An nur wenigen Tagen können bis zu über 70% der N2O-Gesamtjahresemission während Frost-Tau-Ereignissen aus Böden emittieren. Die Klärung der Ursachen hinter diesem Phänomen ist noch bruchstückhaft und hypothetisch.
In dieser Diplomarbeit ist ein einfaches Modell entwickelt worden, das sowohl eine vollständige Denitrifikation simulieren, aber auch auf die Einflüsse, die ein Frostereignis mit sich bringt, reagieren kann. Die Implementierung der verzögerten Aktivität der N2O-Reduktase war in diesem Modell ein neuer Ansatz.
Nach einer Literaturstudie wurden 5 Hypothesen zu den möglichen Ursachen der N2O-Emissionen während der Frost-Tau-Phase erstellt und mit Hilfe des entwickelten Modells untersucht und bewertet.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand des Wissens
2.1 N2O
2.2 Allgemeine Grundlagen des Stickstoffkreislaufes im Boden
2.3 N2O-Bildung während Frostereignisse
2.3.1 Einfluss auf die Bodenphysik
2.3.2 Einfluss auf die Bodenchemie
2.3.3 Einfluss auf die Bodenbiologie
2.4 Denitrifikation
2.4.1 Biologische Denitrifikation
2.4.1.1 Bakterielle Enzyme der Denitrifikation
2.4.1.2 Pilzliche Denitrifikation und Codenitrifikation
2.4.2 Chemodenitrifikation
2.4.3 Regulation der Denitrifikation
2.5 Denitrifikationsmodelle – kurzer Überblick
3 Materialien und Methoden
3.1 Materialien
3.1.1 Daten aus Literatur
3.1.2 ModelMaker©
3.2 Methoden
3.2.1 Integrationsverfahren
3.2.2 Enzymkinetik
3.2.3 15N-Tracer-Technik
4 Modellentwicklung
4.1 Modellbeschreibung
4.2 Graphische Darstellung des Modells
5 Sensitivitätsanalyse
5.1 Temperatur
5.2 Kohlenstoffversorgung
5.3 Sauerstoffgehalt
5.4 Wassergehalt
5.5 Nitratgehalte
6 Modellvalidierung
7 Diskussion
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, ein mechanistisches Modell zu entwickeln, das die Prozesse des mikrobiellen Stickstoffumsatzes in Böden während und nach Frost-Tau-Phasen simuliert, um ein besseres Verständnis dieser N2O-Emissionsquellen zu erlangen und bestehende Stickstoffumsatzmodelle weiterzuentwickeln.
- Mechanistische Modellierung der Denitrifikation in Böden
- Analyse der N2O-Emissionen während Frost-Tau-Zyklen
- Implementierung enzymatischer Hemmungen und temperaturabhängiger mikrobieller Aktivität
- Validierung der Modellansätze anhand experimenteller Literaturdaten
Auszug aus dem Buch
2.3.1 Einfluss auf die Bodenphysik
Aufgrund seiner hohen volumetrischen Wärmekapazität hat Wasser für die thermischen Eigenschaften der Böden eine besondere Bedeutung (Bachmann (a), 2006). Niedrige Temperaturen im Boden verursachen Bewegungsvorgänge wie die Kontraktion der Bodenmatrix infolge des Temperaturrückgangs (negative Wärmeausdehnung), die Eissprengung durch Volumenzunahme des gefrierenden Bodenwassers oder die Eislinsenbildung (Eiskristalle) (Scheffer, Schachtschabel, 2002).
Auf landwirtschaftlich genutzten Böden wurde über den Winter eine Verringerung der Lagerungsdichte und des Eindringungswiderstandes verursacht durch gefrierendes und wieder auftauendes Wasser beobachtet. Dieser Vorgang wird für die Veränderung der Bodenstruktur während Frost-Tau-Ereignissen verantwortlich gemacht (Henry, 2007).
