| dc.contributor.advisor | Flessa, Heinz Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Sielhorst, Anja | |
| dc.date.accessioned | 2015-07-10T08:10:40Z | |
| dc.date.available | 2015-07-10T08:10:40Z | |
| dc.date.issued | 2015-07-10 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0022-6050-F | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-5142 | |
| dc.description.abstract | <p>
Eine Hauptquelle des vom Menschen verursachten
klimaschädlichen Distick-stoffoxids (N<sub>2</sub>O), 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 (NO<sub>3</sub><sup>-</sup>) über Nitrit
(NO2-) und Stickstoffmonoxid (NO) zu N<sub>2</sub>O und
schließlich zu Di-Stickstoff (N<sub>2</sub>) umgesetzt,
wobei N<sub>2</sub>O 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 N<sub>2</sub>O-
Prozesse im Boden besser zu verstehen.
</p>
<p>
Diese Arbeit beinhaltet verschiedene
Untersuchungsergebnisse zum Thema „N<sub>2</sub>O-
Emissionen landwirtschaftlicher Böden“ und
liefert hilfreiche Informationen, die dazu
beitragen, die Wissenslücke bezüglich der N<sub>2</sub>O-
Prozesse und deren Einflussfaktoren zu füllen.
</p>
<p>
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 N<sub>2</sub>O 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.
</p>
<p>
Zusätzlich wurden mit dem „Denitrification-
Decomposition“-Modell (DNDC) die bei den
Feldversuchen erfassten N<sub>2</sub>O-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.
</p>
<p>
Des Weiteren werden zwei Laborexperimente zur
Identifizierung von Produktions- und
Reduktionsprozessen des N<sub>2</sub>O während der
Denitrifikation in Ackerböden mit Hilfe stabiler
Isotope präsentiert. Der erste Versuch zielte
durch die zeitgleiche Erfassung der N<sub>2</sub>O-
Produktion und -Reduktion darauf ab
herauszufinden, ob die Isotopensignaturen des
emittierten N<sub>2</sub>O unter der nicht-homogenen NO<sub>3</sub><sup>-</sup>-
und Denitrifikationsverteilung im Boden geeignet
sind, die involvierten Prozesse besser zu
beschreiben.
</p>
<p>
Der zweite Versuch sollte neben dem Einfluss der
initialen Bodenfeuchte auf die N<sub>2</sub>- und N<sub>2</sub>O-
Flüsse auch dazu dienen festzustellen, inwieweit
die Isotopensignaturen des emittierten N<sub>2</sub>O und
des NO<sub>3</sub><sup>-</sup> im Boden die N<sub>2</sub>-Flüsse und das
Verhältnis von N<sub>2</sub>O/N<sub>2</sub> widerspiegeln und ob die
Isotopensignaturen des N<sub>2</sub>O als Werkzeug zur
Untersuchung der Denitrifikation im Boden
geeignet sind.
</p>
<p>
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 N<sub>2</sub>O- 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.
</p>
<p>
Für die Modellierung wurde ein Testmodel,
basierend auf der Parametrisierung einer
Variante der ersten Teilstudie (Garte Süd,
pflugbasiert) generiert, welches die erfassten
Daten (N<sub>2</sub>O-Emissionen, Erträge,
Bodenwasserdynamik) am besten beschrieben hat.
Diese Parametrisierung wurde dann an den anderen
Varianten als zurückblickende Simulation
angewendet.
</p>
<p>
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 N<sub>2</sub> 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 (N<sub>2</sub>O, N<sub>2</sub> und
Kohlenstoffdioxid) und Isotopensignaturen
(δ<sup>18</sup>O-N<sub>2</sub>O,
δ<sup>15</sup>N<sup>bulk</sup>-N<sub>2</sub>O, δ<sup>15</sup>N<sup>α</sup>, δ<sup>15</sup>N<sup>β</sup> und die <sup>15</sup>N
Positionspräferenz) des emittierten N<sub>2</sub>O
wurden über einen Zeitraum von 13 Tagen erfasst.
</p>
<p>
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.
