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Origin and regulation of soil N2O and NOx fluxes from coniferous and deciduous temperate forests exposed to chronic high N depositions

dc.contributor.advisorBrumme, Rainer Dr.de
dc.contributor.authorEickenscheidt, Nadinede
dc.date.accessioned2012-04-16T14:55:26Zde
dc.date.available2013-01-30T23:50:38Zde
dc.date.issued2012-02-01de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-AE44-Ade
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-526
dc.description.abstractDie Intensivierung der Landwirtschaft und Industrialisierung in den letzten Jahrzehnten hat zu einer massiven Störung des Stickstoff(N)-Kreislaufs in Europa und anderen Erdteilen beigetragen. Eine Folge stellt die erhöhte Belastung von Waldökosystemen mit N-Depositionen dar. Chronisch hohe N-Einträge können die N-Verfügbarkeit in Waldböden erhöhen. Eine erhöhte N-Verfügbarkeit kann wiederum zu einem Anstieg von Distickstoffoxid(N2O)- und StickstoffmoNOxid(NO)-Emissionen führen, die eine wichtige Rolle in der Atmosphärenchemie spielen und zur globalen Erwärmung beitragen. Studien berichten, dass europäische temperate Wälder, die von hohen, chronischen N-Depositionen belastet werden, bedeutende Quellen für N2O und NO darstellen. Jedoch ist das Wissen über den Einfluss der N-Deposition und des Waldtyps auf N-Oxidemissionen immer noch unzureichend. Daher war das Ziel der vorliegenden Studie (i) die Herkunft von N-Oxiden aus temperaten Waldböden, die seit Jahrzehnten von hohen N-Depositionen belastet werden, zu ermitteln und den Beitrag der N-Deposition und des N aus dem Blattstreuumsatz an N2O-Emissionen zu quantifizieren. Des Weiteren war das Ziel (ii) die Faktoren zu bestimmen, die die N-Oxidflüsse in temperaten Waldböden steuern, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf den Einfluss des Waldtyps und der Gasdiffusivität im Boden gelegt wurde. In dieser Studie wurde zum ersten Mal die 15N-Tracermethode zur Ermittlung von N2O-Emissionsfaktoren (EF) für temperate Wälder angewendet. Die Untersuchungen fanden auf sechs deutschen Level II-Buchenstandorten (Fagus sylvatica), auf zwei überdachten Fichtenflächen (Picea abies (L.) Karst.; Dachprojekt im Solling) und auf einer daran angrenzenden Fichtenfläche statt. Es wurden Tracerexperimente durchgeführt, bei denen die N-Deposition und Buchenlaubstreu mit dem stabilen Isotope 15N markiert wurden. Distickstoffoxidflüsse und 15N-Isotopenhäufigkeiten in N2O wurden mit der geschlossenen Haubenmethode kombiniert mit 15N-Isotopenuntersuchungen ermittelt. Die offene, dynamische Haubenmethode wurde für die Messung von NOx (NOx = NO + NO2)-Flüssen verwendet. Es wurden in-situ- und Laborinkubationsversuche zur Bestimmung der Netto-N-Umsatzraten durchgeführt. Die Gasdiffusion im Boden wurde an ungestörten Bodensäulen gemessen. Die vorliegende Studie zeigte, dass N-Oxidemissionen aus deutschen Waldböden zum Großteil das Ergebnis hoher, chronischer N-Einträge sind, während der Umsatz von Blattstreu-N in der organischen Auflage wahrscheinlich nur einen kleinen Beitrag zu den Gesamtemissionen von N2O leistet wie aus dem Langzeit-15N-Tracerexperiments im Buchenbestand im Solling hervorging. Nur 6 13% der gesamten N2O-Emissionen der Buchen- und Fichtenfläche im Solling stammten von der N-Deposition des letzten Jahres. Die N2O-Emissionen stammten zum Großteil aus der N-Deposition vorheriger Jahre, die im Boden akkumuliert und erst nach mehr als einem Jahr wieder freigesetzt wurde. Es konnte gezeigt werden, dass die Methoden, die bisher in der Literatur zur Berechnung von EF verwendet wurden, nicht vergleichbar und teilweise sogar fehlerhaft sind. Der EF für N2O aus der N-Deposition des letzten Jahres betrug 0.1% für