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

• Antragstellerin: Dr. Dominika Lewicka-Szczebak, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 266533143

Die Quantifizierung der Denitrifikation in Ackerböden ist entscheidend für die Vorhersage des mikrobiellen Verbrauchs von Stickstoffdünger und den damit verbundenen Emissionen von Lachgas (N2O), aber immer noch anspruchsvoll wegen Schwierigkeiten bei der direkten Messung von Stickstoff (N2) Emissionen, und wegen der möglichen Koexistenz von zahlreichen mikrobiellen N-Transformationen. Die Isotopomer Analysen des emittierten N2O (d15N, d18O und SP = Positionspräferenz des 15N im linearen N2O Molekül) können helfen, Produktionswege zu unterscheiden und N2O-Reduktion zu N2 zu quantifizieren. Allerdings ist das oft mehrdeutig, weil: (i) die Grundkenntnisse über Isotopenfraktionierungsfaktoren überwiegend aus Labor-Experimenten stammen und (ii) systematische Untersuchungen zum Transfer von Labormethoden auf die Feldskala noch fehlen.Dieser Antrag zielt darauf ab, Labor- und Feldstudien zu kombinieren, um Informationen über die Übertragbarkeit der im Labor entwickelten Methoden auf die Feldskala zu gewinnen. Das allgemeine Ziel ist, ein Verfahren zur in situ Quantifizierung der gesamten Denitrifikation in landwirtschaftlichen Böden zu entwickeln. Die endgültig entwickelte Methode soll ausschließlich auf der natürlichen Häufigkeit stabiler Isotope basieren, d.h., auf der Kombination von N2O-Isotopomer Analysen und Isotopenanalysen von N-Verbindungen im Boden. Um die unter Feldbedingungen gültigen Isotopenfraktionierungsfaktoren während der Denitrifikation und möglicher Begleitprozesse präzise zu bestimmen, werden detaillierte Mikrokosmenexperimente unter kontrollierten Bedingungen und unter Verwendung der 15N-Tracertechnik als Referenzmethode vorgeschlagen. 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-Isotopomeranalysen erhoben werden. Darüber hinaus wird ein 15N-Tracermodell verwendet um das Ausmaß der möglichen koexistierenden N-Transformationsprozesse (Nitrifikation, Ammonifikation, Immobilisation und Ammoniumoxidation) und dessen Einfluss auf die Isotopensignaturen des emittierten N2O zu ermitteln. Durch parallele Untersuchungen der natürlichen Isotopenhäufigkeit von N-Verbindungen im Boden wird die für diese Prozesse charakteristische Isotopenfraktionierung bestimmt. Zusätzlich soll erstmals die natürliche Isotopensignatur von Nitrit im Boden bestimmt werden um somit auch die Prozessdynamik dieser essentielle Verbindung in N-Kreislauf besser zu erfassen.Als Endergebnis dieses Projekts wird ein komplexes Modell erstellt, das schließlich als Methode für die Quantifizierung der gesamten Denitrifikation in landwirtschaftlich genutzten Böden in Feldbedingungen einsetzbar sein soll. Perspektivisch könnte dieses Modell mit einer prozessorientierter Modellierung von N2O-Emissionen kombiniert werden um der N2O-Reduktion besser schätzen zu helfen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Anette Giesemann; Privatdozent Dr. Reinhard Well