Navigation ▼

Show simple item record

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.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 (&delta;<sup>18</sup>O-N<sub>2</sub>O, &delta;<sup>15</sup>N<sup>bulk</sup>-N<sub>2</sub>O, &delta;<sup>15</sup>N<sup>&alpha;</sup>, &delta;<sup>15</sup>N<sup>&beta;</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 &delta;<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 (&delta;<sup>18</sup>O-N<sub>2</sub>O, &delta;<sup>15</sup>N<sup>bulk</sup>-N<sub>2</sub>O, &delta;<sup>15</sup>N<sup>&alpha;</sup>, &delta;<sup>15</sup>N<sup>&beta;</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 &delta;<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

Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record