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Regelung der Denitrifikation in Agrarböden II

Projekt

Das Kleinparzellen-Experiment, mit 2 m2 großen ungestörten Bodensäulen aus den DASIM-Flächen in Rotthalmünster und Fuhrberg wird vorbereitet. (c) Thünen-Institut/Reinhard Well
Das Kleinparzellen-Experiment, mit 2 m2 großen ungestörten Bodensäulen aus den DASIM-Flächen in Rotthalmünster und Fuhrberg wird vorbereitet. (© Thünen-Institut/Reinhard Well)

Feldmessung von N2- und N2O-Emissionen und zugehöriger Prozesse mit hoher Empfindlichkeit und in hoher Auflösung unter Verwendung weiterentwickelter Stabilisotopentechniken als Basis für die Evaluierung von Modellen- Teilprojekt 6 der Forschergruppe "Denitrification in Agricultural Soils: Integrated Control and Modelling at Various Scales“ (DFG FOR 2337)

 Bislang fehlen robuste Messdaten zu N2-Emissionen und zur Sauerstoffverarmung im Boden, um gasförmige Stickstoffverluste aus Agrarböden durch mikrobielle Prozesse verlässlich vorhersagen zu können. Unser Ziel ist es, diese Lücke anhand von Feld- und 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.

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

Struktur der Forschergruppe DASIM mit Themen (kreisförmige Grafik links unten), Einbindung der einzelnen Projekte (P1 bis P8, PC), Struktur der gemeinsamen Experimente (Pyramide) und Elemente der Modellierung (Kasten rechts).
Struktur der Forschergruppe DASIM mit Themen (kreisförmige Grafik links unten), Einbindung der einzelnen Projekte (P1 bis P8, PC), Struktur der gemeinsamen Experimente (Pyramide) und Elemente der Modellierung (Kasten rechts). (© Thünen-Institut/Reinhard Well)

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.
Das Kleinparzellen-Experiment, mit 2 m2 großen ungestörten Bodensäulen aus den DASIM-Flächen in Rotthalmünster und Fuhrberg (linke Abb.: während der Installation; rechte Abb.: nach der Installation).
Das Kleinparzellen-Experiment, mit 2 m2 großen ungestörten Bodensäulen aus den DASIM-Flächen in Rotthalmünster und Fuhrberg (linke Abb.: während der Installation; rechte Abb.: nach der Installation). (© Thünen-Institut/Reinhard Well)

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

www.dasim.de

Thünen-Ansprechpartner


Beteiligte Thünen-Partner


Beteiligte externe Thünen-Partner

  • Julius Kühn-Institut - Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen
    (Braunschweig, Deutschland)
  • Leibniz-Universität Hannover
    (Hannover, Deutschland)
  • Umweltforschungszentrum
    (Halle (Saale), Deutschland)
  • Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
    (Halle (Saale), Deutschland)
  • Leibniz Universität Hannover Institut für Bodenkunde
    (Hannover, Deutschland)
  • Georg-August-Universität Göttingen
    (Göttingen, Deutschland)
  • Justus-Liebig-Universität Gießen
    (Gießen, Deutschland)
  • TU Clausthal
    (Clausthal-Zellerfeld, Deutschland)
  • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Institut für Meteorologie und Klimaforschung
    (Garmisch-Partenkirchen, Deutschland)
  • Friedrich-Schiller-Universität Jena
    (Jena, Deutschland)
  • Norwegian University of Life Sciences
    (Ås, Norwegen)
  • Forstliche Versuchsanstalt Baden-Württemberg
    (Freiburg, Deutschland)
  • Georg-August-Universität Göttingen
    (Göttingen, Deutschland)

Geldgeber

  • Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
    (national, öffentlich)

Zeitraum

1.2020 - 12.2022

Weitere Projektdaten

Projekttyp:
Projektstatus: läuft