den Fichtenwald und 0.6% für den Buchenwald. Berücksichtigung der N-Deposition des letzten Jahres sowie der remobilisierten, akkumulierten N-Deposition vorheriger Jahre ergab einen EF von etwa 0.9% für den Fichtenwald und von etwa 11% für den Buchenwald. Der Einfluss der N-Deposition auf N2O-Emissionen hängt somit stark von dem betrachteten Waldökosystem ab. Der Buchenwald im Solling war von saisonalen N2O-Emissionen mit hohen Emissionen während der Sommermonate gekennzeichnet (2.6 ± 0.6 kg N ha−1 a−1), während der Fichtenwald niedrige Emissionen über den gesamten Jahresverlauf aufwies (0.3 ± 0.1 kg N ha−1 a−1). Hohe gasförmige N-Verluste im Buchenwald können auf Bedingungen zurückgeführt werden, die die anaerobe Denitrifikation, die die Hauptquelle für N2O auf den untersuchten Standorten darstellte, fördern. Des Weiteren zeigten Untersuchungen im Rahmen des Dachprojektes, dass die Langzeitreduktion der N-Deposition den Fichtenwaldboden von einer Netto-Quelle für NOx (0.62 ± 0.24 kg N ha−1 a−1) in eine Netto-Senke (−0.33 ± 0.01 kg N ha−1 a−1) umwandelte. Bei reduzierter N-Deposition konnte eine Netto-Nitrifikation sowie Nitrat in der Bodenlösung, die die Variation in den NOx-Flüssen zum größten Teil erklärten, nicht mehr nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu, spielte die Langzeitreduktion der N-Deposition keine Rolle für N2O-Emissionen, die sowohl bei ambienter als auch bei reduzierter N-Deposition mit 0.08 kg N ha−1 a−1 sehr niedrig waren. Aerobe Bedingungen im Boden limitierten die denitrifikative Bildung von N2O in diesem Fichtenbestand. Weiterhin zeigte die Untersuchung der sechs Buchenstandorte, dass nur der Buchenstandort im Solling hohe, saisonale N2O-Emissionen von bis zu 113 µg N m−2 h−1 aufwies, während die Flüsse auf den anderen Flächen zwischen −2.4 und 7.4 µg N m−2 h−1 lagen. Außerdem zeigten alle Buchenstandorte niedrig NOx-Flüsse (−6.3 bis 12.3 µg N m−2 h−1). Die N-Oxidflüsse wurden von den N-Umsätzen (Netto-N-Mineralisation und Netto-Nitrifikation) und der Gasdiffusion im Boden gesteuert. Die NOx-Konzentrationen in der Waldluft spielten zusätzlich eine Rolle für die Steuerung der NOx-Flüsse. Die Hypothese, dass die dicht gepackte, laminare Buchenlaubschicht der Moderauflage generell zu einer niedrigen Gasdiffusion im Boden und hohen N2O-Emissionen führt, konnte nicht bestätigt werden. Vielmehr führte eine Kombination aus hohen Jahresniederschlagssummen und hoher Bodenfeuchte im Buchenbestand im Solling zusammen mit einer lehmigen Bodentextur und einer Moderauflage zur Anaerobie und hohen N2O-Verlusten in Zeiten hoher Bodenrespiration. Im Gegensatz dazu führten ähnliche Bedingungen im Fichtenbestand im Solling nicht zur Anaerobie. Dies zeigt, dass letztendlich die Struktur der Streu über die Anaerobie im Boden entscheidet. Es wurde gefolgert, dass der Waldtyp-Effekt das Ergebnis von unterschiedlicher Streustruktur und Streuqualität ist, welche die Gasdiffusivität und N-Umsatzraten im Boden beeinflussen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die N-Deposition zum größten Teil für die N-Oxidemissionen verantwortlich ist. Die Höhe der Emissionen und das Verhältnis von N2O zu NO hängt jedoch stark vom Waldökosystem ab. Auf Waldökosystemebene stellen die N-Umsatzraten und die Gasdiffusivität die Hauptsteuergrößen für die N-Oxidflüsse dar. Allerdings sind hohe, saisonale N2O-Emissionen wie sie im Buchenbestand im Solling beobachtet wurden wahrscheinlich seltener in deutschen Wäldern als bisher angenommen wurde.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de
dc.titleOrigin and regulation of soil N<sub>2</sub>O and NO<sub>x</sub> fluxes from coniferous and deciduous temperate forests exposed to chronic high N depositionsde
