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Die Messung von Tagesgängen der Kohlenstoffdioxid-Flüsse mit manuellen Hauben startet vor Sonnenaufgang (Großes Moor bei Gifhorn, 04:45 Uhr).
© Thünen-Institut/AK
Die Messung von Tagesgängen der Kohlenstoffdioxid-Flüsse mit manuellen Hauben startet vor Sonnenaufgang (Großes Moor bei Gifhorn, 04:45 Uhr).
Institut für

AK Agrarklimaschutz

Projekt

Regelung der Denitrifikation in Agrarböden II


Federführendes Institut AK Institut für Agrarklimaschutz

Das Kleinparzellen-Experiment, mit 2 m2 großen ungestörten Bodensäulen aus den DASIM-Flächen in Rotthalmünster und Fuhrberg wird vorbereitet.
© Thünen-Institut/Reinhard Well
Das Kleinparzellen-Experiment, mit 2 m2 großen ungestörten Bodensäulen aus den DASIM-Flächen in Rotthalmünster und Fuhrberg wird vorbereitet.

Feldmessung von N2- und N2O-Emissionen und zugehöriger Prozesse mit hoher Empfindlichkeit und in hoher Auflösung unter Verwendung weiterentwickelter Stabilisotopentechniken als Basis für die Evaluierung von Modellen- Teilprojekt 6 der Forschergruppe "Denitrification in Agricultural Soils: Integrated Control and Modelling at Various Scales“ (DFG FOR 2337)

 Bislang fehlen robuste Messdaten zu N2-Emissionen und zur Sauerstoffverarmung im Boden, um gasförmige Stickstoffverluste aus Agrarböden durch mikrobielle Prozesse verlässlich vorhersagen zu können. Unser Ziel ist es, diese Lücke anhand von Feld- und Laboruntersuchungen zu schließen.

Hintergrund und Zielsetzung

Denitrifikation ist ein anaerober mikrobieller Prozess der sukzessiven Reduktion von Nitrat (NO3-) und Nitrit (NO2-) zu molekularem Stickstoff (N2) mit folgenden Reaktionsschritten: NO3- → NO2- → NO → N2O → N2. Das Zwischenprodukt  Lachgas (N2O) wird z.T. nicht weiter zu N2 reduziert. Die daraus resultierende Emission in die Atmosphäre stellt den dominanten Anteil der Emission dieses Klimagases aus landwirtschaftlichen Böden dar.

Die Quantifizierung der Denitrifikation im Boden ist eine entscheidende Voraussetzung, um N2O-Emissionen und den Verlust von Düngerstickstoff reduzieren zu können. Robuste Datensätze zur Validierung von N2-Flüssen aus Denitrifikationsmodellen sind rar, vor allem weil geeignete Methoden nur begrenzt verfügbar sind, aber auch weil Denitrifikationsprozesse räumlich und zeitlich extrem heterogen ablaufen.

Die DFG-Forschergruppe „Denitrification in Agricultural Soils: Integrated Control and Modelling at Various Scales” (DASIM)  beleuchtet mit analytischen und molekularbiologischen Methoden sowie mit Freiland-Experimenten und verschiedenen Modellansätzen die Prozesskette der Denitrifikation  in Agrarböden von der Mikroskala zur Feldskala. Ziel ist es, Denitrifikationsprozesse mit einer bisher beispiellosen räumlichen und zeitlichen Auflösung zu analysieren. Auf Basis  der Ergebnisse wollen wir mathematische Modelle von der Mikroskala zur Feldskala entwickeln und vorhandene Simulationsmodelle verbessern.

Zielgruppe

Wissenschaft

Vorgehensweise

DASIM ist ein Verbundprojekt, das sich in acht verschiedene Teile gliedert. Im Thünen-Institut für Agrarklimaschutz bearbeiten wir die Fragestellungen zum Teilprojekt 6. Unsere Aufgaben sind:

