der Lage, Unterschiede zwischen den Vegetationszusammensetzungen abzubilden, während die (absoluten) Stickstoffverluste nur durch die Düngung beeinflusst wurden. Die Stickstoffretentionseffizienz ist demnach ein geeigneter Indikator für die Evaluierung von Nachhaltigkeit in der Grünlandbewirtschaftung und der Vegetationszusammensetzung.