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Do cover crops enhance soil greenhouse gas losses during high emission moments under temperate Central Europe conditions? Cover

Do cover crops enhance soil greenhouse gas losses during high emission moments under temperate Central Europe conditions?

Die Bodenkultur: Journal of Land Management, Food and Environment
Volume 68 (2017): Issue 3 (September 2017)
By: Gernot Bodner,  Axel Mentler,  Andreas Klik,  Hans-Peter Kaul and  Sophie Zechmeister-Boltenstern  
Open Access
|Mar 2018

Figures & Tables

Figure 1

Monthly averages of rainfall and temperature (experimental year and long-term averages) at the two sites. Green arrows indicate the time of greenhouse gas measurements.Abbildung 1. Monatliche Mittelwerte des Niederschlags und der Temperatur (Versuchsjahr und langjähriges Mittel) auf den beiden Versuchsstandorten. Grüne Pfeile zeigen die Termine der Treibhausgasmessungen.
Monthly averages of rainfall and temperature (experimental year and long-term averages) at the two sites. Green arrows indicate the time of greenhouse gas measurements.Abbildung 1. Monatliche Mittelwerte des Niederschlags und der Temperatur (Versuchsjahr und langjähriges Mittel) auf den beiden Versuchsstandorten. Grüne Pfeile zeigen die Termine der Treibhausgasmessungen.

Figure 2

Example of autocorrelation test (N2O Pötting, March 2013). Grey area indicates 95% confidence band demonstrating that (i) there was no spatial trend and (ii) neighboring samples were generally uncorrelated.Abbildung 2. Beispiel des Autokorrelationstests (N2O Pötting, März 2013. Die graue Fläche stellt das 95 %-Konfidenzband dar und zeigt, dass (i) keine räumlichen Trends vorliegen und (ii) benachbarte Proben nicht miteinander korrelieren.
Example of autocorrelation test (N2O Pötting, March 2013). Grey area indicates 95% confidence band demonstrating that (i) there was no spatial trend and (ii) neighboring samples were generally uncorrelated.Abbildung 2. Beispiel des Autokorrelationstests (N2O Pötting, März 2013. Die graue Fläche stellt das 95 %-Konfidenzband dar und zeigt, dass (i) keine räumlichen Trends vorliegen und (ii) benachbarte Proben nicht miteinander korrelieren.

Figure 3

Cover crop dry matter and C/N ratio at the two experimental sites. Significant differences for p < 0.05 between sites are indicated by upper-case letters, while differences between cover crop species at one site (dry matter) and average species differences (C/N ratio) are indicated by lower-case letters.Abbildung 3. Zwischenfrucht-Trockenmasse und C/N-Verhältnis auf den beiden Versuchsstandorten. Signifikante Unterschiede (p < 0,05) zwischen den Standorten sind mit Großbuchstaben gekennzeichnet, während Unterschiede zwischen den Arten innerhalb eines Standortes (Trockenmasse) und mittlere Artenunterschiede (C/N-Verhältnis) mit Kleinbuchstaben gezeigt werden.
Cover crop dry matter and C/N ratio at the two experimental sites. Significant differences for p < 0.05 between sites are indicated by upper-case letters, while differences between cover crop species at one site (dry matter) and average species differences (C/N ratio) are indicated by lower-case letters.Abbildung 3. Zwischenfrucht-Trockenmasse und C/N-Verhältnis auf den beiden Versuchsstandorten. Signifikante Unterschiede (p < 0,05) zwischen den Standorten sind mit Großbuchstaben gekennzeichnet, während Unterschiede zwischen den Arten innerhalb eines Standortes (Trockenmasse) und mittlere Artenunterschiede (C/N-Verhältnis) mit Kleinbuchstaben gezeigt werden.

