Nitrous oxide emissions from arable soils - Effect of long-term tillage and identification of production and consumption processes using stable isotope approaches
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http://dx.doi.org/10.53846/goediss-5142
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Abstract
English
One of the main anthropic sources of nitrous oxide (N2O) emissions, being an important greenhouse gas (GHG), is arable soil. With respect to the increasing world population an enhanced agricultural production with large- scale impacts on the nitrogen (N) cycle is most likely. Anyway, not all N flows and transformations in soils are yet fully understood, in particular denitrification as one of the key processes. Denitrification transforms nitrate (NO3-) via nitrite and nitric oxide to N2O and finally into dinitrogen (N2) and both production and consumption of N2O take place simultaneously. The policy is engaged in developing mitigation strategies especially with respect to the agricultural sector to reduce GHG. To predict those emissions process-based models were used and field studies help to evaluated and improve them. Furthermore, for instance isotopomer measure-ments contribute to a better understanding of N2O processes in soils.
This thesis presents results with respect to N2O emissions from arable soils and provides information which contribute to fill the gap of knowledge with respect to pathways and influencing factors of N2O emissions from arable soils.
Firstly, the long-term effect of different tillage (conventional vs. reduced) systems on the stocks and the distribution of soil organic carbon and total nitrogen and on the annual N2O emission and the methane (CH4) uptake are described and discussed, particularly with regard to spatial and seasonal variation of N2O and CH4 flux rates and the factors that control the spatial and temporal variability of the flux rates.
Additionally, those N2O emissions and crop yields were modeled using the denitrification- decomposition (DNDC) model, in order to test the usefulness of the model in describing and predicting crop growth and N2O emissions of differently managed soils.
Secondly, two laboratory experiments using stable isotope approaches are presented dealing with the production and consumption processes of N2O during denitrification in arable soils. The first laboratory study aimed to simultaneously measure production and consumption of N2O during denitrification in order to determine whether the N2O isotopologue signatures of emitted N2O under the condition of non-homogenous distribution of NO3- and denitrification in soil could be used to better define the processes involved.
The second laboratory experiment intended to determine the impact of antecedent soil moisture on N2 and N2O fluxes, to evaluate how N2 fluxes and the N2O/N2 ratio are reflected by the isotopic signatures of emitted N2O and of NO3- in soil and thus to test isotopologue signatures of N2O as a tool to study denitrification in soil.
With respect to the effect of different tillage systems two long-term experimental sites Garte Süd (G) and Hohes Feld (H), both located near Göttingen, Germany, were selected. The loess derived Haplic Luvisols have been managed under conventional (CT) and reduced tillage (RT) for about 40 years with maximum tillage depths of 25 - 28 cm and 5 - 8 cm, respectively. N2O and CH4 fluxes (closed chamber method), physical and chemical properties (e.g. water content, mineral N content) were measured weekly and climate data were collected on a daily basis for two subsequent years. Additionally, at the beginning of the investigation a soil inventory was accomplished. Crop yields were determined separately for sites, tillage systems and years.
For the modeling a test was performed based on a model parameterization to best describe the case G-CT. This parameterization was then applied to the other cases as a retrospective simulation.
Laboratory experiments were conducted at the Institute of Grassland and Environmental research, North Wyke, UK. Twelve replicate cylinders filled with arable soil were placed in a specialized denitrification incubation system (DENIS), where they were sealed inside chambers to avoid the influx of N2. Atmospheric N2 was removed by flushing the headspace and cylinders with a helium-oxygen mixture and glucose (400 kg C ha-1) and potassium nitrate (75 kg N ha-1) were applied to the soil surface via a secondary vessel fitted to the center of each lid leading to a final water-filled pore space (WFPS) of 85%. After 7.5 days oxygen (O2) was shut off in order to achieve totally anaerobic denitrifying conditions. Gas fluxes (N2O, N2 and carbon dioxide) and isotope signatures (δ18O-N2O, δ15Nbulk-N2O, δ15Nα, δ15Nβ and 15N site preference) of emitted N2O were determined over a period of 13 days.
