Hintergrund und Zielsetzung

Die Bestimmung von Treibhausgasflüssen hat Fortschritte gemacht. Trotzdem ist das Wissen darüber sehr beschränkt, wie die Einlagerung reaktiver N-Verbindungen (N_r) sich auf die Produktivität der Ökosysteme sowie den damit verbundenen Austausch von Treibhausgasen auswirkt. Das liegt teilweise am Mangel geeigneter Nr-Messmethoden. Die Ziele von NITROSPHERE sind daher

1. das kürzlich entwickelte Nr-Messsystem TRANC zu etablieren und weiter zu verbessern, sowie
2. Daten zusammenzuführen, die den direkten Zusammenhang zwischen der N_r-Deposition und dem Treibhausgasaustausch verschiedener Ökosysteme beschreiben.

Mit diesem Ansatz wollen wir nicht nur die instrumentelle Ausstattung großskaliger Forschungsinfrastrukturen wie ICOS stärken, sondern auch eine verbesserte Datenbasis verfügbar machen, mit der sich Emissionsfaktoren ableiten und Klimaschutzrichtlinien formulieren lassen.

Vorgehensweise

Drei Wissenschaftlern (ein Leiter, zwei Doktoranden) und ein Techniker arbeiten in der Nachwuchsgruppe zusammen. Den beiden Doktoranden ist jeweils ein Arbeitspaket (WP) zugewiesen. Der Fokus des WP I liegt auf N_r-Messungen und einer Verbesserung der TRANC-Methodik. Über einem Moor-, einem Agrar- und einem Waldstandort wollen wir kontinuierlich den N_r-Biosphäre-Atmosphäre-Austausch messen. WP II beinhaltet eine umfassende Datensynthese und N_r-Modellierung. Damit arbeiten wir den Zusammenhang zwischen N_r- und Treibhausgasaustausch heraus. Sämtliche Aufgaben wollen wir in den ersten 4 Projektjahren abschließen; ein fünftes Jahr bleibt der weiteren Verwertung unserer Ergebnisse (Regionalisierung und Standardisierung/Etablierung der TRANC-Methodik) vorbehalten.

Ergebnisse

Unsere Ergebnisse zeigen, dass mit der neu entwickelten Messtechnik die Aufnahmefähigkeit von Moorökosystemen für atmosphärischen Stickstoff als geringer einzustufen ist als bisher angenommen (ca. 35% niedrigere Aufnahme als mit herkömmlicher Methodik). Erstmals konnten TRANC und NH₃-QCL im Zuge von NITROSPHERE gekoppelt werden. QCL und ein weiterentwickelter thermischer Konverter zeigten während einer Vergleichskampagne gute Übereinstimmungen in den gemessen NH₃-Konzentrationen. Emissionsfaktoren von  3,6% konnten wenige Tage nach der Düngung auf einem Maisfeld gemessen werden. Dieser Wert liegt deutlich unterhalb der 8,2%, die von der European Environment Agency (2016) ausgegeben werden. Globalstrahlung und die atmosphärische Konzentration nehmen eine wichtige Rolle für die Erklärbarkeit von N-Flüssen ein. So ließen sich 41% der Variabilität des Austauschverhaltens von reaktivem Stickstoff durch beide Treiber erklären. Eine Analyse der Hochfrequenzverluste von ΣN_r und NH₃ zeigte, dass bekannte Methoden, die für CO₂ und H₂O optimiert sind, nicht für reaktive Gase geeignet erscheinen und nach heutigem Stand empirische Methoden zur Abschätzung der Dämpfung genutzt werden sollten.

Im Bereich der Modellierung wurden deutliche Fortschritte auf verschiedenen Ebenen der NH₃-Austauschbestimmung erlangt: In Schrader & Brümmer (2013, 2014) wurde eine aktuelle Zusammenschau der Literatur zur NH₃-Depositionsgeschwindigkeit präsentiert. Die Kernergebnisse bestätigen die grundsätzliche Annahme, dass die Deposition in Ökosystemen mit einer hohen Rezeptoroberfläche (z.B. Nadelwälder) besonders hoch ist, während sich insbesondere in aktiv bewirtschafteten Ökosystemen (z.B. Ackerland) eine hohe Variabilität in der Depositionsgeschwindigkeit zeigt. Einerseits sind diese aktualisierten Zahlen direkt zur Plausibilitätskontrolle und zur konservativen Abschätzung der NH₃-Trockendeposition anwendbar, andererseits unterstreichen sie auch den Bedarf an standort- und prozessbasierter Modellierung und die unzureichende Auflösung konstanter Faktoren für wissenschaftliche Anwendungen. Schrader et al. (2016) zeigen Wissenslücken und physikalisch unplausibel aufgelöste Prozesse in der Modellierung des nicht-stomatären NH₃-Austauschs auf, an denen derzeit aktiv gearbeitet wird. Schrader et al. (eingereicht) diskutieren und demonstrieren eine Vorgehensweise zur physiologisch korrekteren Berechnung des stomatären Austauschs von NH₃ auf Basis der Photosyntheseaktivität der Vegetation. Dieser Ansatz erlaubt eine mechanistisch korrekte, standortbasierte Parametrisierung von NH₃-Austauschmodellen und ist ein wichtiger Schritt zum modularen Aufbau eines NH₃-Depositionsmonitorings auf existierenden Infrastrukturen. Zudem eröffnet er die Möglichkeit zur besseren Abschätzung der NH₃-Deposition unter zukünftigen klimatischen Bedingungen. Mit Hilfe des Korrekturverfahrens von Schrader et al. (2018) ist es möglich, auch mit langsamer Low-Cost-Sensorik valide NH₃-Depositionsraten zu berechnen – in der Vergangenheit wurden die dabei auftretenden, z.T. sehr signifikanten systematischen Fehler häufig nicht beachtet und zuvor nie präzise und reproduzierbar quantifiziert.