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Hanne Schmidt-Przebierala
Institut für Agrarklimaschutz

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Regelung der Denitrifikation in Agrarböden

Projekt

Bodeninkubationen zur Gewinnung von Modellvalidierungsdatensätzen und Experimente zur Quantifizierung des anaeroben Volumenanteils im Boden - Teilprojekt 6 der Forschergruppe "Denitrification in Agricultural Soils: Integrated control and Modelling at various scales“ (DASIM) (DFG FOR 2337)

Für eine genaue Vorhersage gasförmiger Stickstoffverluste aus Agrarböden durch mikrobielle Prozesse fehlen bislang robuste Messdaten zu N2-Emissionen und zur Sauerstoffverarmung im Boden. Unsere Aufgabe ist es, diese Lücke anhand von Laboruntersuchungen zu schließen.

Hintergrund und Zielsetzung

Denitrifikation ist ein anaerober mikrobieller Prozess der sukzessiven Reduktion von Nitrat (NO3-) und Nitrit (NO2-) zu molekularem Stickstoff (N2) mit folgenden Reaktionsschritten: NO3- ? NO2- ? NO ? N2O ? N2. Das Zwischenprodukt Lachgas (N2O) wird z.T. nicht weiter zu N2 reduziert. Die daraus resultierende Emission in die Atmosphäre stellt den dominanten Anteil der Emission dieses Klimagases aus landwirtschaftlichen Böden dar. Unser Verständnis und die Fähigkeit zur Quantifizierung der Denitrifikation im Boden ist eine entscheidende Voraussetzung, um den Verlust von Düngerstickstoff und N2O-Emissionen reduzieren zu können. Robuste Datensätze zur Validierung von N2-Flüssen aus Denitrifikationsmodellen sind rar, vor allem weil geeignete Methoden nur begrenzt verfügbar sind, aber auch wegen der extremen raum-zeitlichen Heterogenität der Denitrifikation. Die DFG-Forschergruppe „Denitrification in Agricultural Soils: Integrated Control and Modelling at Various Scales (DASIM)” (https://www.thuenen.de/de/ak/aktuelles-und-service/detail-aktuelles/news/detail/News/neue-dfg-forschergruppe-beschaeftigt-sich-mit-der-denitrifikation-in-agrarboeden/) beleuchtet mit analytischen und molekularbiologischen Methoden sowie mit Freiland-Experimenten und verschiedenen Modellansätzen die Prozesskette der Denitrifikation in Agrarböden von der Mikroskala zur Feldskala. Ziel ist es, die Aktivität und Regelung der Denitrifikation mit einer bisher beispiellosen räumlichen und zeitlichen Auflösung zu untersuchen, um anhand der Ergebnisse mathematische Modelle von der Mikroskala zur Feldskala zu entwickeln und vorhandene Simulationsmodelle zu verbessern. Der anaerobe Volumenanteil im Boden, eine wesentliche Steuergröße der Denitrifikation, ist bekanntlich von der räumlichen Verteilung der Gasdiffusivität und der Respiration abhängig. Durch die begrenzte Messbarkeit seiner Regelfaktoren wurde der anaerobe Volumenanteil im Boden bisher kaum quantifiziert. Heute stehen jedoch besser geeignete Methoden zur Verfügung.

Unsere Ziele im Teilprojekt P6 sind:

  • Quantifizieren von N2-, N2O- und NO- Emissionen
  • Quantifizieren des Beitrags der verschiedenen N-Transformationen unter variablem Einfluss von Kontrollfaktoren der Denitrifikation (organischer Kohlenstoff, mineralischer Stickstoff, Wassergehalt, Porenvolumen)
  • und darauf basierend die Validierung von bestehenden Denitrifikationsmodellen (durch unsere Projektpartner).
  • Erstellen von Datensätzen, die so detailliert wie möglich Raten und Typen der N2 und N2O produzierenden Prozesse abbilden sowie ihre physikalischen, chemischen und mikrobiellen Regelfaktoren (in Kooperation mit unseren Projektpartnern)
  • darauf basierend die Kalibrierung und Validierung der in DASIM neu entwickelten Modelle (durch unsere Projektpartner).
  • Bestimmen des repräsentativen Elementarvolumens für N2- und N2O-Emissionen aus Ackerböden.
  • Bestimmen des anaeroben Volumenanteils in den untersuchten Böden unter variablen Bedingungen.
  • Visualisieren, wie die organische Bodensubstanz an ausgewählten Bodenproben auf der Mikroskala verteilt ist.
  • Prüfung an ausgewählten Bodenproben, ob eine mikro-skalige Lokalisierung der Denitrifikation durchführbar ist.