For the second laboratory experiment one batch of soil samples was kept dry (20% WFPS) and another was incubated under wet conditions (75% WPFS) for a period of 4 weeks. Then both batches were adjusted to the same high water content of 85% WFPS, placed in the DENIS and incubated for 10 days under a helium-oxygen atmosphere. When atmospheric N2 was removed by flushing the system, potassium nitrate (75 kg N ha-1) and glucose (400 kg C ha-1) were added leading to a final WFPS of 90% in each soil core. Gas fluxes and isotope signatures of emitted N2O were determined over a period of 13 days whereas after 6 days O2 was shut off.
Results of the first study indicates that the annual N2O fluxes and CH4 uptakes of the investigated arable soils were influenced rather by soil properties as well as climate and short-term management effects than by tillage systems. Winter emissions accounted for up to 50% of annual N2O fluxes and cumulative annual N2O fluxes were reflected by precipitation level. Moreover the two long-term tillage systems resulted in a different soil carbon distribution whereas total carbon stocks did not differ between tillage systems but due to different clay contents between sites.
Site specific calibration within the second study has shown to be an essential requirement for the modeling of N2O emissions and crop yields. Altogether the results indicates that calibration with experimental data and available literature data may result in approximate agreement between modeled and measured crop yields and annual N2O emissions. Anyway, modeled and measured annual distributions of N2O emissions were not accurate. Thus, the pedotransfer functions and the denitrification sub-model of the used DNDC model may need further improvement.
The third study shows, that the N2O isotopologue values reflected the temporal patterns observed in N2O and N2 fluxes and gain helpful process information even if due to the occurrence of several factors the evaluation of identifying source processes is hampered and could thus not be fully explained. Anyway, the simultaneous increase in SP and δ18O-N2O was found to be indicative of N2O reduction to N2.
The fourth study demonstrates the important effect of rewetting soil on N2O emissions. The approach of combining measurement of N2 and N2O fluxes and isotopic signatures of NO3- and N2O with isotope fractionation modeling gives insight into the spatial distribution of N species and microbial activity in soils.
Summarizing the results, the long-term effect of conventional and reduced tillage on the net exchange of N2O was low and the modeling of N2O emissions from arable soils with differing tillage quite good. Using stable isotope approaches improved the understanding of N2O production and consumption processes and antecedent soil moisture conditions effected emissions and isotopologue distribution of N2O during denitrification in an arable soil.
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Eine Hauptquelle des vom Menschen verursachten klimaschädlichen Distick-stoffoxids (N2O), das auch Lachgas genannt wird, sind landwirtschaftliche Böden. Im Hinblick auf die ansteigende Weltbevölkerung ist mit einer Erhöhung der landwirtschaftlichen Produktion zu rechnen - mit weitreichenden Auswirkungen auf den Stickstoffkreislauf. Allerdings sind noch immer nicht alle Stickstoffflüsse und Umbauprozesse in Böden bis ins Detail verstanden, im Speziellen die Denitrifikation als einer der Schlüsselprozesse. Bei der Denitrifikation wird Nitrat (NO3-) über Nitrit (NO2-) und Stickstoffmonoxid (NO) zu N2O und schließlich zu Di-Stickstoff (N2) umgesetzt, wobei N2O parallel entstehen und verbraucht werden kann. Die Politik befasst sich angesichts des Klimawandels und dessen Folgen mit Maßnahmen zur Reduzierung der Treibhausgase gerade im Agrarbereich. Um die Emissionen von Klimagasen vorhersagen zu können, werden prozessbasierte Modelle verwendet, die mit Hilfe von Feldstudien eingeschätzt und verbessert werden sollen. Weiterhin können beispielsweise Isotopomermessungen dazu beitragen, die N2O- Prozesse im Boden besser zu verstehen.
Diese Arbeit beinhaltet verschiedene Untersuchungsergebnisse zum Thema „N2O- Emissionen landwirtschaftlicher Böden“ und liefert hilfreiche Informationen, die dazu beitragen, die Wissenslücke bezüglich der N2O- Prozesse und deren Einflussfaktoren zu füllen.
