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Steffanie Schirren
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NITROSPHERE

Projekt

Spurengasmessungen im Naturpark Bourtanger Moor im Emsland (c) Thünen-Institut/AK
Spurengasmessungen im Naturpark Bourtanger Moor im Emsland (© Thünen-Institut/AK)

Auswirkungen atmosphärischer Stickstoffdeposition auf die Produktivität terrestrischer Ökosysteme sowie den Biosphäre-Atmosphäre-Austausch klimawirksamer Spurengase – Ein neuer Ansatz

Im Projekt NITROSPHERE untersuchen wir den Zusammenhang zwischen atmosphärischer Stickstoffdeposition und dem Treibhausgasaustausch verschiedener Ökosysteme mithilfe neuer Messtechnik (TRANC).

Hintergrund und Zielsetzung

Die Bestimmung von Treibhausgasflüssen hat Fortschritte gemacht. Trotzdem ist das Wissen darüber sehr beschränkt, wie die Einlagerung reaktiver N-Verbindungen (Nr) sich auf die Produktivität der Ökosysteme sowie den damit verbundenen Austausch von Treibhausgasen auswirkt. Das liegt teilweise am Mangel geeigneter Nr-Messmethoden. Die Ziele von NITROSPHERE sind daher

  1. das kürzlich entwickelte Nr-Messsystem TRANC zu etablieren und weiter zu verbessern, sowie
  2. Daten zusammenzuführen, die den direkten Zusammenhang zwischen der Nr-Deposition und dem Treibhausgasaustausch verschiedener Ökosysteme beschreiben.

Mit diesem Ansatz wollen wir nicht nur die instrumentelle Ausstattung großskaliger Forschungsinfrastrukturen wie ICOS stärken, sondern auch eine verbesserte Datenbasis verfügbar machen, mit der sich Emissionsfaktoren ableiten und Klimaschutzrichtlinien formulieren lassen.

Vorgehensweise

Drei Wissenschaftlern (ein Leiter, zwei Doktoranden) und ein Techniker arbeiten in der Nachwuchsgruppe zusammen. Den beiden Doktoranden ist jeweils ein Arbeitspaket (WP) zugewiesen. Der Fokus des WP I liegt auf Nr-Messungen und einer Verbesserung der TRANC-Methodik. Über einem Moor-, einem Agrar- und einem Waldstandort wollen wir kontinuierlich den Nr-Biosphäre-Atmosphäre-Austausch messen. WP II beinhaltet eine umfassende Datensynthese und Nr-Modellierung. Damit arbeiten wir den Zusammenhang zwischen Nr- und Treibhausgasaustausch heraus. Sämtliche Aufgaben wollen wir in den ersten 4 Projektjahren abschließen; ein fünftes Jahr bleibt der weiteren Verwertung unserer Ergebnisse (Regionalisierung und Standardisierung/Etablierung der TRANC-Methodik) vorbehalten.

Ergebnisse

Unsere Ergebnisse zeigen, dass mit der neu entwickelten Messtechnik die Aufnahmefähigkeit von Moorökosystemen für atmosphärischen Stickstoff als geringer einzustufen ist als bisher angenommen (ca. 35% niedrigere Aufnahme als mit herkömmlicher Methodik). Erstmals konnten TRANC und NH3-QCL im Zuge von NITROSPHERE gekoppelt werden. QCL und ein weiterentwickelter thermischer Konverter zeigten während einer Vergleichskampagne gute Übereinstimmungen in den gemessen NH3-Konzentrationen. Emissionsfaktoren von  3,6% konnten wenige Tage nach der Düngung auf einem Maisfeld gemessen werden. Dieser Wert liegt deutlich unterhalb der 8,2%, die von der European Environment Agency (2016) ausgegeben werden. Globalstrahlung und die atmosphärische Konzentration nehmen eine wichtige Rolle für die Erklärbarkeit von N-Flüssen ein. So ließen sich 41% der Variabilität des Austauschverhaltens von reaktivem Stickstoff durch beide Treiber erklären. Eine Analyse der Hochfrequenzverluste von ΣNr und NH3 zeigte, dass bekannte Methoden, die für CO2 und H2O optimiert sind, nicht für reaktive Gase geeignet erscheinen und nach heutigem Stand empirische Methoden zur Abschätzung der Dämpfung genutzt werden sollten.

