<p>
Eine Hauptquelle des vom Menschen verursachten
klimaschädlichen Distick-stoffoxids (N<sub>2</sub>O), 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 (NO<sub>3</sub><sup>-</sup>) über Nitrit
(NO2-) und Stickstoffmonoxid (NO) zu N<sub>2</sub>O und
schließlich zu Di-Stickstoff (N<sub>2</sub>) umgesetzt,
wobei N<sub>2</sub>O 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 N<sub>2</sub>O-
Prozesse im Boden besser zu verstehen.
</p>
<p>
Diese Arbeit beinhaltet verschiedene
Untersuchungsergebnisse zum Thema „N<sub>2</sub>O-
Emissionen landwirtschaftlicher Böden“ und
liefert hilfreiche Informationen, die dazu
beitragen, die Wissenslücke bezüglich der N<sub>2</sub>O-
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 N<sub>2</sub>O 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 N<sub>2</sub>O-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 N<sub>2</sub>O während der
Denitrifikation in Ackerböden mit Hilfe stabiler
Isotope präsentiert. Der erste Versuch zielte
durch die zeitgleiche Erfassung der N<sub>2</sub>O-
Produktion und -Reduktion darauf ab
herauszufinden, ob die Isotopensignaturen des
emittierten N<sub>2</sub>O unter der nicht-homogenen NO<sub>3</sub><sup>-</sup>-
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 N<sub>2</sub>- und N<sub>2</sub>O-
Flüsse auch dazu dienen festzustellen, inwieweit
die Isotopensignaturen des emittierten N<sub>2</sub>O und
des NO<sub>3</sub><sup>-</sup> im Boden die N<sub>2</sub>-Flüsse und das
Verhältnis von N<sub>2</sub>O/N<sub>2</sub> widerspiegeln und ob die
Isotopensignaturen des N<sub>2</sub>O 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 N<sub>2</sub>O- 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 (N<sub>2</sub>O-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 N<sub>2</sub> 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 (N<sub>2</sub>O, N<sub>2</sub> und
Kohlenstoffdioxid) und Isotopensignaturen
(δ<sup>18</sup>O-N<sub>2</sub>O,
δ<sup>15</sup>N<sup>bulk</sup>-N<sub>2</sub>O, δ<sup>15</sup>N<sup>α</sup>, δ<sup>15</sup>N<sup>β</sup> und die <sup>15</sup>N
Positionspräferenz) des emittierten N<sub>2</sub>O
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 N<sub>2</sub>O-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 N<sub>2</sub>O-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 N<sub>2</sub>O-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 N<sub>2</sub>O-
Emissionen geführt hat. Es wurden jedoch große
Abweichungen bezüglich der modellierten und
gemessenen N<sub>2</sub>O-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 N<sub>2</sub>O-
Isotopologen den zeitlichen Verlauf der
beobachteten N<sub>2</sub>O- und N<sub>2</sub>-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
δ<sup>18</sup>O-N<sub>2</sub>O-Signaturen auf die N<sub>2</sub>O-Reduktion zum N<sub>2</sub>
hin.
</p>
<p>
Der bedeutende Einfluss der Wiederbefeuchtung
eines Bodens auf die N<sub>2</sub>O-Emissionen belegt die
vierte Studie. Der Versuchsansatz zeigt, dass
das zeitgleiche Erfassen von N<sub>2</sub>- und N<sub>2</sub>O-Flüssen
und der Isotopensignaturen von NO<sub>3</sub><sup>-</sup> und N<sub>2</sub>O
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 N<sub>2</sub>O gezeigt hat und dass die Modellierung
der N<sub>2</sub>O-Gesamtemissionen der zwei
Bodenbearbeitungs-systeme mit den gemessenen
Werten übereinstimmte. Die Nutzung stabiler
Isotope hat das Verständnis der N<sub>2</sub>O-Produktions-
und -Verbrauchsprozesse verbessert und die
initialen Feuchtebedingungen haben die
Emissionen und die Isotopensignaturen während
der Denitrifikation in einem Ackerboden
beeinflusst.
</p>
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-goettingen.de/oai:ediss.uni-goettingen.de:11858/00-1735-0000-0022-6050-F |
| Date | 18 July 2014 |
| Creators | Sielhorst, Anja |
| Contributors | Flessa, Heinz Prof. Dr. |
| Source Sets | Georg-August-Universität Göttingen |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralThesis |
| Rights | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ |
Page generated in 0.0026 seconds