In einer ersten Teilstudie wird der Langzeiteffekt unterschiedlicher Bodenbearbeitung (pflugbasiert vs. pfluglos) einerseits auf die Vorräte und die Verteilung organischen Kohlenstoffs und des Gesamtstickstoffs und andererseits auf die Jahresemission von N2O und die jährliche Methanaufnahme beschrieben und diskutiert. Dabei sollte insbesondere untersucht werden, wie sich die Bearbeitung auch auf die Variation der Gasflüsse und auf die Faktoren, die die zeitliche und räumliche Variabilität bedingen, auswirkt.
Zusätzlich wurden mit dem „Denitrification- Decomposition“-Modell (DNDC) die bei den Feldversuchen erfassten N2O-Emissionen und Ernteerträge der zwei Bearbeitungsvarianten modelliert. Damit sollte die Eignung des Modells im Hinblick auf die Beschreibung und Vorhersagbarkeit der Emissionen und Erträge der unterschiedlich bewirtschafteten Böden getestet werden.
Des Weiteren werden zwei Laborexperimente zur Identifizierung von Produktions- und Reduktionsprozessen des N2O während der Denitrifikation in Ackerböden mit Hilfe stabiler Isotope präsentiert. Der erste Versuch zielte durch die zeitgleiche Erfassung der N2O- Produktion und -Reduktion darauf ab herauszufinden, ob die Isotopensignaturen des emittierten N2O unter der nicht-homogenen NO3-- und Denitrifikationsverteilung im Boden geeignet sind, die involvierten Prozesse besser zu beschreiben.
Der zweite Versuch sollte neben dem Einfluss der initialen Bodenfeuchte auf die N2- und N2O- Flüsse auch dazu dienen festzustellen, inwieweit die Isotopensignaturen des emittierten N2O und des NO3- im Boden die N2-Flüsse und das Verhältnis von N2O/N2 widerspiegeln und ob die Isotopensignaturen des N2O als Werkzeug zur Untersuchung der Denitrifikation im Boden geeignet sind.
Für die Untersuchung des Einflusses der Bodenbearbeitung wurden die Versuchsstandorte Garte Süd und Hohes Feld bei Göttingen ausgewählt. Die lössbasierten Parabraunerden unterliegen seit über 40 Jahren der konventionellen (pflugbasierten) und der reduzierten (pfluglosen) Bodenbearbeitung, mit den jeweiligen Bearbeitungstiefen von 25 bis 28 und 5 bis 8 Zentimetern. Über einen Zeitraum von zwei Jahren wurden die N2O- und Methan- Flussraten mittels Haubenmethode sowie einige Bodenparameter (Wassergehalt und mineralischer Stickstoffgehalt) wöchentlich gemessen und Wetterdaten (Temperatur und Niederschlag) täglich erfasst. Zusätzlich wurde zu Beginn der Untersuchung eine Bodeninventur durchgeführt. Ernteerträge wurden getrennt für die Flächen, Jahre und Bodenbearbeitungsvarianten bestimmt.
Für die Modellierung wurde ein Testmodel, basierend auf der Parametrisierung einer Variante der ersten Teilstudie (Garte Süd, pflugbasiert) generiert, welches die erfassten Daten (N2O-Emissionen, Erträge, Bodenwasserdynamik) am besten beschrieben hat. Diese Parametrisierung wurde dann an den anderen Varianten als zurückblickende Simulation angewendet.
Die beiden Laborversuche fanden in England am Institute of Grassland and Environmental Research, North Wyke, statt. Mit Hilfe eines speziellen Denitrifikations-Inkubationssystems unter Ausschluss des N2 wurden zwölf mit Ackerboden gefüllte Zylinder eingebaut und nach Über- und Durchströmen mit einem Helium/Sauerstoff Gemisch wurde Glukose (400 kg C ha-1) und Kaliumnitrat (75 kg N ha-1) bei einem wassergefüllten Porenvolumen von 85% über ein mittig angebrachtes zweites Gefäß von oben zugegeben. Nach 7,5 Tagen wurde statt des Helium/Sauerstoff Gemisches reines Helium verwendet, um eine vollständige Denitrifikation zu gewährleisten. Die Gasflüsse (N2O, N2 und Kohlenstoffdioxid) und Isotopensignaturen (δ18O-N2O, δ15Nbulk-N2O, δ15Nα, δ15Nβ und die 15N Positionspräferenz) des emittierten N2O wurden über einen Zeitraum von 13 Tagen erfasst.
