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.

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.

Die DFG-Forschergruppe „Denitrification in Agricultural Soils: Integrated Control and Modelling at Various Scales” (DASIM)  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, Denitrifikationsprozesse mit einer bisher beispiellosen räumlichen und zeitlichen Auflösung zu analysieren. Auf Basis  der Ergebnisse wollen wir mathematische Modelle von der Mikroskala zur Feldskala entwickeln und vorhandene Simulationsmodelle verbessern.

Zielgruppe

Wissenschaft

Vorgehensweise

DASIM ist ein Verbundprojekt, das sich in acht verschiedene Teile gliedert. Im Thünen-Institut für Agrarklimaschutz bearbeiten wir die Fragestellungen zum Teilprojekt 6. Unsere Aufgaben sind:

• Bestimmen des repräsentativen Elementarvolumens für N₂- und N₂O-Emissionen aus Ackerböden.
• Bestimmen des anaeroben Volumenanteils in den untersuchten Böden unter variablen Bedingungen. Der anaerobe Volumenanteil im Boden, eine wesentliche Steuergröße der Denitrifikation, wurde wegen der begrenzten Messbarkeit seiner Regelfaktoren bisher kaum quantifiziert. Heute stehen jedoch besser geeignete Methoden zur Verfügung.
• Weiterentwicklung der verbesserten ¹⁵N-Gasfreisetzungsmethode (¹⁵NGF+), um ihre Genauigkeit weiter zu erhöhen und die Bestimmung der räumlichen Denitrifikationsdynamik zu ermöglichen.
• Etablierung eines Feldmesssystems für die Anwendung der ¹⁵NGF+.
• Kalibrierung der N₂O-Isotopenfraktionierungsmethode durch kontrollierte Laborverhältnisse unter N₂-freier Atmosphäre.
• Quantifizierung von N₂- und N₂O-Emissionen, der beteiligten Prozesse und Regelfaktoren in Ackerböden, um die Denitrifikation im Freiland zu bestimmen und als Grundlage für die Verbesserung ausgewählter biogeochemischer Modelle.
• Verwendung der neuen Messdatensätze, um ausgewählte biogeochemische Modelle zu prüfen und ggf. zu verbessern.

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) bei Denitrifikationsprozessen?
• 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 auf der Feldskala beeinflusst?
• Welche Größe hat das repräsentative Elementarvolumen 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?

Links und Downloads

http://www.dasim.de/