<p> Eine Hauptquelle des vom Menschen verursachten klimaschädlichen Distick-stoffoxids (N₂O), das auch Lachgas genannt wird, sind landwirtschaftliche Böden. Im Hinblick auf die ansteigende Weltbevölkerung ist mit einer Erhöhung der landwirtschaftlichen Produktion zu rechnen - mit weitreichenden Auswirkungen auf den Stickstoffkreislauf. Allerdings sind noch immer nicht alle Stickstoffflüsse und Umbauprozesse in Böden bis ins Detail verstanden, im Speziellen die Denitrifikation als einer der Schlüsselprozesse. Bei der Denitrifikation wird Nitrat (NO₃^-) über Nitrit (NO2-) und Stickstoffmonoxid (NO) zu N₂O und schließlich zu Di-Stickstoff (N₂) umgesetzt, wobei N₂O parallel entstehen und verbraucht werden kann. Die Politik befasst sich angesichts des Klimawandels und dessen Folgen mit Maßnahmen zur Reduzierung der Treibhausgase gerade im Agrarbereich. Um die Emissionen von Klimagasen vorhersagen zu können, werden prozessbasierte Modelle verwendet, die mit Hilfe von Feldstudien eingeschätzt und verbessert werden sollen. Weiterhin können beispielsweise Isotopomermessungen dazu beitragen, die N₂O- Prozesse im Boden besser zu verstehen. </p> <p> Diese Arbeit beinhaltet verschiedene Untersuchungsergebnisse zum Thema „N₂O- Emissionen landwirtschaftlicher Böden“ und liefert hilfreiche Informationen, die dazu beitragen, die Wissenslücke bezüglich der N₂O- Prozesse und deren Einflussfaktoren zu füllen. </p> <p> In einer ersten Teilstudie wird der Langzeiteffekt unterschiedlicher Bodenbearbeitung (pflugbasiert vs. pfluglos) einerseits auf die Vorräte und die Verteilung organischen Kohlenstoffs und des Gesamtstickstoffs und andererseits auf die Jahresemission von N₂O und die jährliche Methanaufnahme beschrieben und diskutiert. Dabei sollte insbesondere untersucht werden, wie sich die Bearbeitung auch auf die Variation der Gasflüsse und auf die Faktoren, die die zeitliche und räumliche Variabilität bedingen, auswirkt. </p> <p> Zusätzlich wurden mit dem „Denitrification- Decomposition“-Modell (DNDC) die bei den Feldversuchen erfassten N₂O-Emissionen und Ernteerträge der zwei Bearbeitungsvarianten modelliert. Damit sollte die Eignung des Modells im Hinblick auf die Beschreibung und Vorhersagbarkeit der Emissionen und Erträge der unterschiedlich bewirtschafteten Böden getestet werden. </p> <p> Des Weiteren werden zwei Laborexperimente zur Identifizierung von Produktions- und Reduktionsprozessen des N₂O während der Denitrifikation in Ackerböden mit Hilfe stabiler Isotope präsentiert. Der erste Versuch zielte durch die zeitgleiche Erfassung der N₂O- Produktion und -Reduktion darauf ab herauszufinden, ob die Isotopensignaturen des emittierten N₂O unter der nicht-homogenen NO₃^-- und Denitrifikationsverteilung im Boden geeignet sind, die involvierten Prozesse besser zu beschreiben. </p> <p> Der zweite Versuch sollte neben dem Einfluss der initialen Bodenfeuchte auf die N₂- und N₂O- Flüsse auch dazu dienen festzustellen, inwieweit die Isotopensignaturen des emittierten N₂O und des NO₃^- im Boden die N₂-Flüsse und das Verhältnis von N₂O/N₂ widerspiegeln und ob die Isotopensignaturen des N₂O als Werkzeug zur Untersuchung der Denitrifikation im Boden geeignet sind. </p> <p> Für die Untersuchung des Einflusses der Bodenbearbeitung wurden die Versuchsstandorte Garte Süd und Hohes Feld bei Göttingen ausgewählt. Die lössbasierten Parabraunerden unterliegen seit über 40 Jahren der konventionellen (pflugbasierten) und der reduzierten (pfluglosen) Bodenbearbeitung, mit den jeweiligen Bearbeitungstiefen von 25 bis 28 und 5 bis 8 Zentimetern. Über einen Zeitraum von zwei Jahren wurden die N₂O- und Methan- Flussraten mittels Haubenmethode sowie einige Bodenparameter (Wassergehalt und mineralischer Stickstoffgehalt) wöchentlich gemessen und Wetterdaten (Temperatur und Niederschlag) täglich erfasst. Zusätzlich wurde zu Beginn der Untersuchung eine Bodeninventur durchgeführt. Ernteerträge wurden getrennt für die Flächen, Jahre und Bodenbearbeitungsvarianten bestimmt. </p> <p> Für die Modellierung wurde ein Testmodel, basierend auf der Parametrisierung einer Variante der ersten Teilstudie (Garte Süd, pflugbasiert) generiert, welches die erfassten Daten (N₂O-Emissionen, Erträge, Bodenwasserdynamik) am besten beschrieben hat. Diese Parametrisierung wurde dann an den anderen Varianten als zurückblickende Simulation angewendet. </p> <p> Die beiden Laborversuche fanden in England am