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Quantifizierung der Denitrifikation mithilfe der Stabilen-Isotopen-Technik

Projekt

Kombinierte Anwendung der natürlichen Häufigkeit stabiler Isotope und der 15N- Markierungstechnik für die Quantifizierung der Denitrifikation in landwirtschaftlichen Böden in Feldstudien

Stickstoffverluste aus der mikrobiellen Denitrifikation, also der Umwandlung von Nitrat und Nitrit zu molekularem Stickstoff (N2), sind eine wichtige Komponente des Stickstoffkreislaufs in Böden. Sie können aber nicht direkt im Feldversuch quantifiziert werden. Können Isotopenanalysen von Lachgas, einem Zwischenprodukt der Denitrifikation, zur Ermittlung der N2-Emissionen beitragen?

Hintergrund und Zielsetzung

Die 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 resultierende Emission in die Atmosphäre stellt den dominanten Anteil der Emission dieses Klimagases aus landwirtschaftlichen Böden dar.

Die Quantifizierung der Denitrifikation in Böden ist eine wichtige Grundlage, um die Verluste von Düngerstickstoff und Lachgas-Emissionen zu mindern. Die in Feldstudien verwendeten Analysetechniken erfassen meist nur die Emission von N2O. Daraus lassen sich keine Informationen über die Gesamtdenitrifikation im Boden ableiten, weil (i) Lachgas im Boden auch durch andere mikrobielle Prozesse (Nitrifikation, Co-Denitrifikation) gebildet wird, und (ii) die Reduktion von Lachgas zu N2 nicht erfasst wird. Aufgrund des hohen atmosphärischen N2-Hintergrunds ist die N2-Freisetzung schwer messbar.

Um dieses Problem zu überwinden, kann die 15N-Gasflussmethode angewendet werden. Sie beinhaltet eine Isotopenanalyse der emittierten Gase nach Zugabe von 15N-markiertem NO3-. Diese Methode wurde in zahlreichen Labor- und wenigen Feldstudien angewendet und zeigt, dass der Beitrag der Lachgas-Reduktion zu N2 und somit das Produktverhältnis der Denitrifikation (N2O / (N2O + N2)) mit Werten zwischen 0 und 1 extrem variabel ist. Somit sind aufgrund technischer Einschränkungen bisher keine umfassenden Datensätze aus feldbasierten Messungen von N2-Emissionen aus Böden verfügbar. Es besteht daher die Notwendigkeit zur Intensivierung von in situ-Studien der Denitrifikation.

Die Isotopenzusammenstellung von N2O verändert sich, wenn ein Teil des N2O zu N2 reduziert wird. Dabei ist das Ausmaß dieser Veränderung direkt vom Produktverhältnis (N2O / (N2O + N2)) abhängig. Die Messung der Isotopensignaturen des emittierten N2O hat daher das Potenzial, das Produktverhältnis (N2O / (N2O + N2)) unter Freilandbedingungen zu beschreiben. Eine entscheidende Voraussetzung ist allerdings, dass die charakteristischen Isotopensignaturen des produzierten N2O und das Ausmaß der Isotopeneffekte (d.h. die sogenannten Fraktionierungsfaktoren) der N2O Reduktion bekannt sind. Die publizierten Wertebereiche für die Isotopenfraktionierungsfaktoren der Produktion und Reduktion von N2O sind relativ groß und eine Klärung dieser großen Schwankungen steht noch aus. Daher werden in diesem Projekt N2O-Isotopenmessungen mit der 15N-Markierungstechnik als Referenzmethode gekoppelt. Das Ziel ist es, die N2O-Isotopenmethode als robustes Verfahren zur Quantifizierung der N2O-Reduktion in Feldstudien zu entwickeln und zu prüfen.

Vorgehensweise

In Mikrokosmos-Experimenten bestimmen wir die Isotopenfraktionierungsfaktoren während der Denitrifikation und möglicher Begleitprozesse. Eine Validierung der Isotopenfraktionierungsfaktoren bei der N2O-Reduktion für Feldbedingungen erfolgt dann durch die direkte Bestimmung des Produktverhältnisses der Denitrifikation (N2O/(N2 + N2O)) aus den 15N-Tracerdaten, die parallel zu den N2O-Isotopenanalysen erhoben werden. Darüber hinaus verwenden wir ein 15N-Tracermodell, um das Ausmaß der möglichen koexistierenden N-Transformationsprozesse (Nitrifikation, Ammonifikation, Immobilisation und Ammoniumoxidation) auf die Isotopensignaturen des emittierten N2O zu ermitteln. Durch parallele Untersuchungen der natürlichen Isotopenhäufigkeit von N-Verbindungen im Boden bestimmen wir die für diese Prozesse charakteristische Isotopenfraktionierung. Darüber hinaus soll erstmals die natürliche Isotopensignatur von Nitrit im Boden bestimmt werden, um somit auch die Prozessdynamik dieser essentiellen Verbindung im N-Kreislauf besser zu erfassen.

Als Endergebnis dieses Projekts wollen wir ein Modell erstellen, das zur Quantifizierung der gesamten Denitrifikation in landwirtschaftlich genutzten Böden einsetzbar ist.

Unsere Forschungsfragen

Ist die Isotopenfraktionierung während der Denitrifikation stabil und voraussagbar? Welche Faktoren regulieren die Isotopenfraktionierungsfaktoren der Denitrifikation?

Beeinflussen neben der Denitrifikation noch andere Prozesse die Isotopensignaturen des NO3- im Boden und des emittierten N2O? Ergibt sich daraus ggf. eine Limitierung für die Anwendung der N2O Isotopenmethode in Feldstudien?

Kann man anhand von N2O-Isotopensignaturen die N2O Reduktion zu N2 quantifizieren? Welche Voraussetzungen muss man dabei berücksichtigen und wie genau kann diese Quantifizierung sein?

Vorläufige Ergebnisse

Die ersten publizierten Ergebnisse sind im Jahr 2018 zu erwarten.

Thünen-Ansprechpartner


Beteiligte Thünen-Partner


Beteiligte externe Thünen-Partner

  • University of Gothenburg
    (Gothenburg, Schweden)

Geldgeber

  • Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
    (national, öffentlich)

Zeitraum

4.2015 - 3.2018

Weitere Projektdaten

Projekttyp:
Projektfördernummer: LE 3367/1-1
Projektstatus: läuft

Publikationen

Anzahl der Datensätze: 0