</p>
<p>
Die Ergebnisse der ersten Studie ergeben, dass
die jährlichen N<sub>2</sub>O-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 N<sub>2</sub>O-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.
</p>
<p>
Die standortspezifische Kalibration hat sich als
essenzielle Voraussetzung für die Modellierung
der N<sub>2</sub>O-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 N<sub>2</sub>O-
Emissionen geführt hat. Es wurden jedoch große
Abweichungen bezüglich der modellierten und
gemessenen N<sub>2</sub>O-Emissionen im Jahresverlauf
festgestellt. Die Pedotransferfunktionen das
Denitrifikationsteilmodell des verwendeten DNDC
Modells bedürfen daher weiterer Verbesserungen.
</p>
<p>
Die dritte Studie legt dar, dass die N<sub>2</sub>O-
Isotopologen den zeitlichen Verlauf der
beobachteten N<sub>2</sub>O- und N<sub>2</sub>-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
δ<sup>18</sup>O-N<sub>2</sub>O-Signaturen auf die N<sub>2</sub>O-Reduktion zum N<sub>2</sub>
hin.
</p>
<p>
Der bedeutende Einfluss der Wiederbefeuchtung
eines Bodens auf die N<sub>2</sub>O-Emissionen belegt die
vierte Studie. Der Versuchsansatz zeigt, dass
das zeitgleiche Erfassen von N<sub>2</sub>- und N<sub>2</sub>O-Flüssen
und der Isotopensignaturen von NO<sub>3</sub><sup>-</sup> und N<sub>2</sub>O
zusammen mit der Modellierung der
Isotopenfraktionierung Einblicke in die
räumliche Verteilung von N Spezies und der
mikrobiellen Aktivität im Boden erlaubt.
</p>
<p>
Insgesamt bleibt festzuhalten, dass sich kein
genereller Einfluss der betrachteten
Bodenbearbeitungssysteme auf den Nettoaustausch
des N<sub>2</sub>O gezeigt hat und dass die Modellierung
der N<sub>2</sub>O-Gesamtemissionen der zwei
Bodenbearbeitungs-systeme mit den gemessenen
Werten übereinstimmte. Die Nutzung stabiler
Isotope hat das Verständnis der N<sub>2</sub>O-Produktions-
und -Verbrauchsprozesse verbessert und die
initialen Feuchtebedingungen haben die
Emissionen und die Isotopensignaturen während
der Denitrifikation in einem Ackerboden
beeinflusst.
</p> | de |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 630 | de |
| dc.title | Nitrous oxide emissions from arable soils - Effect of long-term tillage and identification of production and consumption processes using stable isotope approaches | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.contributor.referee | Flessa, Heinz Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2014-07-18 | |
| dc.description.abstracteng | <p>
One of the main anthropic sources of nitrous
oxide (N<sub>2</sub>O) 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 (NO<sub>3</sub><sup>-</sup>) via nitrite and nitric oxide to
N<sub>2</sub>O and finally into dinitrogen (N2) and both
production and consumption of N<sub>2</sub>O 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 N<sub>2</sub>O processes in
soils.
</p>
<p>
This thesis presents results with respect to
N<sub>2</sub>O emissions from arable soils and provides
information which contribute to fill the gap of
knowledge with respect to pathways and
influencing factors of N<sub>2</sub>O emissions from arable
soils.
</p>
<p>
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 N<sub>2</sub>O
emission and the methane (CH<sub>4</sub>) uptake are
described and discussed, particularly with
regard to spatial and seasonal variation of N<sub>2</sub>O
and CH<sub>4</sub> flux rates and the factors that control
the spatial and temporal variability of the flux
rates.
</p>
<p>
Additionally, those N<sub>2</sub>O 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 N<sub>2</sub>O emissions of
differently managed soils.
