Nitrous Oxide in denitrifying Aquifers: Reaction Kinetics, Significance of Groundwater-derived Emission and an improved Concept for the Groundwater Emission Factor

Abstract

Das atmosphärische Spurengas Distickstoffoxid (N2O) zählt neben Kohlendioxid und Methan zu den wichtigsten klimarelevanten Gasen. Es wird überwiegend durch mikrobiologische Prozesse in Böden sowie in aquatischen Ökosystemen gebildet. Durch die Intensivierung der landwirtschaftlichen Nutzung und die damit verbundenen Stickstoffeinträge sind die globalen N2O-Emissionen beträchtlich gestiegen. Im Grundwasser agrarisch genutzter Ökosysteme wurden hohe Konzentrationen an gelöstem N2O gefunden, weshalb es als potentielle Quelle für N2O-Emissionen in die Atmosphäre angesehen wird. Die Bedeutung grundwasserbürtiger N2O-Emissionen ist die der vorliegenden Arbeit zugrunde liegende zentrale Problemstellung. Diese wird zunächst in einem einleitenden Kapitel konkretisiert. In den folgenden drei Kapiteln werden verschiedene methodische Ansätze beschrieben und diskutiert, die sich der Problematik auf unterschiedliche Weise nähern. Abschließend werden die Einzelergebnisse im Rahmen einer zusammenfassenden Diskussion bewertet und allgemeine Schlussfolgerungen gezogen. Die Forschungsarbeiten wurden in vier niedersächsischen, reduzierenden Grundwasserleitern durchgeführt, wobei dem Fuhrberger Feld bei Hannover die größte Bedeutung zukam. Allen Untersuchungsgebieten ist gemein, dass als Folge der landwirtschaftlichen Nutzung Nitrat über das Sickerwasser in das Grundwasser eingetragen und über den Prozess der Denitrifikation zu N2O und elementarem Stickstoff reduziert wird. Um die Kinetik des N2O-Umsatzes im Grundwasser des Fuhrberger Feldes zu erfassen, wurden im Labor Langzeit-Inkubationsversuche durchgeführt, deren Ergebnisse mit im Feld gemessenen Konzentrationsprofilen verglichen wurden (Kapitel 2). Es wurde bestätigt, dass im Aquifer - scharf vertikal voneinander abgegrenzt - heterotrophe Denitrifikation im oberflächennahen Grundwasser abläuft und autotrophe Denitrifikation im tieferen Grundwasser dominiert, wobei beide Reaktionen als N2O-Quelle identifiziert wurden. Die im Zuge der Laboruntersuchungen ermittelten Zeitverläufe der N-species zeigten, dass die heterotrophe Denitrifikation kinetisch gesehen der deutlich langsamere Prozess ist. Dies wurde durch die Ableitung von Ratenkonstanten quantitativ untermauert und auf die unterschiedliche mikrobielle Verfügbarkeit der jeweiligen Elektronendonatoren, organischer Kohlenstoff und reduzierte Schwefelverbindungen, zurückgeführt. Die Feldmessungen zeigten, dass in beiden Prozesszonen N2O inbeträchtlichem Umfang akkumuliert wurde. So betrug beispielsweise die mittlere Konzentration nahe der Grundwasseroberfläche an einer der untersuchten Messstellen 1.84 mg N2O-N L-1. Durch die Berücksichtigung der N2O-Konzentrationsprofile konnte das bestehende Prozessmodell der Denitrifikation im Fuhrberger Feld konkretisiert werden. Im Rahmen eines 15N-Feldexperimentes wurde untersucht, inwieweit grundwasserbürtiges N2O über den vertikalen Emissionspfad zur an der Bodenoberfläche gemessenen Gesamtemission beiträgt. Grundlage des Versuchs war die über den gesamten Versuchszeitraum hinweg stabile Markierung der Grundwasseroberfläche mit K15NO3-Lösung. Das durch Denitrifikation gebildete markierte N2O konnte im System Grundwasser / ungesättigte Zone / Bodenoberfläche gemessen werden. Die ermittelten Flüsse des grundwasserbürtigen N2O waren sehr gering und lagen zwischen 0.0002 und 0.0018 kg N2O-N ha-1 a-1. Dies entspricht einem Anteil von durchschnittlich 0.13 % an der Gesamtemission von N2O in die Atmosphäre und macht deutlich, dass N2O-Emissionen aus dem oberflächennahen Grundwasser des Fuhrberger Feldes über den vertikalen Transportpfad vernachlässigbar klein sind. Die Bestimmung und Bewertung von Emissionsfaktoren für indirekte N2O-Emissionen aus dem Grundwasser war ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit. Es wurde ein neuer Emissionsfaktor vorgestellt, dessen Konzept durch die Einbeziehung rekonstruierter, initialer Nitratkonzentrationen potentielle N2O-Emissionen auf den Stickstoffeintrag bezieht. Die Anwendung dieses Konzeptes lieferte für die vier Untersuchungsgebiete Emissionsfaktoren, die deutlich geringer waren als herkömmliche, auf der Grundlage gemessener Nitratkonzentrationen berechnete Emissionsfaktoren. Die in Kapitel 2 untersuchte Reaktionskinetik und die ermittelten Ratenkonstanten können als Basis für eine reaktive Transportmodellierung dienen, die zur weiteren Verbesserung der Aussagekraft von Emissionsfaktoren beitragen kann. Zusammenfassend kann für die hier untersuchten norddeutschen Aquifere festgehalten werden, dass grundwasserbürtiges N2O nur in sehr geringem Maße in die Atmosphäre gelangt und somit kaum zur Gesamtemission des klimarelevanten Spurengases beiträgt.