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Caroline Buchen

Promotion zum Dr. rer. nat. am 27.01.2017

Caroline Buchen mit Doktorhut
Caroline Buchen mit Doktorhut (© Thünen-Institut/AK)

Am 27.01.2017 hat Caroline Buchen erfolgreich ihre Doktorarbeit „The fate of nitrogen after grassland renewal and grassland conversion to maize cropping – An investigation of N2O processes and mineral N dynamics at the field scale“ an der Fakultät für Architektur, Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig verteidigt. Die Dissertation wurde im Rahmen des DFG-Graduiertenkollegs 1397 „Steuerung von Humus- und Nährstoffhaushalt in der ökologischen Landwirtschaft“ angefertigt.

Auf intensiv genutzten Grünlandstandorten, besonders im Nordwesten Europas, ist Grünlanderneuerung eine weit verbreitete Maßnahme. Die Bearbeitung von Grünlandböden kann jedoch zu einer gesteigerten Mineralisation im Zuge des Abbaus organischer Bodensubstanz und der alten Grasnarbe führen, welches hohe N-Verluste in Form des klimarelevanten Treibhausgases Lachgas (N2O) und/oder Nitratauswaschung (NO3-) zur Folge haben kann. Im Rahmen der Dissertation wurden Untersuchungen zur Dauer des beschriebenen Effektes, zum Einfluss unterschiedlicher Techniken der Grünlanderneuerung (mit und ohne mechanische Zerstörung der Grasnarbe) und den zugrunde liegenden Prozessen der N2O-Umsetzung durchgeführt.

Zu diesem Zweck wurde in Norddeutschland ein Feldversuch (2013-2015) angelegt, bei dem verschiedene Grünlanderneuerungstechniken mit Dauergrünland und Grünlandumbruch mit anschließender Maisnutzung verglichen wurden. Dafür wurden zwei Grünlandflächen mit unterschiedlichen Bodentypen (Plaggenesch und Anmoorgley) gewählt, welche sich im Gehalt an organischer Bodensubtanz und dem Grundwassereinfluss unterscheiden.

Im ersten Teil der Studie wurden N2O-Flüsse und die Dynamik des mineralischen N (0-30 cm) über einen Zeitraum von zwei Jahren untersucht. Zusätzlich wurden Nmin-Profile (0-90 cm) genutzt, um den N-Verlust über Winter zu quantifizieren und das Risiko für eine mögliche NO3--Auswaschung abzuschätzen. Obwohl die N2O-Flüsse für einen kurzen Zeitraum (2 Monate) nach der Bearbeitung erhöht waren, konnte kein Jahreseffekt festgestellt werden. Im ersten Winter nach dem Aufbrechen der alten Grasnarbe trat jedoch insbesondere für den Plaggenesch ein erhöhtes Risiko für NO3--Auswaschung auf.

Im zweiten Teil der Studie erfolgte die Untersuchung der N2O-Produktionswege und der N2O-Reduktion zu N2 (dem Endprodukt der Denitrifikation) unter Anwendung der 15N-Gasflussmethode im Feld für 6 Wochen im Sommer 2014. Auf dem Anmoorgley wurden große N-Verluste durch den Prozess der Denitrifikation bestimmt, wobei N2 den größten Anteil an den Emissionen aufwies. Auf dem Plaggenesch wurden generell geringere gasförmige Verluste ermittelt.

In der dritten Studie wurden natürlich vorhandene stabile Isotopensignaturen im bodenbürtigen N2O (δ15NbulkN2O, δ18ON2O und δ15NSPN2O = intramolekulare Verteilung von 15N im N2O Molekül) genutzt, um Quellen der N2O-Bildung im ersten Jahr nach Grünlanderneuerung zu ermitteln. Erstmals wurden gleichzeitig die Anteile der N2O-Reduktion und der bakteriellen N2O-Bildung aus den Messdaten mit einer neuen Auswertungsroutine abgeschätzt. Die z. T. zeitgleiche Durchführung dieser Messungen ermöglichte einen ersten Vergleich beider Methoden auf der Feldebene.

Die Ergebnisse zeigen, dass für die untersuchten Standorte ein hohes Mineralisationspotential vorliegt, so dass eine Berücksichtigung der Nmin-Dynamik in der N-Düngung und eine schnelle Entwicklung des neuen Pflanzenbestandes notwendig sind, um eine optimale Nutzung des Dünger-N im Aufwuchs zu erzielen und N-Verluste zu vermeiden. Durch Anwendung von Isotopenmethoden hat sich gezeigt, dass N2-Emissionen ein wichtiger Verlustpfad der N-Bilanz sind, der bei der Bewertung der N-Nutzungseffizienz im Grünland berücksichtigt werden sollte.