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Mit neuen Methoden zur genaueren Messung von Stickstoffflüssen

Projekt

Vollautomatisiertes Bodeninkubationssystem in Braunschweig etabliert durch  Dr. Senbayram zur direkten Messung von  N2, N2O und NO (a) (c) Thünen-Institut/AK
Vollautomatisiertes Bodeninkubationssystem in Braunschweig etabliert durch Dr. Senbayram zur direkten Messung von N2, N2O und NO (a) (© Thünen-Institut/AK)
Nassreis-Versuchsfläche des CAS (links Prof. Yan, rechts Dr. Well)
Nassreis-Versuchsfläche des CAS (links Prof. Yan, rechts Dr. Well) (© Thünen-Institut/AK)

Raten und Mechanismen von Stickstoffverlusten und Lachgasemissionen in hochgradig  mit Stickstoff belasteten Regionen in China (FluxCHINA)

Die Deltaregion des Yangtze in China gehört zu den Regionen, die weltweit am stärksten mit Stickstoff belastet sind. Über den Verbleib des reaktiven Stickstoffs weiß man bislang jedoch zu wenig, um effektive Lösungsstrategien zu entwickeln. In diesem Projekt bearbeiten wir dieses Defizit, indem wir neue Untersuchungsmethoden für die Emissionen von N2 und anderen N-Gasen entwickeln.

Hintergrund und Zielsetzung

Die starke Nutzung von Stickstoff (N) als Dünger für landwirtschaftliche Böden zieht eine Kaskade von negativen Umwelteffekten nach sich, u.a. die Emission von Lachgas (N2O) aus biologischen Prozessen im Boden. Darüber hinaus besteht große Unsicherheit, was mit dem gedüngten Stickstoff passiert. Vermutlich geht ein großer Teil als molekularer Stickstoff (N2) über den mikrobiellen Prozess der Denitrifikation verloren. Die genaue Größenordnung dieses Verlusts ist aber wegen unzureichender Messmethodik nicht bekannt. Die gegenwärtigen Methoden zur Quantifizierung von N2-Emissionen müssen verbessert werden, um den N-Kreislauf in verschiedenen Agrarökosystemen aufzuschlüsseln. Auf dieser Grundlage lässt sich dann das N-Management verbessern. Die Deltaregion des Yangtze ist eine der am dichtesten besiedelten Gegenden Chinas und gehört zu den am stärksten mit Stickstoff belasteten Regionen weltweit. Die Arbeitsgruppe von Prof. Xiaoyuan Yan am Institute of Soil Science der CAS hat die N-Emissionen in der Deltaregion des Yangtze detailliert untersucht. Durch Bilanzrechnungen wurde festgestellt, dass mehr als die Hälfte des N-Eintrags aus den terrestrischen Agrarökosystemen verloren geht, vermutlich als N2-Emission oder anaerobe Oxidation von Ammonium. Die Ergebnisse solcher indirekter Berechnungen sind jedoch recht ungenau da die Ermittlung der Bilanzgrößen mit großen Unsicherheiten behaftet ist. Hauptziel dieses Projekts ist deshalb, die Messmethoden zu verbessern, um die gasförmigen Verluste (N2, N2O, NO) genauer abschätzen zu können. Im vorliegenden Projekt untersuchen wir Böden aus drei landwirtschaftlichen Kulturen (Nassreis, Obst und Gemüse) unter Verwendung neuer, robuster Methoden. Ziel ist i) die präzise Quantifizierung von N2 und N2O-Emissionen in Abhängigkeit vom Nutzungssystem, ii) die Identifizierung der verursachenden Prozesse und iii) die Aufklärung ihrer Wirkfaktoren.

Vorgehensweise

Unsere Arbeitsgruppe am Thünen-Institut erforscht den N-Kreislauf in Agrarökosystemen und die daran beteiligten Prozesse, insbesondere im Boden und unter Verwendung von Stabilisotopenmethoden. Ein Schwerpunkt ist es, Methoden zur Quantifizierung der Denitrifikation auf Labor- und Feldskala zu entwickeln und zu verbessern. U.a. haben wir haben die N2O-Isotopomermethode zur Bestimmung von Prozessen der N2O-Bildung weiterentwickelt, um damit zusätzlich auch die N2O-Reduktion zu erfassen. In diesem Projekt werden wir a) ein vollautomatisiertes Durchfluss-Inkubationssystem zur direkten Bestimmung der N2-Emission und anderer Spurengasemissionen entwickeln, b) Laborversuche durchführen, um die N2O-Isotopomermethode zu kalibrieren und zu validieren, c) die N2O-Isotopomermethode anwenden, um das N2O/(N2+N2O)-Produktverhältnis der Denitrifikation zu ermitteln und d) in Kooperation mit  der Chinese Academy of Sciences (CAS) die zeitlich-räumliche Variabilität von Denitrifikation, N2O-Emission und des N2O/(N2+N2O)-Produktverhältnis sowie deren Regelfaktoren unter Feldbedingungen zu erfassen. Dazu wird ein vollautomatisiertes Bodeninkubationssystem sowohl am Thünen-Institut als auch an der CAS etabliert, um damit parallele Versuchsansätze für die direkte Messung von N2-Emissionen sowie für die Kalibrierung der N2O-Isotopomermethode zu realisieren.

Unsere Forschungsfragen

Unsere Ziele im Teilprojekt sind:

  • Direkte Bestimmung von N2-, N2O- und NO-Emissionen an den Böden der Projektstandorte.
  • Kalibrierung und Validierung der N2O-Isotopomermethode für die Versuchsflächen
  • Zuordnung der N2O-Emissionen zu den Prozessen der Nitrifikation, der bakteriellen Denitrifikation und der pilzlichen Denitrifikation
  • Quantifizierung von N2-Emissionen und des Produktverhältnis der Denitrifikation im Feld, in Phasen die hohe Emissionen erwarten lassen
  • Bestimmung der Regelfaktoren der oben genannten Prozesse.
  • Bestimmung der potenziellen Denitrifikationsrate (maximale Rate der N2+N2O-Bildung unter vollständig anoxischen Bedingungen und ohne Limitierung der Nitratverfügbarkeit) an kontrastierenden Böden aus der Yangtse-Deltaregion.
  • Ermittlung von Daten zur Stöchiometrie der Denitrifikationsprodukte zur Verbesserung unseres Prozessverständnisses und für die Modellierung der N2O-Reduktion in Abhängigkeit von Umweltbedingungen.

Thünen-Ansprechpartner


Beteiligte Thünen-Partner


Geldgeber

  • Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
    (national, öffentlich)

Zeitraum

2.2017 - 1.2020

Weitere Projektdaten

Projekttyp:
Projektfördernummer: WE 1904-12/1
Projektstatus: läuft