Im Bereich der Modellierung wurden deutliche Fortschritte auf verschiedenen Ebenen der NH3-Austauschbestimmung erlangt: In Schrader & Brümmer (2013, 2014) wurde eine aktuelle Zusammenschau der Literatur zur NH3-Depositionsgeschwindigkeit präsentiert. Die Kernergebnisse bestätigen die grundsätzliche Annahme, dass die Deposition in Ökosystemen mit einer hohen Rezeptoroberfläche (z.B. Nadelwälder) besonders hoch ist, während sich insbesondere in aktiv bewirtschafteten Ökosystemen (z.B. Ackerland) eine hohe Variabilität in der Depositionsgeschwindigkeit zeigt. Einerseits sind diese aktualisierten Zahlen direkt zur Plausibilitätskontrolle und zur konservativen Abschätzung der NH3-Trockendeposition anwendbar, andererseits unterstreichen sie auch den Bedarf an standort- und prozessbasierter Modellierung und die unzureichende Auflösung konstanter Faktoren für wissenschaftliche Anwendungen. Schrader et al. (2016) zeigen Wissenslücken und physikalisch unplausibel aufgelöste Prozesse in der Modellierung des nicht-stomatären NH3-Austauschs auf, an denen derzeit aktiv gearbeitet wird. Schrader et al. (eingereicht) diskutieren und demonstrieren eine Vorgehensweise zur physiologisch korrekteren Berechnung des stomatären Austauschs von NH3 auf Basis der Photosyntheseaktivität der Vegetation. Dieser Ansatz erlaubt eine mechanistisch korrekte, standortbasierte Parametrisierung von NH3-Austauschmodellen und ist ein wichtiger Schritt zum modularen Aufbau eines NH3-Depositionsmonitorings auf existierenden Infrastrukturen. Zudem eröffnet er die Möglichkeit zur besseren Abschätzung der NH3-Deposition unter zukünftigen klimatischen Bedingungen. Mit Hilfe des Korrekturverfahrens von Schrader et al. (2018) ist es möglich, auch mit langsamer Low-Cost-Sensorik valide NH3-Depositionsraten zu berechnen – in der Vergangenheit wurden die dabei auftretenden, z.T. sehr signifikanten systematischen Fehler häufig nicht beachtet und zuvor nie präzise und reproduzierbar quantifiziert.

Installation einer mikrometeorologischen Messanlage an einem Agrarstandort im Emsland
Installation einer mikrometeorologischen Messanlage an einem Agrarstandort im Emsland (© Thünen-Institut/AK)

Thünen-Ansprechpartner


Beteiligte Thünen-Partner


Beteiligte externe Thünen-Partner


Geldgeber

  • Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
    (national, öffentlich)

Zeitraum

8.2013 - 7.2019

Weitere Projektdaten

Projekttyp:
Projektfördernummer: 01LN1308A
Projektstatus: abgeschlossen

Agrarlandschaft in der Nähe des Thünen-Instituts in Braunschweig
Agrarlandschaft in der Nähe des Thünen-Instituts in Braunschweig (© Thünen-Institut/AK)