Institute of Grassland and Environmental Research, North Wyke, statt. Mit Hilfe eines speziellen Denitrifikations-Inkubationssystems unter Ausschluss des N₂ wurden zwölf mit Ackerboden gefüllte Zylinder eingebaut und nach Über- und Durchströmen mit einem Helium/Sauerstoff Gemisch wurde Glukose (400 kg C ha-1) und Kaliumnitrat (75 kg N ha-1) bei einem wassergefüllten Porenvolumen von 85% über ein mittig angebrachtes zweites Gefäß von oben zugegeben. Nach 7,5 Tagen wurde statt des Helium/Sauerstoff Gemisches reines Helium verwendet, um eine vollständige Denitrifikation zu gewährleisten. Die Gasflüsse (N₂O, N₂ und Kohlenstoffdioxid) und Isotopensignaturen (&delta;¹⁸O-N₂O, &delta;¹⁵N^bulk-N₂O, &delta;¹⁵N^&alpha;, &delta;¹⁵N^&beta; und die ¹⁵N Positionspräferenz) des emittierten N₂O wurden über einen Zeitraum von 13 Tagen erfasst. </p> <p> Bei dem zweiten Laborversuch wurde ein Teil der Bodenproben bei trockenen (20% wassergefülltes Porenvolumen), der andere Teil bei deutlich feuchteren Bedingungen (75% wassergefüllter Porenvolumen) über einen Zeitraum von vier Wochen vorinkubiert. Anschließend wurden alle Proben auf denselben hohen Wassergehalt (85% wassergefülltes Porenvolumen) eingestellt, in die Versuchsanlage eingebaut, unter Helium/Sauerstoff Atmosphäre gesetzt. Nach Zugabe von Glukose (400 kg C ha-1) und Kaliumnitrat (75 kg N ha-1) (90% wassergefülltes Porenvolumen) wurden die Gasflüsse und Isotopensignaturen analog zum ersten Versuch zehn Tage lang untersucht. In diesem Versuch wurde nach sechs Tagen die Sauerstoffzufuhr gestoppt. </p> <p> Die Ergebnisse der ersten Studie ergeben, dass die jährlichen N₂O-Flüsse und Methan-Aufnahmen der untersuchten Ackerböden mehr von den Bodeneigen-schaften, dem Klima und der Bewirtschaftung abhingen als vom Bearbeitungs- system. Winteremissionen machten bis zu 50 Prozent der jährlichen N₂O-Emissionen aus und die Jahresemissionen spiegeln die Unterschiede der Jahresniederschläge wieder. Außerdem hat sich das jahrzehntelange Pflügen auf die Verteilung des organischen Kohlenstoffs im Bodenprofil ausgewirkt, jedoch nicht auf den Gesamtkohlenstoffvorrat der gepflügten und minimal bearbeiteten Flächen. Unterschiede der Gesamtkohlenstoffvorräte zwischen den Flächen lassen sich auf den unterschiedlichen Tongehalt zurückführen. </p> <p> Die standortspezifische Kalibration hat sich als essenzielle Voraussetzung für die Modellierung der N₂O-Flüsse und Ernteerträge herausgestellt. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Kalibration mit experimentellen Daten und verfügbaren Literaturangaben zu annähernder Übereinstimmung zwischen modellierten und gemessenen Erträgen und den jährlichen N₂O- Emissionen geführt hat. Es wurden jedoch große Abweichungen bezüglich der modellierten und gemessenen N₂O-Emissionen im Jahresverlauf festgestellt. Die Pedotransferfunktionen das Denitrifikationsteilmodell des verwendeten DNDC Modells bedürfen daher weiterer Verbesserungen. </p> <p> Die dritte Studie legt dar, dass die N₂O- Isotopologen den zeitlichen Verlauf der beobachteten N₂O- und N₂-Flüsse widerspiegelten und hilfreiche Prozess-informationen lieferten. Die eindeutige Identifizierung der Quellprozesse wurde durch das Auftreten mehrerer Faktoren behindert und konnte abschließend nicht aufgeklärt werden. Dennoch wies der zeitgleiche Anstieg der 15N-Positions-präferenz und der &delta;¹⁸O-N₂O-Signaturen auf die N₂O-Reduktion zum N₂ hin. </p> <p> Der bedeutende Einfluss der Wiederbefeuchtung eines Bodens auf die N₂O-Emissionen belegt die vierte Studie. Der Versuchsansatz zeigt, dass das zeitgleiche Erfassen von N₂- und N₂O-Flüssen und der Isotopensignaturen von NO₃^- und N₂O zusammen mit der Modellierung der Isotopenfraktionierung Einblicke in die räumliche Verteilung von N Spezies und der mikrobiellen Aktivität im Boden erlaubt. </p> <p> Insgesamt bleibt festzuhalten, dass sich kein genereller Einfluss der betrachteten Bodenbearbeitungssysteme auf den Nettoaustausch des N₂O gezeigt hat und dass die Modellierung der N₂O-Gesamtemissionen der zwei Bodenbearbeitungs-systeme mit den gemessenen Werten übereinstimmte. Die Nutzung stabiler Isotope hat das Verständnis der N₂O-Produktions- und -Verbrauchsprozesse verbessert und die initialen Feuchtebedingungen haben die Emissionen und die Isotopensignaturen während der Denitrifikation in einem Ackerboden beeinflusst. </p>

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