Hintergrund und Zielsetzung

Die starke Nutzung von Stickstoff (N) als Dünger für landwirtschaftliche Böden zieht eine Kaskade von negativen Umwelteffekten nach sich, u.a. die Emission von Lachgas (N₂O) aus biologischen Prozessen im Boden. Darüber hinaus besteht große Unsicherheit, was mit dem gedüngten Stickstoff passiert. Vermutlich geht ein großer Teil als molekularer Stickstoff (N₂) über den mikrobiellen Prozess der Denitrifikation verloren. Die genaue Größenordnung dieses Verlusts ist aber wegen unzureichender Messmethodik nicht bekannt. Die gegenwärtigen Methoden zur Quantifizierung von N₂-Emissionen müssen verbessert werden, um den N-Kreislauf in verschiedenen Agrarökosystemen aufzuschlüsseln. Auf dieser Grundlage lässt sich dann das N-Management verbessern. Die Deltaregion des Yangtze ist eine der am dichtesten besiedelten Gegenden Chinas und gehört zu den am stärksten mit Stickstoff belasteten Regionen weltweit. Die Arbeitsgruppe von Prof. Xiaoyuan Yan am Institute of Soil Science der CAS hat die N-Emissionen in der Deltaregion des Yangtze detailliert untersucht. Durch Bilanzrechnungen wurde festgestellt, dass mehr als die Hälfte des N-Eintrags aus den terrestrischen Agrarökosystemen verloren geht, vermutlich als N₂-Emission oder anaerobe Oxidation von Ammonium. Die Ergebnisse solcher indirekter Berechnungen sind jedoch recht ungenau da die Ermittlung der Bilanzgrößen mit großen Unsicherheiten behaftet ist. Hauptziel dieses Projekts ist deshalb, die Messmethoden zu verbessern, um die gasförmigen Verluste (N₂, N₂O, NO) genauer abschätzen zu können. Im vorliegenden Projekt untersuchen wir Böden aus drei landwirtschaftlichen Kulturen (Nassreis, Obst und Gemüse) unter Verwendung neuer, robuster Methoden. Ziel ist i) die präzise Quantifizierung von N₂ und N₂O-Emissionen in Abhängigkeit vom Nutzungssystem, ii) die Identifizierung der verursachenden Prozesse und iii) die Aufklärung ihrer Wirkfaktoren.

Vorgehensweise

Unsere Arbeitsgruppe am Thünen-Institut erforscht den N-Kreislauf in Agrarökosystemen und die daran beteiligten Prozesse, insbesondere im Boden und unter Verwendung von Stabilisotopenmethoden. Ein Schwerpunkt ist es, Methoden zur Quantifizierung der Denitrifikation auf Labor- und Feldskala zu entwickeln und zu verbessern. Wir haben u.A. die N₂O-Isotopomermethode zur Bestimmung von Prozessen der N₂O-Bildung weiterentwickelt, um damit zusätzlich auch die N₂O-Reduktion zu erfassen. In diesem Projekt werden wir

1. ein vollautomatisiertes Durchfluss-Inkubationssystem zur direkten Bestimmung der N₂-Emission und anderer Spurengasemissionen entwickeln,
2. Laborversuche durchführen, um die N₂O-Isotopomermethode zu kalibrieren und zu validieren,
3. die N₂O-Isotopomermethode anwenden, um das N₂O/(N₂+N₂O)-Produktverhältnis der Denitrifikation zu ermitteln und
4. in Kooperation mit  der Chinese Academy of Sciences (CAS) die zeitlich-räumliche Variabilität von Denitrifikation, N₂O-Emission und des N₂O/(N₂+N₂O)-Produktverhältnis sowie deren Regelfaktoren unter Feldbedingungen zu erfassen.

Dazu wird ein vollautomatisiertes Bodeninkubationssystem sowohl am Thünen-Institut als auch an der CAS etabliert, um damit parallele Versuchsansätze für die direkte Messung von N₂-Emissionen sowie für die Kalibrierung der N₂O-Isotopomermethode zu realisieren.

Unsere Forschungsfragen

Unsere Ziele im Teilprojekt sind:

• Direkte Bestimmung von N₂-, N₂O- und NO-Emissionen an den Böden der Projektstandorte.
• Kalibrierung und Validierung der N₂O-Isotopomermethode für die Versuchsflächen
• Zuordnung der N₂O-Emissionen zu den Prozessen der Nitrifikation, der bakteriellen Denitrifikation und der pilzlichen Denitrifikation
• Quantifizierung von N₂-Emissionen und des Produktverhältnis der Denitrifikation im Feld, in Phasen die hohe Emissionen erwarten lassen
• Bestimmung der Regelfaktoren der oben genannten Prozesse.
• Bestimmung der potenziellen Denitrifikationsrate (maximale Rate der N₂+N₂O-Bildung unter vollständig anoxischen Bedingungen und ohne Limitierung der Nitratverfügbarkeit) an kontrastierenden Böden aus der Yangtse-Deltaregion.
• Ermittlung von Daten zur Stöchiometrie der Denitrifikationsprodukte zur Verbesserung unseres Prozessverständnisses und für die Modellierung der N₂O-Reduktion in Abhängigkeit von Umweltbedingungen.