Vorgehensweise

Unsere Ziele erreichen wir in vier Abschnitten:

  1. Um Datensätze zu erheben, die die Aktivität der Denitrifikation und ihre Regelung in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung abbilden, setzen wir neue und verbesserte Stabilisotopenmethoden ein. Die Datensätze dienen der Validierung bestehender und der Kalibrierung neuer Denitrifikationsmodelle, die in anderen Teilprojekten von DASIM angewendet und/oder entwickelt werden.
  2. Durch Inkubationsversuche mit variierter Bodenmenge unter standardisierten Bedingungen untersuchen wir das für die Denitrifikation repräsentative Elementarvolumen. Auf dieser Grundlage können unsere Projektpartner die Modellierung skalieren.
  3. Um den anaeroben Bodenvolumenanteil zu bestimmen, messen wir in Kooperation mit anderen Teilprojekten die räumliche Verteilung der Gasdiffusivität sowie der Denitrifikationsaktivitäten unter definierten Sauerstoffverhältnissen. Diese verschiedenen Ansätze werden kreuzvalidiert. Der aussichtsreichste wird bei der Validierung des anaeroben Volumens in den neuen Denitrifikationsmodellen Anwendung finden.
  4. Wir testen, ob die räumlichen Verteilungen der Denitrifikationsaktivität und ihrer Kontrollfaktoren mit NanoSIMS bestimmt werden können, und ob die nano-skalige Sekundärionen-Massenspektrometrie (NanoSIMS) geeignet ist, um in Phase 2 von DASIM heterogene mikroskalige Prozesse in größerem Umfang zu untersuchen. Diese Tests beinhalten die Messung der Verteilung der organischen Substanz in ausgewählten Bodenaggregaten und eine neue 15N-Tracermethode zur Lokalisierung von Nitratabbau in Aggregaten.

Unsere Forschungsfragen

Die in der gesamten Forscherguppe DASIM behandelten Fragen sind:

  • Wie wird die Aktivität von denitrifizierenden Mikroorganismen und die Struktur ihrer Gemeinschaft auf der Mikroskala geregelt?
  • Wie wird die Denitrifikation durch andere zeitgleich ablaufende N-Transformationen beeinflusst?
  • Was bestimmt die Bildung von “hot spots” (d.h. Habitate höchster Aktivität) und “hot moments” (d.h. zeitliche hot spots) der Denitrifikationsaktivität?
  • In welchem Ausmaß ist die Regelung der Denitrifikation abhängig von der betrachteten Skala (z.B. Mikro-, Meso- oder Feldskala)?
  • Kann die Denitrifikation für einen gegebenen Boden unter bestimmten atmosphärischen Randbedingungen anhand von messbaren strukturellen und biochemischen Eigenschaften vorhergesagt werden?

Die in unserem Teilprojekt P6 behandelten Fragen sind:

  • Wie werden die Emissionen von N2, N2O und NO und ihre Interaktion mit den verschiedenen N-Transformationen von physikalischen, chemischen und mikrobiellen Regelfaktoren beeinflusst?
  • Welche Größe hat das repräsentativen Elementarvolumens für N2- und N2O-Emissionen aus Ackerböden.
  • Wie kann der anaerobe Volumenanteil im Boden bestimmt werden und welchen Beitrag kann die Messung dieser Größe zur Verbesserung von Denitrifikationsmodellen beitragen?
  • Wie ist die organische Bodensubstanz auf der Mikroskala verteilt und welchen Beitrag kann die Messung dieser Größe zur Verbesserung von Denitrifikationsmodellen beitragen?
  • Können wir Denitrifikationsaktivität auf der Mikroskala mit Hilfe der nano-skaligen Sekundärionen-Massenspektrometrie (NanoSIMS) lokalisieren?

Thünen-Ansprechpartner


Beteiligte Thünen-Partner


Beteiligte externe Thünen-Partner

  • Technische Universität München
    (München, Deutschland)
  • Umweltforschungszentrum
    (Halle (Saale), Deutschland)
  • Universität Hannover
    (Hannover, Deutschland)
  • Universität Halle
    (Halle (Saale), Deutschland)
  • Universität Göttingen
    (Göttingen, Deutschland)
  • Universität Gießen
    (Gießen, Deutschland)
  • Universität Rostock
    (Rostock, Deutschland)
  • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Institut für Meteorologie und Klimaforschung
    (Garmisch-Partenkirchen, Deutschland)
  • TU Clausthal
    (Clausthal-Zellerfeld, Deutschland)
  • Norwegian University of Life Sciences
    (Ås, Norwegen)

Geldgeber

  • Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
    (national, öffentlich)

Zeitraum

6.2016 - 5.2019

Weitere Projektdaten

Projekttyp:
Projektfördernummer: FOR 2337
Projektstatus: läuft

Publikationen

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