DASIM

Denitrification in Agricultural Soils: Integrated control and Modelling at various scales

Denitrifikation, der Prozess der Nitratreduktion, bei dem Mikroorganismen die Atmung unter anoxischen Bedingungen aufrechterhalten können, ist der Schlüsselprozess, der reaktiven Stickstoff in Form von N₂ in die Atmosphäre zurückführt. Die verschiedenen Reaktionsschritte (NO₃^- -->NO₂^- -->NO -->N₂O -->N₂) werden enzymatisch durch ein breites Spektrum von Prokaryonten und einigen Eukaryonten umbesetzt. Obwohl der Prozess der Denitrifikation seit mehr als 100 Jahren intensiv untersucht wird, können Denitrifikationsraten und die gasförmigen Emissionen immer noch nicht zufriedenstellend simuliert werden.

In DASIM-Phase I haben wir uns auf Untersuchungen unter Laborbedingungen konzentriert, die von sehr einfachen Systemen wie Glasperlen bis hin zu gepackten Bodensäulen mit und ohne Hot Spots reichten. Drei typische, mitteleuropäische, landwirtschaftliche Böden wurden ausgewählt, charakterisiert und zur Durchführung von Denitrifikationsstudien verwendet. Ein Schwerpunkt lag auf der Identifizierung von Prozessen, die für die N₂O- und N₂-Produktion verantwortlich sind. Diese wurden mit Hilfe von geeigneten stabiler Isotopenmethoden (¹⁵N und ¹⁸O) in Kombination mit modernen mikrobiellen, bodenphysikalischen und bodenchemischen (z.B. organische Substanz) Untersuchungen durchgeführt. Darüber hinaus wurden Untersuchungen zur kleinräumigen Bodenstruktur mittels µCT in Kombination mit hochauflösender 3D-Modellierung durchgeführt.

In DASIM Phase II werden die Untersuchungen auf realistischere Systeme wie intakte Bodenkerne und Felduntersuchungen, und insbesondere der Einfluss von Pflanzen (z.B. Exsudationsmuster) auf die Denitrifikation in der Rhizosphäre ausgeweitet. Neue Techniken zur Messung von N₂-Emissionen werden angewendet, wie z.B. ein Verfahren, bei dem N₂-Freisetzung unter reduzierter N₂-Atmosphäre quantifiziert werden, oder die Raman-Spektroskopie, bei der N₂-Emissionen direkt quantifiziert werden. Basierend auf den kleinräumigen Messungen werden Ergebnisse hochskaliert, so dass die durch die detaillierte Bodenstrukturidentifikation gewonnenen Informationen auch in Ökosystemmodelle, insbesondere LandscapeDNDC, eingebaut und getestet werden können. Ziel ist es, ein besseres Prozessverständnis der Denitrifikation und der an den N₂O- und N₂-Produktionen beteiligten Prozessen zu erhalten. Numerische Modelle werden entwickelt, die u.a. wichtige Informationen zur Ableitung geeigneter Minderungstechniken liefern.