Publikationen

Anzahl der Datensätze: 14

  1. Zöll U, Lucas-Moffat AM, Wintjen P, Schrader F, Beudert B, Brümmer C (2019) Is the biosphere-atmosphere exchange of total reactive nitrogen above forest driven by the same factors as carbon dioxide? An analysis using artificial neural networks. Atmos Environ 206:108-118, DOI:10.1016/j.atmosenv.2019.02.042
    PDF Dokument (nicht barrierefrei) 6534 KB
  2. Schrader F, Schaap M, Zöll U, Kranenburg R, Brümmer C (2018) The hidden cost of using low-resolution concentration data in the estimation of NH3 dry deposition fluxes. Sci Rep 8:969, DOI:10.1038/s41598-017-18021-6
    PDF Dokument (nicht barrierefrei) 2790 KB
  3. Lucas-Moffat AM, Huth V, Augustin J, Brümmer C, Herbst M, Kutsch WL (2018) Towards pairing plot and field scale measurements in managed ecosystems: Using eddy covariance to cross-validate CO2 fluxes modeled from manual chamber campaigns. Agric Forest Meteorol 256-257:362-378, DOI:10.1016/j.agrformet.2018.01.023
  4. Brümmer C, Lyshede B, Lempio D, Delorme J-P, Rüffer J, Fuß R, Moffat AM, Hurkuck M, Ibrom A, Ambus P, Flessa H, Kutsch WL (2017) Gas chromatography vs. quantum cascade laser-based N2O flux measurements using a novel chamber design. Biogeosciences 14(6):1365-1381, DOI:10.5194/bg-14-1365-2017
    PDF Dokument (nicht barrierefrei) 9446 KB
  5. Moffat AM, Brümmer C (2017) Improved parameterization of the commonly used exponential equation for calculating soil-atmosphere exchange fluxes from closed-chamber measurements. Agric Forest Meteorol 240:18-25, DOI:10.1016/j.agrformet.2017.03.005
  6. Hurkuck M, Brümmer C, Kutsch WL (2016) Near-neutral carbon dioxide balance at a seminatural, temperate bog ecosystem. J Geophys Res Biogeosci 12(2):370-384, DOI:10.1002/2015JG003195
  7. Schrader F, Brümmer C, Flechard CR, Wichink Kruit RJ, Zanten MC van, Zöll U, Hensen A, Erisman JW (2016) Non-stomatal exchange in ammonia dry deposition models: comparison of two state-of-the-art approaches. Atmospheric Chem Phys 16(21):13417-13430, DOI:10.5194/acp-16-11283-2016
    PDF Dokument (nicht barrierefrei) 2365 KB
  8. Zöll U, Brümmer C, Schrader F, Ammann C, Ibrom A, Flechard CR, Nelson DD, Zahniser M, Kutsch WL (2016) Surface-atmosphere exchange of ammonia over peatland using QCL-based eddy-covariance measurements and inferential modeling. Atmospheric Chem Phys 16(17):11283-11299, DOI:10.5194/acp-16-11283-2016
    PDF Dokument (nicht barrierefrei) 537 KB
  9. Mohr K, Suda J, Kros H, Brümmer C, Kutsch WL, Hurkuck M, Woesner E, Wesseling W (2015) Atmosphärische Stickstoffeinträge in Hochmoore Nordwestdeutschlands und Möglichkeiten ihrer Reduzierung - eine Fallstudie aus einer landwirtschaftlich intensiv genutzten Region. Braunschweig: Johann Heinrich von Thünen-Institut, 108 p, Thünen Rep 23, DOI:10.3220/REP_23_2015
    PDF Dokument (nicht barrierefrei) 5649 KB
  10. Hurkuck M, Brümmer C, Mohr K, Spott O, Well R, Flessa H, Kutsch WL (2015) Effects of grass species and grass growth on atmospheric nitrogen deposition to a bog ecosystem surrounded by intensive agricultural land use. Ecol Evol 5(13):2556-2571, DOI:10.1002/ece3.1534
    PDF Dokument (nicht barrierefrei) 561 KB
  11. Hurkuck M, Brümmer C, Mohr K, Grünhage L, Flessa H, Kutsch WL (2014) Determination of atmospheric nitrogen deposition to a semi-natural peat bog site in an intensively managed agricultural landscape. Atmos Environ 97:296-309, DOI:10.1016/j.atmosenv.2014.08.034
  12. Schrader F, Brümmer C (2014) Genfer Luftreinhaltekonvention der UNECE: Literaturstudie zu Messungen der Ammoniak-Depositionsgeschwindigkeit. Dessau: Umweltbundesamt, 37 p, Texte UBA 67
  13. Schrader F, Brümmer C (2014) Land use specific ammonia deposition velocities: a review of recent studies (2004-2013). Water Air Soil Pollut 225:2114, DOI:10.1007/s11270-014-2114-7
  14. Brümmer C, Marx O, Kutsch WL, Ammann C, Wolff V, Flechard CR, Freibauer A (2013) Fluxes of total reactive atmospheric nitrogen (SNr) using eddy covariance above arable land. Tellus Ser B 65:19770, http://dx.doi.org/10.3402/tellusb.v65i0.19770
    PDF Dokument (nicht barrierefrei) 3553 KB