Short-term sequestration of slurry-derived carbon and nitrogen in temperate grassland soil as assessed by 13C and 15N natural abundance measurements

Land application of animal wastes from intensive grassland farming has caused growing environmental problems during the last decade. This study aimed to elucidate the short-term sequestration of slurry-derived C and N in a temperate grassland soil (Southwest England) using natural abundance 13C and 15N stable isotope techniques. Slurry was collected from cows fed either on perennial ryegrass (C3) or maize (C4) silages. 50 m3 ha—1 of each of the obtained C3 or C4 slurries (δ13C = —30.7 and —21.3‰, δ15N = +12.2 and + 13.8 ‰, respectively) were applied to a C3 soil with δ13C and δ15N values of —30.0 ± 0.2‰ and + 4.9 ± 0.3‰, respectively. Triplicate soil samples were taken from 0—2, 2—7.5, and 7.5—15 cm soil depth 90 and 10 days before, at 2 and 12 h, as well as at 1, 2, 4, 7, and 14 days after slurry application and analyzed for total C, N, δ13C, and δ15N. No significant differences in soil C and N content were observed following slurry application using conventional C and N analysis techniques. However, natural abundance 13C and 15N isotope analysis allowed for a sensitive temporal quantification of the slurry-derived C and N sequestration in the grassland soil. Our results showed that within 12 hours more than one-third of the applied slurry C was found in the uppermost soil layer (0—2 cm), decreasing to 18% after 2 days, but subsequently increasing to 36% after 2 weeks. The tentative estimate of slurry-derived N in the soil suggested a decrease from 50% 2 hours after slurry application to only 26% after 2 weeks, assuming that the increase in δ15N of the slurry plots compared to the control is proportional to the amount of slurry-incorporated N. We conclude that the natural abundance tracer technique can provide a rapid new clue to the fate of slurry in agricultural C and N budgets, which is important for environmental impacts, farm waste management, and climate change studies. Bestimmung des kurzfristigen Verbleibs von gulleburtigem Kohlen- und Stickstoff in einem Graslandboden der gemasigten Breiten mit Hilfe naturlicher 13C- und 15N-Isotopenhaufgkeiten Die Ausbringung von Gulle in der Intensiv-Landwirtschaft hat im letzten Jahrzehnt verstarkt zu Umweltproblemen gefuhrt. Ziel dieser Studie ist, den kurzfristigen Verbleib des gulleburtigen C und N in einem Graslandboden der gemasigten Breiten (North Wyke, England) uber die Bestimmung naturlicher 13C- und 15N-Isotopenhaufigkeiten zu ermitteln. Die Gulle stammt von Rindern, die entweder mit Lolium perenne (C3) oder Mais (C4) gefuttert wurden. Anschliesend wurden 50 m3 ha—1 der jeweiligen C3- bzw. C4-Gulle (δ13C = —30.7 und —21.3‰, δ15N = +12.2 und +13.8‰) auf eine C3-Weide appliziert (δ13C = —30.0±0.2‰, δ15N = + 4.9 ± 0.3‰). Die Entnahme der Bodenproben erfolgte in dreifacher Wiederholung aus 0—2, 2—7.5 und 7.5—15 cm Tiefe jeweils 90 und 10 Tage vor Applikation, sowie 2 h, 12 h und 1, 2, 4, 7 und 14 Tage nach Applikation. Alle Proben wurden hinsichtlich ihrer C- und N-Gehalte sowie δ13C- und δ15N-Werte charakterisiert. Die Gesamt-C- und -N-Gehalte im Boden unterschieden sich nicht signifikant vor und nach der Gulle-Applikation. Empfindlichere Indikatoren waren die naturlichen 13C- und 15N-Isotopenhaufigkeiten. Die Ergebnisse zeigen, dass sich bereits nach 12 h uber ein Drittel des gulleburtigen C im Boden (0—2 cm) wiederfindet. Nach 2 Tagen reduzierte sich dieser Anteil auf 18% der Applikationsmenge, stieg nach 2 Wochen allerdings wieder auf 36% an. Der Anteil des gulleburtigen N in 0-2 cm Tiefe sank im Versuchszeitraum von 50% der Applikationsmenge 2 Stunden nach Gulle-Applikation auf nur 26% nach 2 Wochen. Allerdings setzt diese Schatzung voraus, dass der Anstieg der δ15N-Werte im Boden nach Applikation den Eintrag von Gulle-N widerspiegelt. Wir folgern, dass die Bestimmung naturlicher Isotopenhaufigkeiten ein nutzliches Werkzeug ist, um schnelle Einblicke in das Umweltverhalten von Gulle-C und -N in landwirtschaftlich genutzten Boden zu gewinnen.