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N2O-Isotopenfraktionierungsmethode zur Bestimmung von N2-Emissionen aus Böden – Entwicklung und Validierung
Projekt
Förderkennzeichen: TI-AK-08-PID1503
Laufzeit: 01.10.2011
- 31.03.2015
Forschungszweck: Angewandte Forschung
Denitrifikation ist eine sehr bedeutende Verlustgröße für reaktiven Stickstoff in Agrarböden. Sie kommt häufig vor, lässt sich kaum vorhersagen und ist bisher unter Feldbedingungen schwer messbar. Können Aussagen über N2-Emissionen durch Denitrifikation abgeleitet werden, wenn man Isotopensignaturen des Lachgases aus dem Boden bestimmt? Diese Frage behandeln wir in kontrollierten Prozessstudien im Labor und im Feld. Die Denitrifikation vermindert einerseits den für Pflanzen verfügbaren Stickstoff (N) in Böden, sie ist andererseits ein wesentlicher Prozess für die Emission des klimarelevanten Gases N2O. Die Denitrifikation ist damit eine zentrale Größe im N-Haushalt insbesondere in gedüngten Agrarökosystemen, aber wegen methodischer Schwierigkeiten der Messung von N2-Emissionen in der Größenordnung ganzer Felder ist sie schwer zu bestimmen und daher unzureichend untersucht. Die Produktion und Reduktion von N2O durch Denitrifikation und die damit verbundenen Isotopeneffekte hinterlassen im N2O-Molekül eine spezifische Isotopensignatur. Sie setzt sich innerhalb des linearen N2O Moleküls aus der relativen An- oder Abreicherung von 15N und der schweren O-Isotopen (17O, 18O) sowie aus der Positions-spezifischen Verteilung von 15N zusammen. Die Isotopensignaturen in der N2O Signatur werden durch mehrere Faktoren beeinflusst: Die 15N und 17O/18O-Signaturen der Vorläuferverbindungen (Nitrat, Bodenwasser), den O-Austausch mit dem Bodenwasser bei der N2O-Produktion, die Raten der N2O-Produktion und der N2O-Reduktion zu N2 sowie die Isotopeneffekte (Fraktionierungsfaktoren) der verschiedenen Teilprozesse. Theoretisch lässt sich die N2O-Reduktion zu N2 – und damit die N2-Emission – aus der Isotopensignatur des emittierten N2O ableiten, wenn alle Parameter, die diese Signatur beeinflussen, ausreichend sicher bestimmbar sind. Ziel ist es, diesen methodischen Ansatz, d.h. die N2O-Isotopenfraktionierungsmethode zur Bestimmung von N2-Emissionen, im Labor zu prüfen. Wir prüfen die N2O-Isotopenfraktionierung anhand von Bodeninkubationen im Labor. In Inkubationsversuchen bestimmen wir zunächst einzelne oder mehrere Regelparameter direkt. Einige dieser Parameter werden erstmalig bestimmt (Isotopeneffekt des O-Austauschs mit H2O) oder erstmalig mit einer neuen Methode bestimmt (O-Austausch mit H2O anhand der 17O-Anomalie im produzierten N2O). Ein bestehendes Isotopenfraktionierungsmodell erweitern wir, um damit die Isotopensignatur von emittiertem N2O auf Basis der bestimmten Parameter zu simulieren und zu validieren. Schließlich inkubieren wir verschiedene Böden bei variierten Prozessbedingungen mit speziellen Methoden: Sie erlauben es, neben den Isotopensignaturen von N2O auch N2-Emission festzuhalten. Indem wir gemessene und mit dem Fraktionierungsmodell berechnete N2-Emissionen vergleichen, können wir prüfen, inwieweit die N2O-Fraktionierungsmethode sich für das Bestimmen von N2-Emissionen eignet und eine neue Option ist, die N2-Emissionen auf der Feldskala zu erfassen.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Pflanzenernährung
- Bodenkunde
- Klimawandel
