Biochar and Biological Nitrification Inhibition (BNI) capacity as strategy to mitigate nitrous oxide in maize (Zea mays L.)

FIRDAUSI NUR AZIZAH, Prof. Dr. Ir. Benito Heru Purwanto, M.P., M.Agr.; Prof. Dr. Keitaro Tawaraya; Prof. Dr. Diah Rachmawati, S.Si., M.Si.

2023 | Disertasi | S3 Ilmu Pertanian

Pengendalian proses nitrifikasi merupakan strategi utama untuk menurunkan emisi N₂O karena produk akhir NO₃^- berfungsi sebagai substrat denitrifikasi (sumber N₂O pada kondisi anaerobik) dan nitrifikasi berperan sebagai sumber N₂O pada kondisi aerobik. Untuk mengurangi emisi N₂O dan konservasi N, penelitian terbaru berfokus peran eksudat akar yang mampu menghambat nitrifikasi. Pemuliaan tanaman selektif dapat digunakan untuk mengendalikan aktivitas nitrifikasi di dalam tanah dibandingkan dengan pupuk atau inhibitor nitrifikasi sintetis. Penelitian ini bertujuan untuk mengidentifikasi dan memperoleh alternatif strategi menekan nitrifikasi guna menurunkan emisi N₂O pada jagung sebagai salah satu tanaman pangan penting di dunia yang mempunyai potensi nilai faktor emisi N₂O yang tinggi melalui pemanfaatan penghambatan nitrifikasi secara biologi (biological nitrification inhibition, BNI) dan biochar. BNI pada jagung hingga saat ini belum banyak mendapat perhatian dibandingkan dengan padi dan gandum. Tiga puluh varietas jagung diklasifikasikan berdasarkan kecenderungan emisi N₂O dan hasil panen pada tingkat N yang berbeda kemudian dibandingkan dengan Brachicaria humudicola (Bh), tanaman dengan kapasitas BNI tinggi, untuk mengidentifikasi aktivitas penghambatan nitrifikasi (NI). Varietas jagung dengan kapasitas NI rendah/tanpa NI digunakan untuk mempelajari mekanisme biochar dalam mitigasi emisi N₂O. Varietas jagung efisien (EE) (Bisi 228, Bisi 2, Bisi 99, Bisi 18, dan NK 7202), yang menunjukkan hasil gabah tinggi secara konsisten dan emisi rendah di bawah N1 dan N3, menunjukkan peningkatan tingkat hasil panen, komponen hasil, akumulasi N, bahan kering, volume akar, dan NH₄⁺ dalam tanah, serta penurunan kumulatif N₂O dan NO₃^- dalam tanah dibandingkan dengan varietas jagung inefisien N (NN) (Arjuna, Manding, Guluk-guluk, NK 007, Anoman, dan Pertiwi 3 ), yang secara konsisten menghasilkan hasil panen yang rendah dan emisi N₂O yang tinggi baik pada N1 maupun N3. Variasi jagung mempunyai pengaruh yang beragam terhadap nitrifikasi, dinamika N, dan karakteristik tanaman selama fase vegetatif. Beberapa varietas jagung (Bisi 228, Bisi 99, Pioneer 35, Pioneer 36, Anoman, dan Bisma) memiliki laju nitrifikasi (NR) 1,1–1,6 kali lebih rendah dibandingkan Bh, dan menghasilkan NO₃^- yang lebih rendah. Sumber biochar, varietas jagung, dan kombinasi keduanya dapat memberikan dampak signifikan terhadap sifat-sifat tanah, dinamika nitrogen (emisi NH₄⁺, NO₃^- dan N₂O), dan karakteristik tanaman (biomassa dan sistem perakaran). Aplikasi biochar berpotensi menurunkan emisi N₂O pada Bisi 79 dan Anoman (emisi N₂O tinggi), hingga setara dengan Bisi 228 dan NK 007 (emisi N₂O rendah). Dalam hal pengurangan emisi N₂O kumulatif selama tahap vegetatif, biochar tajuk jagung mengungguli biochar serbuk gergaji dan sekam padi. Sehubungan dengan varietas jagung yang berbeda, ditemukan perubahan besar dalam eksudasi akar, dan beberapa perubahan dalam konsentrasi eksudat akar dikaitkan dengan perubahan konsentrasi N akar dan tajuk. Bisi 228 mengekskresikan kadar asam organik dan amino paling rendah, serta kadar nukleotida dan gula amino tertinggi, serta konsentrasi N tertinggi pada akar dan tajuk, sedangkan Anoman menunjukkan tren sebaliknya. Dibandingkan dengan kontrol, eksudat akar dari Bisi 228 menunjukkan kapasitas 3,6% untuk menghambat nitrifikasi, sedangkan eksudat akar dari Anoman menunjukkan kapasitas 0,5% untuk menstimulasi nitrifikasi. Bisi 228 dapat menjadi strategi yang layak untuk meningkatkan efisiensi pupuk N tanpa mengurangi produksi jagung serta mengurangi dampak negatif hilangnya N dalam sistem pertanian. Biochar tajuk jagung dapat menjadi alternatif strategi mitigasi emisi N₂O dan konservasi N dalam tanah untuk jagung dengan emisi N₂O tinggi.

