Eingeflossen sind Beiträge aus dem Projekt aber auch weitere Beiträge zum Thema, siehe:
https://link.springer.com/journal/374/volumes-and-issues/61-3
Motivation für das Projekt war das Fehlen robuster Messdaten zu N2-Emissionen und zur Sauerstoffverarmung im Boden, um gasförmige Stickstoffverluste aus Agrarböden durch mikrobielle Prozesse verlässlich vorhersagen zu können. Zentrales Ziel der Forschungsgruppe war es daher, diese Lücke anhand von Feld- und Laboruntersuchungen sowie durch Weiterentwicklung von Modellen zu schließen.
Die Quantifizierung der Denitrifikation im Boden ist eine entscheidende Voraussetzung, um N2O-Emissionen und den Verlust von Düngerstickstoff 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 weil Denitrifikationsprozesse räumlich und zeitlich extrem heterogen ablaufen. Mit analytischen und molekularbiologischen Methoden sowie mit Freiland-Experimenten und verschiedenen Modellansätzen haben wir die Prozesskette der Denitrifikation in Agrarböden von der Mikroskala zur Feldskala untersucht. Ziel war es, Denitrifikationsprozesse mit einer bisher beispiellosen räumlichen und zeitlichen Auflösung zu analysieren. Auf Basis der Ergebnisse wollten wir mathematische Modelle von der Mikroskala zur Feldskala entwickeln und vorhandene Simulationsmodelle verbessern.
Das Editorial des Sonderbands liefert einen Überblick der erzielten Ergebnisse und der offen gebliebenen Fragen. Voraussetzung für Fortschritte war die Kombination innovativer Methoden inklusive der Entwicklung neuer Ansätze. Aus unseren experimentellen Arbeiten zum Einfluss der Bodenstruktur, der räumlichen Verteilung und Reaktivität von Substraten, der mikrobiellen Ökologie und von Pflanzeneffekten wurden vertiefte und z.T. neue Erkenntnisse zur Regelung der Denitrifikation ermittelt und zugehörige Daten wurden für die Entwicklung und Prüfung neuer Modelle verwendet. Thünen hatte im Projektverbund eine vielfältige Rolle, beginnend mit Initiierung des Projekts und der Beteiligung an der Planung und der Koordination. Unsere weiteren Schwerpunkte beinhalteten die Isotopenanalytik, die Weiterentwicklung von Methoden zur Erfassung der Denitrifikation, deren Anwendung in Labor- und Feldexperimenten und die Beteiligung an Modellierungsaufgaben. Wichtige Ergebnisse waren wie folgt.
Um Datensätze zur N2- und N2O-Emission der Denitrifikation im Feldversuch oder unter definierten Bedingungen im Labor zu realisieren wurden klassische Stabilisotopenmethoden mit innovativen Gaswechselmesssystemen unter künstlicher Atmosphäre kombiniert. Isotopentracermethoden wurden mit der natürlichen Abundanz der Isotopensignaturen von N2O Emissionen verglichen um die Ergebnisse beider Ansätze abzusichern und zu verbessern.
Neue Erkenntnisse zur Regelung der Denitrifikation ergaben sich durch Emissionsmessungen in Kombination mit neuen Ansätzen in der Computertomographie, mit deren Hilfe die Verteilung von Wasser und organischen Residuen in der Porenraumstruktur ermittelt werden konnte. Dabei zeigte sich, dass die Intensität der Denitrifikation in erster Linie von denjenigen organischen Residuen abhing, die vom Sauerstoffaustausch mit der Atmosphäre isoliert waren. U. a. diese Messungen führten zu neuen Konzepten zur Bestimmung und Interpretation des anaeroben Bodenvolumens als Regelgröße der Denitrifikation. Die direkte Förderung der Emission von N2 und N2O durch die Aktivität von Wurzeln konnte mehrfach gezeigt werden, wobei der Beitrag der Wurzelausscheidungen und der Wurzelatmung zu diesem Effekt künftig weiter untersucht werden muss. Für die grundsätzlich seit langem bekannte Förderung der Denitrifikation durch Pflanzrückstände im Boden ergaben sich neue Forschungsfragen im Hinblick auf die Bedeutung der Herkunft und des Zersetzungszustands. Aus diesen Ergebnissen sowie der weiteren Bearbeitung der genannten Faktoren erwarten wir wichtige Ansatzpunkte für die Verbesserung von Modellen. Um das weiter zu verfolgen laufen an unserem Institut bereits die Nachfolgeprojekte MinDen und Mofane 2.
Die Modellierungsaufgaben umfassten die Prüfung vorhandener Modelle, deren Weiterentwicklung sowie die Entwicklung komplett neuer Ansätze auf der Basis der Porenskala. Thünen hat hier zunächst den Austausch mit der internationalen Modellierer-Community in Form von Workshops auf den Weg gebracht und begleitet. Weiterhin haben wir erstmals Datensätze zur N2-Emission unter definierten Laborbedingungen angewendet um drei vorhandene Modelle zu testen. Im Ergebnis lagen die berechneten N2-Emissionen um bis zu 4 Zehnerpotenzen auseinander, was somit die Dringlichkeit zur Verbesserung der N2-Modellierung in drastischer Weise bestätigte.
Insgesamt haben die Erfahrungen und Ergebnisse aus DASIM am Ende gezeigt, dass auch nach mehr als 200 Jahren der Erforschung der Denitrifikation immer noch Fortschritte gemacht werden können, um diesen Prozess im Zusammenhang mit dem Stickstoffkreislauf in terrestrischen Ökosystemen besser zu verstehen. Der interdisziplinäre Charakter von DASIM war für die Entwicklung und Kombination von Methoden, die in diesem Umfang noch nicht eingesetzt wurden, absolut unerlässlich. Es ist dieser Synergieeffekt der interdisziplinären Forschung, der für den Fortschritt bei DASIM entscheidend war. Obwohl wir uns mit einer Reihe von Schlüsselaspekten befasst haben, um unser Verständnis der Denitrifikation auf ein höheres Niveau zu bringen, ist eine Reihe von Fragen noch nicht gelöst oder angegangen worden, wie z.B. die Rolle von Unterböden, Interaktionen mit höheren Tieren, aber auch chemische Umwandlungen und in DASIM bisher nicht berücksichtigte Böden, wie z.B. die organischen Böden.