dc.typecumulativeThesisde
dc.title.translatedHerkunft und Steuerung von bodenbürtigen N<sub>2</sub>O und NO<sub>x</sub> Flüssen in temperaten Nadel- und Laubwäldern unter dem Einfluss von chronisch, hohen N Depositionende
dc.contributor.refereeVeldkamp, Edzo Prof. Dr.de
dc.date.examination2011-03-25de
dc.subject.dnb500 Naturwissenschaftende
dc.description.abstractengNitrogen (N) cycling in Europe and in many other parts of the world has been massively accelerated as a result of agricultural and industrial activities in the last decades. As a consequence, forest ecosystems have been exposed to increasing deposition rates of reactive N, which may increase soil N availability. Increased N availability in turn may alter nitrous oxide (N2O) and nitric oxide (NO) emissions, which play a major role in atmospheric chemistry and contribute to global warming. Several studies reported that European temperate forests receiving chronic high N depositions are important sources for N2O and NO. Despite high research efforts in the last two decades, there is still insufficient knowledge about the importance of N depositions and forest type on N oxide fluxes from temperate forest soils. Therefore, the objectives of the present study were (i) to investigate the origin of N oxide emissions from temperate forest soils exposed to chronic high N depositions and to quantify the contribution of N depositions and turnover of leaf litter N to N2O emissions and (ii) to determine the factors that regulate N oxide fluxes in temperate forest soils with special regard to the impact of forest type and soil gas diffusivity. In the present study, for the first time 15N labelling techniques were applied to calculate emission factors (EFs) for N2O from temperate forest soils. Research activities took place at six German Level II beech stands (Fagus sylvatica), at two roofed Norway spruce stands (Picea abies (L.) Karst.; Solling roof project), and at an adjacent unroofed spruce stand at Solling. Tracer experiments were conducted where N depositions and beech leaf litter N were labelled using the stable isotope 15N. Nitrous oxide fluxes and 15N isotope abundances in N2O were measured using the closed chamber method combined with 15N isotope analyses. The open dynamic chamber method was used for NOx (NOx = NO + NO2) flux measurements. In-situ and laboratory incubation experiments were conducted to determine net N turnover rate. Soil gas diffusivity was measured on undisturbed soil columns. The present study demonstrated that N oxide emissions from German forest soils are mainly the result of chronic atmospheric N inputs whereas turnover of total leaf litter N in the surface organic layer probably provides a minor contribution to total N2O emissions, as shown by the long-term 15N tracer experiment at the Solling beech stand. Only 6 13% of total annual N2O emissions were derived from recent (last year) N depositions at the Solling beech and spruce stands, whereas the largest part of N2O emissions was derived from N depositions of former years, which were accumulated in soils and remobilised more than one year after deposition. The present study demonstrated that calculation methods of EF used in literature are not comparable and may even be incorrect. The annual EFs for N2O from deposited N in the present study were 0.1% for the spruce stand and 0.6% for the beech stand. Emission factors for N2O including recent depositions and remobilised accumulated depositions were approx. 0.9% for the spruce stand and approx. 