</p>
<p>
Secondly, two laboratory experiments using
stable isotope approaches are presented dealing
with the production and consumption processes of
N<sub>2</sub>O during denitrification in arable soils. The
first laboratory study aimed to simultaneously
measure production and consumption of N<sub>2</sub>O during
denitrification in order to determine whether
the N<sub>2</sub>O isotopologue signatures of emitted N<sub>2</sub>O
under the condition of non-homogenous
distribution of NO<sub>3</sub><sup>-</sup> and denitrification in soil
could be used to better define the processes
involved.
</p>
<p>
The second laboratory experiment intended to
determine the impact of antecedent soil moisture
on N<sub>2</sub> and N<sub>2</sub>O fluxes, to evaluate how N<sub>2</sub> fluxes
and the N<sub>2</sub>O/N<sub>2</sub> ratio are reflected by the
isotopic signatures of emitted N<sub>2</sub>O and of NO<sub>3</sub><sup>-</sup>
in soil and thus to test isotopologue signatures
of N<sub>2</sub>O as a tool to study denitrification in
soil.
</p>
<p>
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. N<sub>2</sub>O and CH<sub>4</sub>
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.
</p>
<p>
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.
</p>
<p>
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 N<sub>2</sub>. Atmospheric N<sub>2</sub> 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 (N<sub>2</sub>O, N<sub>2</sub> and carbon
dioxide) and isotope signatures (δ<sup>18</sup>O-N<sub>2</sub>O,
δ<sup>15</sup>N<sup>bulk</sup>-N<sub>2</sub>O, δ<sup>15</sup>N<sup>α</sup>, δ<sup>15</sup>N<sup>β</sup> and <sup>15</sup>N site
preference) of emitted N<sub>2</sub>O were determined over
a period of 13 days.
</p>
<p>
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 N<sub>2</sub> 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 N<sub>2</sub>O were
determined over a period of 13 days whereas
after 6 days O2 was shut off.
</p>
<p>
Results of the first study indicates that the
annual N<sub>2</sub>O fluxes and CH<sub>4</sub> 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 N<sub>2</sub>O fluxes and cumulative annual
N<sub>2</sub>O 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.
</p>
<p>
Site specific calibration within the second
study has shown to be an essential requirement
for the modeling of N<sub>2</sub>O 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 N<sub>2</sub>O emissions. Anyway, modeled
and measured annual distributions of N<sub>2</sub>O
emissions were not accurate. Thus, the
pedotransfer functions and the denitrification
sub-model of the used DNDC model may need
further improvement.
</p>
<p>
The third study shows, that the N<sub>2</sub>O isotopologue
values reflected the temporal patterns observed
in N<sub>2</sub>O and N<sub>2</sub> 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 δ<sup>18</sup>O-N<sub>2</sub>O was found to be
indicative of N<sub>2</sub>O reduction to N<sub>2</sub>.
</p>
<p>
The fourth study demonstrates the important
effect of rewetting soil on N<sub>2</sub>O emissions. The
approach of combining measurement of N<sub>2</sub> and N<sub>2</sub>O
fluxes and isotopic signatures of NO<sub>3</sub><sup>-</sup> and N<sub>2</sub>O
with isotope fractionation modeling gives
insight into the spatial distribution of N
species and microbial activity in soils.
</p>
<p>
Summarizing the results, the long-term effect of
conventional and reduced tillage on the net
exchange of N<sub>2</sub>O was low and the modeling of N<sub>2</sub>O
emissions from arable soils with differing
tillage quite good. Using stable isotope
approaches improved the understanding of N<sub>2</sub>O
production and consumption processes and
antecedent soil moisture conditions effected
emissions and isotopologue distribution of N<sub>2</sub>O
during denitrification in an arable soil.
</p> | de |
| dc.contributor.coReferee | Dittert, Klaus Prof. Dr. | |
| dc.contributor.thirdReferee | Kuzyakov, Yakov Prof. Dr. | |
| dc.subject.eng | tillage | de |
| dc.subject.eng | nitrous oxide | de |
| dc.subject.eng | denitrification | de |
| dc.subject.eng | isotops | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0022-6050-F-2 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie | de |
| dc.subject.gokfull | Forstwirtschaft (PPN621305413) | de |
| dc.identifier.ppn | 829585842 | |