Figure 4

Boxplots of (a) N2O and (b) CO2 emissions from soil at the two measurement sites. Dark blue boxes are for the humid site (Pötting, OÖ), while light blue boxes are for the sub-humid site (Lichtenwörth, NÖ). Dotted lines show the mean values.Abbildung 4. Boxplots der (a) N2O und (b) CO2-Emissionen des Bodens an den beiden Versuchsstandorten. Dunkelblaue Boxen stehen für den Standort im Feuchtgenbiet (Pötting, OÖ), hellblaue Boxen für den subhumiden Standort (Lichtenwörth, NÖ). Strichlierte Linien zeigen den Mittelwert.
Boxplots of (a) N2O and (b) CO2 emissions from soil at the two measurement sites. Dark blue boxes are for the humid site (Pötting, OÖ), while light blue boxes are for the sub-humid site (Lichtenwörth, NÖ). Dotted lines show the mean values.Abbildung 4. Boxplots der (a) N2O und (b) CO2-Emissionen des Bodens an den beiden Versuchsstandorten. Dunkelblaue Boxen stehen für den Standort im Feuchtgenbiet (Pötting, OÖ), hellblaue Boxen für den subhumiden Standort (Lichtenwörth, NÖ). Strichlierte Linien zeigen den Mittelwert.

Figure 5

Greenhouse gas emissions (N2O and CO2) from different cover crop treatments and fallow. Significant species differences for N2O (Fig. 5a) are indicated by lower-case letters. For CO2 (Fig. 5b) lowercase letters refer to species differences at the same measurement date, while upper-case letters indicate differences between dates for a given species. Variants sharing a common letter do not differ significantly at p < 0.05.Abbildung 5. Treibhausgasemissionen (N2O und CO2) von unterschiedlichen Zwischenfrüchten und Schwarzbrache. Signifikante Artunterschiede für N2O (Abb. 5a) sind mit Kleinbuchstaben gekennzeichnet. Für CO2 (Abb. 5 b) zeigen Kleinbuchstaben Artunterschiede beim selben Messtermin, während Großbuchstaben die Unterschiede zwischen den Messterminen für eine Art zeigen. Varianten mit gleichem Buchstaben unterscheiden sich nicht signifikant bei p < 0,05.
Greenhouse gas emissions (N2O and CO2) from different cover crop treatments and fallow. Significant species differences for N2O (Fig. 5a) are indicated by lower-case letters. For CO2 (Fig. 5b) lowercase letters refer to species differences at the same measurement date, while upper-case letters indicate differences between dates for a given species. Variants sharing a common letter do not differ significantly at p < 0.05.Abbildung 5. Treibhausgasemissionen (N2O und CO2) von unterschiedlichen Zwischenfrüchten und Schwarzbrache. Signifikante Artunterschiede für N2O (Abb. 5a) sind mit Kleinbuchstaben gekennzeichnet. Für CO2 (Abb. 5 b) zeigen Kleinbuchstaben Artunterschiede beim selben Messtermin, während Großbuchstaben die Unterschiede zwischen den Messterminen für eine Art zeigen. Varianten mit gleichem Buchstaben unterscheiden sich nicht signifikant bei p < 0,05.

Figure 6

Trend of single treatment emissions at increasing the average emission potential (joint regression) for (a) N2O and (b) CO2. The upper part of the figure shows the influence of N-fertilization while the lower part shows the different cover crops and fallow. Grey shaded areas represent 95% confidence bands.Abbildung 6. Trend der Emission der einzelnen Behandlungen bei steigendem Emissionspotential (Joint Regression) für (a) N2O und (b) CO2. Der obere Teil der Abbildung zeigt den Einfluss der N-Düngung, während der untere Teil die unterschiedlichen Zwischenfrüchte und Schwarzbrache zeigt. Die graue Fläche repräsentiert das 95 %-Konfidenzband.
Trend of single treatment emissions at increasing the average emission potential (joint regression) for (a) N2O and (b) CO2. The upper part of the figure shows the influence of N-fertilization while the lower part shows the different cover crops and fallow. Grey shaded areas represent 95% confidence bands.Abbildung 6. Trend der Emission der einzelnen Behandlungen bei steigendem Emissionspotential (Joint Regression) für (a) N2O und (b) CO2. Der obere Teil der Abbildung zeigt den Einfluss der N-Düngung, während der untere Teil die unterschiedlichen Zwischenfrüchte und Schwarzbrache zeigt. Die graue Fläche repräsentiert das 95 %-Konfidenzband.