11% for the Solling beech stand suggesting that the impact of N depositions on N2O emissions strongly depends on forest type. In the beech stand, seasonal N2O emissions with high emissions during the summer months were measured (2.6 ± 0.6 kg N ha−1 yr−1) compared to low emissions throughout the whole year in the spruce stand (0.3 ± 0.1 kg N ha−1 yr−1). Conditions favouring denitrification, which was shown to be the main source for N2O in the investigated stands, are responsible for high gaseous N losses in the beech stand. Long-term reduction of N depositions turned the Solling spruce forest soil from a net source for NOx (0.62 ± 0.24 kg N ha−1 yr−1) into a net sink (−0.33 ± 0.01 kg N ha−1 yr−1). Net nitrification and nitrate in the soil solution, which explained most of the variation in NOx fluxes, were not detectable under reduced N depositions. However, long-term reduction of N depositions did not affect N2O emissions, which were low with 0.08 kg N ha−1 yr−1 both under reduced and ambient depositions, since aerobic soil conditions limited denitrification. A comparison of six German beech stands revealed that only the Solling beech stand exhibited high seasonal N2O emissions of up to 113 µg N m−2 h−1 compared to fluxes of −2.4 to 7.4 µg N m−2 h−1 in the other beech stands. Fluxes of NOx were low at all stands (−6.3 to 12.3 µg N m−2 h−1). Fluxes of N2O and NOx were controlled by N turnover (net N mineralisation and net nitrification rates) and soil gas diffusivity. Fluxes of NOx further depended on NOx concentrations in the forest air. The hypothesis that the tightly-packed laminar beech leaf litter layer of the moder type humus generally resulted in low gas diffusivity and high N2O emissions was rejected. However, the combination of high annual precipitation and soil moisture with a loamy soil texture and moder type humus caused anaerobicity and high N2O losses at the Solling beech stand during times of high soil respirations. In contrast, similar conditions did not result in anaerobicity at the Solling spruce stand indicating that litter structure finally decides about soil anaerobicity. Thus, the reported forest type effect on N oxide emissions results from the influence of litter structure and quality on soil gas diffusivity and N turnover rates. In conclusion, chronic N depositions are mainly responsible for N oxide emissions but the amount and ratio of N oxides released strongly depends on the forest ecosystem. At ecosystem level, N turnover rates and soil gas diffusivity control N oxide fluxes. However, high seasonal N2O emissions as observed at the Solling beech stand are probably less common in German forest soils than previously thought.de
dc.contributor.coRefereeFlessa, Heiner Prof. Dr.de
dc.contributor.thirdRefereeGansert, Dirk PD Dr.de
dc.subject.topicBiology (incl. Psychology)de
dc.subject.gerDistickstoffmoNO<sub>x</sub>idde
dc.subject.gerStickstoffmoNO<sub>x</sub>idde
dc.subject.gerStickstoff-Depositionde
dc.subject.ger15N-Isotopede
dc.subject.gerFichtede
dc.subject.gerBuchede
dc.subject.gerBlattstreu-Umsatzde
dc.subject.gerN Mineralisationde
dc.subject.gerNitrifikationde
dc.subject.gerGasdiffusion im Bodende
dc.subject.gerPenman-Millington-Quirk Modellde
dc.subject.engnitrous oxidede
dc.subject.engnitric oxidede
dc.subject.engnitrogen depositionde
dc.subject.eng15N isotopesde
dc.subject.engsprucede
dc.subject.engbeechde
dc.subject.engleaf litter N dynamicsde
dc.subject.engN mineralisationde
dc.subject.engnitrificationde
dc.subject.engsoil gas diffusivityde
dc.subject.engPenman-Millington-Quirk modelde
dc.subject.bk48.32 Bodenkundede
dc.subject.bkBodenbewertungde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-3346-1de
dc.identifier.purlwebdoc-3346de
dc.affiliation.instituteBiologische Fakultät inkl. Psychologiede
dc.subject.gokfullYPA 000 Forstliche Bodenkundede
dc.identifier.ppn715369245de


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