Controlling the nitrification process is the main strategy for lowering N₂O production because the end product NO₃^- functions as a denitrification substrate (a source of N₂O under anaerobic conditions) and nitrification acts as a source of N₂O under aerobic conditions. To decrease N₂O emissions and conserve N, recent studies have focused on chemicals derived from root exudates that inhibit nitrification. However, selective plant breeding could be used to control nitrification activity in soil instead of fertilisers or synthetic nitrification inhibitors. This study aims to identify and obtain alternative strategies to suppress nitrification in order to reduce N₂O emissions in maize as one of the most significant food crops in the world and has a high potential N₂O emission factor value through the use of biological nitrification inhibition (BNI) and biochar, whereas BNI in maize has not yet drawn much attention in contrast to rice and wheat. Thirty maize varieties were classified based on trends in N₂O emissions and grain yields under different N-rate then compared to Brachicaria humudicola (Bh), a plant with high BNI capacity, to identify nitrification inhibition (NI) activity. Maize varieties with high NI capacity and low/no NI capacity were used to identify the capacity of BNI in maize and studying the mechanism of biochar in mitigating N₂O emissions. Maize yield and N₂O flux varied among varieties, while exhibiting inconsistent responses to the N-rate application. The efficient maize varieties (EE) (Bisi 228, Bisi 2, Bisi 99, Bisi 18, and NK 7202), which revealed consistent high grain yield and low emission under N1 and N3, showed increased levels of grain yield, yield components, N-accumulation, dry matter, root volume, and NH₄⁺ in soil, and reduced cumulative N₂O and NO₃^- in soil compared to N-inefficient maize varieties (NN) (Arjuna, Manding, Guluk-guluk, NK 007, Anoman, and Pertiwi 3), which were consistent result in low grain yield and high N₂O emission both under N1 and N3. Maize variety had diverse effects on nitrification, N dynamics, and plant characteristics during the vegetative stages. Some maize varieties (Bisi 228, Bisi 99, Pioneer 35, Pioneer 36, Anoman, and Bisma) had 1.1–1.6 times lower nitrification rate (NR) compared to that of Bh, and had lower NO₃^- formation. In response to different varieties of maize, there was a considerable change in root exudation, and some of these changes in root exudate concentration were associated to changes in root and shoot N concentration. Bisi 228 (low N₂O emission and high grain yield) exuded the lowest levels of organic and amino acids, as well as the highest levels of nucleotide and amino sugars, and the highest concentration of N in the roots and shoots, while Anoman (high N₂O emission and low grain yield) showed the opposite trend. In comparison to the control, root exudate from Bisi 228 demonstrated a 3.6?pacity to inhibit nitrification, while root exudate from Anoman demonstrated a 0.5?pacity to promote nitrification. Biochar source, maize variety, and their combination could have a significant impact on soil properties, nitrogen dynamics (NH₄⁺, NO₃^-, and N₂O emission), and plant characteristics (biomass and root systems). The application of biochar potentially lowered the N₂O emissions of Bisi 79 and Anoman (high N₂O emissions), to levels similar to those of Bisi 228 and NK 007 (low N₂O emissions). Regarding the reduction of cumulative N₂O emission during the vegetative stage, maize stove biochar outperformed sawdust and rice husk biochar. The Bisi 228 can be a feasible strategy for increasing N fertilizer efficiency without reducing maize production as well as decrease the negative impact of N lost in agricultural system. Corn stove biochar can be an alternative strategy to mitigate N₂O emissions and conserve N in soil for maize with high N₂O emission.

Kata Kunci : climate change, nitrogen use efficiency, root-soil interaction, biochar, maize