Figure 7

Relation between (a) soil mineral N, and (b) dissolved organic carbon (DOC) with CO2 and N2O emissions. In case of significant regressions, regression lines (Pötting: dotted line; Lichtenwörth: medium dashed line) and confidence bands (Pötting: grey area; Lichtenwörth: grey squared area).Abbildung 7. Beziehung zwischen (a) mineralischen N-Gehalt des Bodens und (b) gelöstem organischen Kohlenstoff (DOC) mit den Emissionen von CO2 und N2O. Für signifikante Regressionen sind die Regressionsgeraden (Pötting: gepunktete Linie; Lichtenwörth: strichlierte Linie) und das Konfidenzband gegeben (Pötting: graue Fläche; Lichtenwörth: grau schattierte Fläche).
Relation between (a) soil mineral N, and (b) dissolved organic carbon (DOC) with CO2 and N2O emissions. In case of significant regressions, regression lines (Pötting: dotted line; Lichtenwörth: medium dashed line) and confidence bands (Pötting: grey area; Lichtenwörth: grey squared area).Abbildung 7. Beziehung zwischen (a) mineralischen N-Gehalt des Bodens und (b) gelöstem organischen Kohlenstoff (DOC) mit den Emissionen von CO2 und N2O. Für signifikante Regressionen sind die Regressionsgeraden (Pötting: gepunktete Linie; Lichtenwörth: strichlierte Linie) und das Konfidenzband gegeben (Pötting: graue Fläche; Lichtenwörth: grau schattierte Fläche).

Figure 8

Relation between (a) soil water content, and (b) soil temperature with CO2 and N2O emissions. In case of significant regressions, regression lines (Pötting: dotted line; Lichtenwörth: medium dashed line) and confidence bands (Pötting: grey area; Lichtenwörth: grey squared area).Abbildung 8. Beziehung zwischen (a) Bodenwassergehalt und (b) Bodentemperatur mit den Emissionen von CO2 und N2O. Für signifikante Regressionen sind die Regressionsgeraden (Pötting: gepunktete Linie; Lichtenwörth: strichlierte Linie) und das Konfidenzband gegeben (Pötting: graue Fläche; Lichtenwörth: grau schattierte Fläche).
Relation between (a) soil water content, and (b) soil temperature with CO2 and N2O emissions. In case of significant regressions, regression lines (Pötting: dotted line; Lichtenwörth: medium dashed line) and confidence bands (Pötting: grey area; Lichtenwörth: grey squared area).Abbildung 8. Beziehung zwischen (a) Bodenwassergehalt und (b) Bodentemperatur mit den Emissionen von CO2 und N2O. Für signifikante Regressionen sind die Regressionsgeraden (Pötting: gepunktete Linie; Lichtenwörth: strichlierte Linie) und das Konfidenzband gegeben (Pötting: graue Fläche; Lichtenwörth: grau schattierte Fläche).

Figure 9

Relation between N content of cover crop biomass and N2O emissions. Data of the two experimental sites are pooled together. (Mustard variants are highlighted with white colored triangles.)Abbildung 9. Beziehung zwischen N-Gehalt der Zwischenfrucht-Biomasse und den N2O-Emissionen. Daten der zwei Versuchsstandorte sind gemittelt. (Senf-Varianten sind durch weiß gefüllte Dreiecke hervorgehoben.)
Relation between N content of cover crop biomass and N2O emissions. Data of the two experimental sites are pooled together. (Mustard variants are highlighted with white colored triangles.)Abbildung 9. Beziehung zwischen N-Gehalt der Zwischenfrucht-Biomasse und den N2O-Emissionen. Daten der zwei Versuchsstandorte sind gemittelt. (Senf-Varianten sind durch weiß gefüllte Dreiecke hervorgehoben.)