  • Bestimmen des repräsentativen Elementarvolumens für N2- und N2O-Emissionen aus Ackerböden.
  • Bestimmen des anaeroben Volumenanteils in den untersuchten Böden unter variablen Bedingungen. Der anaerobe Volumenanteil im Boden, eine wesentliche Steuergröße der Denitrifikation, wurde wegen der begrenzten Messbarkeit seiner Regelfaktoren bisher kaum quantifiziert. Heute stehen jedoch besser geeignete Methoden zur Verfügung.
  • Weiterentwicklung der verbesserten 15N-Gasfreisetzungsmethode (15NGF+), um ihre Genauigkeit weiter zu erhöhen und die Bestimmung der räumlichen Denitrifikationsdynamik zu ermöglichen.
  • Etablierung eines Feldmesssystems für die Anwendung der 15NGF+.
  • Kalibrierung der N2O-Isotopenfraktionierungsmethode durch kontrollierte Laborverhältnisse unter N2-freier Atmosphäre.
  • Quantifizierung von N2- und N2O-Emissionen, der beteiligten Prozesse und Regelfaktoren in Ackerböden, um die Denitrifikation im Freiland zu bestimmen und als Grundlage für die Verbesserung ausgewählter biogeochemischer Modelle.
  • Verwendung der neuen Messdatensätze, um ausgewählte biogeochemische Modelle zu prüfen und ggf. zu verbessern.

Unsere Forschungsfragen

Die in der gesamten Forscherguppe DASIM behandelten Fragen sind:

  • Wie wird die Aktivität von denitrifizierenden Mikroorganismen und die Struktur ihrer Gemeinschaft auf der Mikroskala geregelt?
  • Wie wird die Denitrifikation durch andere zeitgleich ablaufende N-Transformationen beeinflusst?
  • Was bestimmt die Bildung von “hot spots” (d.h. Habitate höchster Aktivität) und “hot moments” (d.h. zeitliche hot spots) bei Denitrifikationsprozessen?
  • In welchem Ausmaß ist die Regelung der Denitrifikation abhängig von der betrachteten Skala (z.B. Mikro-, Meso- oder Feldskala)?
  • Kann die Denitrifikation für einen gegebenen Boden unter bestimmten atmosphärischen Randbedingungen anhand von messbaren strukturellen und biochemischen Eigenschaften vorhergesagt werden?

Die in unserem Teilprojekt P6 behandelten Fragen sind:

  • Wie werden die Emissionen von N2, N2O und NO und ihre Interaktion mit den verschiedenen N-Transformationen von physikalischen, chemischen und mikrobiellen Regelfaktoren auf der Feldskala beeinflusst?
  • Welche Größe hat das repräsentative Elementarvolumen für N2- und N2O-Emissionen aus Ackerböden?
  • Wie kann der anaerobe Volumenanteil im Boden bestimmt werden, und welchen Beitrag kann die Messung dieser Größe zur Verbesserung von Denitrifikationsmodellen beitragen?

Links und Downloads

http://www.dasim.de/

Beteiligte externe Thünen-Partner

Geldgeber

  • Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
    (national, öffentlich)

Zeitraum

1.2020 - 12.2023

Weitere Projektdaten

Projektfördernummer: WE 1904/10-2
Projektstatus: abgeschlossen

Publikationen

  1. 0

    Eckei J, Well R, Maier M, Matson A, Dittert K, Rummel PS (2024) Determining N2O and N2 fluxes in relation to winter wheat and sugar beet growth and development using the improved 15N gas flux method on the field scale. Biol Fertil Soils: Online First, Apr 2024, DOI:10.1007/s00374-024-01806-z

    https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/dn068266.pdf

  2. 1

    Well R, Ruoss N, Grosz BP, Brunotte J, Buchen-Tschiskale C, Lewicka-Szczebak D, Schäfer BC (2024) Effect of agricultural management system (“cash crop”, “livestock” and “climate optimized”) on nitrous oxide and ammonia emissions. Biol Fertil Soils: Online First, Jul 2024, DOI:10.1007/s00374-024-01843-8

    https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/dn068479.pdf

  3. 2

    Yankelzon I, Schilling L, Butterbach-Bahl K, Gasche R, Han J, Hartl L, Kepp J, Matson A, Ostler U, Scheer C, Schneider K, Tenspolde A, Well R, Wolf B, Wrage-Mönnig N, Dannenmann M (2024) Lysimeter-based full fertilizer 15N balances corroborate direct dinitrogen emission measurements using the 15N gas flow method. Biol Fertil Soils: Online First, Feb 2024, DOI:10.1007/s00374-024-01801-4

    https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/dn068267.pdf

  4. 3

    Schlüter S, Lucas M, Grosz BP, Ippisch O, Zawallich J, He H, Dechow R, Kraus D, Blagodatsky SA, Senbayram M, Kravchenko A, Vogel H-J, Well R (2024) The anaerobic soil volume as a controlling factor of denitrification: a review. Biol Fertil Soils: Online First, Apr 2024, DOI:10.1007/s00374-024-01819-8