Bei dem zweiten Laborversuch wurde ein Teil der Bodenproben bei trockenen (20% wassergefülltes Porenvolumen), der andere Teil bei deutlich feuchteren Bedingungen (75% wassergefüllter Porenvolumen) über einen Zeitraum von vier Wochen vorinkubiert. Anschließend wurden alle Proben auf denselben hohen Wassergehalt (85% wassergefülltes Porenvolumen) eingestellt, in die Versuchsanlage eingebaut, unter Helium/Sauerstoff Atmosphäre gesetzt. Nach Zugabe von Glukose (400 kg C ha-1) und Kaliumnitrat (75 kg N ha-1) (90% wassergefülltes Porenvolumen) wurden die Gasflüsse und Isotopensignaturen analog zum ersten Versuch zehn Tage lang untersucht. In diesem Versuch wurde nach sechs Tagen die Sauerstoffzufuhr gestoppt.
Die Ergebnisse der ersten Studie ergeben, dass die jährlichen N2O-Flüsse und Methan-Aufnahmen der untersuchten Ackerböden mehr von den Bodeneigen-schaften, dem Klima und der Bewirtschaftung abhingen als vom Bearbeitungs- system. Winteremissionen machten bis zu 50 Prozent der jährlichen N2O-Emissionen aus und die Jahresemissionen spiegeln die Unterschiede der Jahresniederschläge wieder. Außerdem hat sich das jahrzehntelange Pflügen auf die Verteilung des organischen Kohlenstoffs im Bodenprofil ausgewirkt, jedoch nicht auf den Gesamtkohlenstoffvorrat der gepflügten und minimal bearbeiteten Flächen. Unterschiede der Gesamtkohlenstoffvorräte zwischen den Flächen lassen sich auf den unterschiedlichen Tongehalt zurückführen.
Die standortspezifische Kalibration hat sich als essenzielle Voraussetzung für die Modellierung der N2O-Flüsse und Ernteerträge herausgestellt. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Kalibration mit experimentellen Daten und verfügbaren Literaturangaben zu annähernder Übereinstimmung zwischen modellierten und gemessenen Erträgen und den jährlichen N2O- Emissionen geführt hat. Es wurden jedoch große Abweichungen bezüglich der modellierten und gemessenen N2O-Emissionen im Jahresverlauf festgestellt. Die Pedotransferfunktionen das Denitrifikationsteilmodell des verwendeten DNDC Modells bedürfen daher weiterer Verbesserungen.
Die dritte Studie legt dar, dass die N2O- Isotopologen den zeitlichen Verlauf der beobachteten N2O- und N2-Flüsse widerspiegelten und hilfreiche Prozess-informationen lieferten. Die eindeutige Identifizierung der Quellprozesse wurde durch das Auftreten mehrerer Faktoren behindert und konnte abschließend nicht aufgeklärt werden. Dennoch wies der zeitgleiche Anstieg der 15N-Positions-präferenz und der δ18O-N2O-Signaturen auf die N2O-Reduktion zum N2 hin.
Der bedeutende Einfluss der Wiederbefeuchtung eines Bodens auf die N2O-Emissionen belegt die vierte Studie. Der Versuchsansatz zeigt, dass das zeitgleiche Erfassen von N2- und N2O-Flüssen und der Isotopensignaturen von NO3- und N2O zusammen mit der Modellierung der Isotopenfraktionierung Einblicke in die räumliche Verteilung von N Spezies und der mikrobiellen Aktivität im Boden erlaubt.
Insgesamt bleibt festzuhalten, dass sich kein genereller Einfluss der betrachteten Bodenbearbeitungssysteme auf den Nettoaustausch des N2O gezeigt hat und dass die Modellierung der N2O-Gesamtemissionen der zwei Bodenbearbeitungs-systeme mit den gemessenen Werten übereinstimmte. Die Nutzung stabiler Isotope hat das Verständnis der N2O-Produktions- und -Verbrauchsprozesse verbessert und die initialen Feuchtebedingungen haben die Emissionen und die Isotopensignaturen während der Denitrifikation in einem Ackerboden beeinflusst.