Figure 10

Time series of N2O (a) and CO2 (b) emissions following cover crops at the humid experimental site (Pötting, OÖ)Abbildung 10. Zeitreihe der N2O (a) und CO2 (b) Emissionen nach Zwischenfrucht auf dem humiden Standort (Pötting, OÖ)
Time series of N2O (a) and CO2 (b) emissions following cover crops at the humid experimental site (Pötting, OÖ)Abbildung 10. Zeitreihe der N2O (a) und CO2 (b) Emissionen nach Zwischenfrucht auf dem humiden Standort (Pötting, OÖ)

Results of mixed model analysis of variance (F-statistics and p-value of main effects and interactions) for greenhouse gas emissions_ Significant effects (in case of significant interactions, highest order interaction) are marked in bold_Tabelle 2_ Ergebnis der Varianzanalyse (gemischtes Model; F-Werte und p-Werte der Haupteffekte und ihrer Wechselwirkungen) für Treibhausgasemissionen_ Signifikante Effekte (bei signifikanten Interaktionen, die Interaktion höchster Ordnung) sind fett gekennzeichnet_

Effect

Site refers to experimental location, date to measurement date, N is N fertilization treatment, CC is soil cover treatment, Rep is replication.

N2OCO2
F-statisticp>FF-statisticp>F
Site0.000.98666.180.0180
Date6.460.00391.580.2197
Site × Date1.530.22909.680.0004
N0.510.47850.000.9503
Site × N2.980.09221.210.2782
Date × N0.000.99663.160.0553
Site × Date × N0.050.95411.510.2345
CC3.330.01959.17<.0001
Site × CC0.310.87160.250.9090
Date × CC1.810.09672.840.0113
Site × Date × CC0.40.91370.780.6188
N × CC1.140.35061.190.3325
Site × N × CC0.680.60700.190.9397
Date × N × CC1.500.18251.790.1018
Site × Date × N × CC0.660.72260.160.9954
Rep0.290.75100.730.4877
Date × Rep1.180.33110.880.4856

Regression relations between soil chemical and physical parameters and greenhouse gas emissionsTabelle 3_ Regressionsbeziehungen bodenchemischer und bodenphysikalischer Parameter mit Treibhausgasemissionen

SiteFactorsEquationR2p-value
PöttingSoil mineral N vs CO2y = -4.36 + 0.57x0.320.028
DOC vs N2Oy = -8.82 + 0.37x0.410.046
Soil water content vs. N2Oy = -16.56 + 0.52x0.390.013
LichtenwörthDOC vs. N2Oy = -5.21 + 0.26x0.580.011
Soil water content vs. CO2y = -14.11 + 0.83x0.410.011
Soil water content vs. N2Oy = -24.63 + 1.04x0.560.001

Overview of measured parameters, methods and sampling datesTabelle 1_ Überblick über die gemessenen Parameter, die Methoden und Beprobungstermine

ParameterMethodSampling date

Sampling dates at the two sites were ± 2 days.

Aboveground biomassDry matter at 105°C14 November 2012
CN ratioCNS analyzer-
CO2, N2OClosed chamber method22 November 2012, 1 February 2013, 6 March 2013
Soil mineral NPhotometric22 November 2012, 1 February 2013, 6 March 2013
DOC

DOC was measured from a mixed soil sample of three replicates.

Photometric22 November 2012, 1 February 2013, 6 March 2013
Soil water contentCapacitance22 November 2012, 1 February 2013, 6 March 2013
Soil temperatureThermistor22 November 2012, 1 February 2013, 6 March 2013
DOI: https://doi.org/10.1515/boku-2017-0015 | Journal eISSN: 2719-5430 | Journal ISSN: 0006-5471
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Language: English
Page range: 171 - 187
Submitted on: Oct 11, 2017
Accepted on: Dec 11, 2017
Published on: Mar 2, 2018
Published by: Universität für Bodenkultur Wien
In partnership with: Paradigm Publishing Services
Publication frequency: 4 issues per year
Keywords:
greenhouse gas emissions,
cover crops,
hot emission moment,
dissolved organic carbon,
mustard
Related subjects:
Life sciences,
Ecology,
Life sciences, other

© 2018 Gernot Bodner, Axel Mentler, Andreas Klik, Hans-Peter Kaul, Sophie Zechmeister-Boltenstern, published by Universität für Bodenkultur Wien
This work is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 3.0 License.

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