    https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/dn068264.pdf

  5. 4

    Lucas M, Rohe L, Apelt B, Stange CF, Vogel H-J, Well R, Schlüter S (2024) The distribution of particulate organic matter in the heterogeneous soil matrix - Balancing between aerobic respiration and denitrification. Sci Total Environ 951:175383, DOI:10.1016/j.scitotenv.2024.175383

    https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/dn068588.pdf

  6. 5

    Grosz BP, Matson A, Butterbach-Bahl K, Clough TJ, Davidson E, Dechow R, Del Grosso S, Diamantopoulos E, Dörsch P, Haas E, He H, Henri CV, Hui D, Kleineidam K, Kraus D, Kuhnert M, Léonard J, Müller C, Petersen SO, Well R, et al (2023) Modeling denitrification: Can we report what we don't know? AGU Advances 4(6):e2023AV000990, DOI:10.1029/2023AV000990

    https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/dn067142.pdf

  7. 6

    Micucci G, Sgouridis F, McNamara NP, Krause S, Lynch I, Roos F, Well R, Ullah S (2023) The 15N-Gas flux method for quantifying denitrification in soil: Current progress and future directions. Soil Biol Biochem 184:109108, DOI:10.1016/j.soilbio.2023.109108

    https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/dn066992.pdf

  8. 7

    Rummel PS, Well R, Pausch J, Pfeiffer B, Dittert K (2021) Carbon availability and nitrogen mineralization control denitrification rates and product stoichiometry during initial maize litter decomposition. Appl Sci 11(11):5309, DOI:10.3390/app11115309

    https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/dn063682.pdf

  9. 8

    Rohe L, Apelt B, Vogel H-J, Well R, Wu G-M, Schlüter S (2021) Denitrification in soil as a function of oxygen availability at the microscale. Biogeosciences 18(3):1185-1201, DOI:10.5194/bg-18-1185-2021

    https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/dn063355.pdf

  10. 9

    Bracken C, Lanigan GJ, Richards KG, Müller C, Tracy SR, Well R, Carolan R, Murphy PNC (2021) Development and verification of a novel isotopic N2O measurement technique for discrete static chamber samples using cavity ring-down spectroscopy. Rapid Comm Mass Spectrometry 35(8):e9049, DOI:10.1002/rcm.9049

  11. 10

    Grosz BP, Well R, Dechow R, Köster JR, Khalil MI, Merl S, Rode A, Ziehmer B, Matson A, He H (2021) Evaluation of denitrification and decomposition from three biogeochemical models using laboratory measurements of N2, N2O and CO2. Biogeosciences 18(20):5681-5697, DOI:10.5194/bg-18-5681-2021

    https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/dn064088.pdf

  12. 11

    Zaman M, Kleineidam K, Bakken LR, Berendt J, Bracken C, Butterbach-Bahl K, Cai Z, Chang SX, Clough TJ, Dawar K, Ding W, Dörsch P, dos Reis Martins M, Eckhardt C, Fiedler S, Frosch T, Goopy J, Görres C-M, Gupta A, Well R, et al (2021) Measuring emission of agricultural greenhouse gases and developing mitigation options using nuclear and related techniques : Applications of nuclear techniques for GHGs. Cham: Springer, 337 p, DOI:10.1007/978-3-030-55396-8

    https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/dn063315.pdf

  13. 12

    Rummel PS, Well R, Pfeiffer B, Dittert K, Floßmann S, Pausch J (2021) Nitrate uptake and carbon exudation - do plant roots stimulate or inhibit denitrification? Plant Soil 459:217-233, DOI:10.1007/s11104-020-04750-7

    https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/dn062894.pdf

  14. 13

    Lewicka-Szczebak D, Lewicki MP, Well R (2020) N2O isotope approaches for source partitioning of N2O production and estimation of N2O reduction - validation with the 15N gas-flux method in laboratory and field studies. Biogeosciences 17(22):5513-5537, DOI:10.5194/bg-17-5513-2020

    https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/dn062944.pdf

  15. 14

    Petersen S, Well R, Taghizadeh-Toosi A, Clough TJ (2020) Seasonally distinct sources of N2O in acid organic soil drained for agriculture as revealed by N2O isotopomer analysis. Biogeochemistry 147(1):15-33, DOI:10.1007/s10533-019-00625-x

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