Wenn ein Teil des Porenwassers gefriert, wirkt das zum einen hydraulisch ähnlich wie der Entzug der gleichen Menge Wasser und zum anderen konzentrieren sich die gelösten Stoffe im Restwasser auf. Beides führt zur Erniedrigung des Matrixpotentials. So ist es möglich, dass es zum kapillaren Aufstieg von flüssigem Wasser aus dem Unterboden kommt (Abb. 2.2 und 2.3). Bei Temperaturen unterhalb von 0°C liegt Bodenwasser in flüssigem Zustand als dünner Wasserfilm auf Bodenpartikeln und Eiskristalloberflächen vor. Der Anteil an nicht gefrorenem Wasser kann sehr klein werden, geht aber bei uns üblichen Temperaturen nicht auf Null (Bachmann (b), 2006).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die zentrale Rolle von Böden im Stickstoffkreislauf und die globale Bedeutung von N2O-Emissionen, insbesondere während Frost-Tau-Ereignissen.
2 Stand des Wissens: Bietet einen Überblick über N2O als Treibhausgas, die Grundlagen des Stickstoffkreislaufs, die physikalischen, chemischen und biologischen Einflüsse von Frost auf den Boden sowie die Denitrifikationsprozesse.
3 Materialien und Methoden: Stellt die verwendeten Literaturdatensätze für die Modellentwicklung und -validierung sowie die mathematischen Ansätze zur Modellierung (Integrationsverfahren, Enzymkinetik, Tracer-Technik) vor.
4 Modellentwicklung: Beschreibt die Zielsetzung und Struktur des entwickelten Modells, einschließlich der mathematischen Implementierung der einzelnen Stickstoffumsetzungsprozesse.
5 Sensitivitätsanalyse: Untersucht das Verhalten des Modells bei Veränderung zentraler Umweltparameter wie Temperatur, Kohlenstoffverfügbarkeit, Sauerstoff- und Wassergehalt sowie Nitratkonzentrationen.
6 Modellvalidierung: Präsentiert den Abgleich des Modelllaufs mit einem unabhängigen Datensatz, der 15N-Messungen und ein Frostereignis umfasst.
7 Diskussion: Reflektiert die Datenlage, die Güte des Modells, die Hypothesendiskussion sowie die allgemeinen Probleme und Perspektiven der Modellierung von Frost-Tau-Prozessen.
Schlüsselwörter
N2O-Emission, Denitrifikation, Frost-Tau-Ereignisse, Bodenmodellierung, Stickstoffkreislauf, Nitrifikation, Michaelis-Menten-Kinetik, 15N-Tracer-Technik, Bodenphysik, Bodenchemie, Bodenbiologie, N2O-Reduktase, Treibhausgas, Bodenwasser, Sensitivitätsanalyse
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines mechanistischen Modells, das die Stickstoffumsatzprozesse in landwirtschaftlich genutzten Böden simuliert, mit besonderem Fokus auf die erhöhten Lachgas-Emissionen (N2O) während und nach Frost-Tau-Phasen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Zentrale Themen sind die physikalischen und biochemischen Veränderungen im Boden bei Frost, die enzymatische Regulation der Denitrifikation und die mathematische Modellierung von Stoffflüssen unter Verwendung von Kinetik-Gleichungen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Erstellung eines Modells, das in der Lage ist, die komplexen Prozesse, die zu hohen N2O-Emissionen nach dem Auftauen des Bodens führen, besser abzubilden und somit das Verständnis über diese klimarelevanten Prozesse zu vertiefen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Autorin verwendet eine prozessorientierte mathematische Modellierung mit der Software ModelMaker©. Dabei werden Differentialgleichungssysteme basierend auf Michaelis-Menten-Kinetik zur Simulation der Stoffumwandlungsraten genutzt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte Beschreibung der Modellkompartimente (H2O, Sauerstoff, verschiedene Stickstoffpools), die mathematische Definition der Stoffflüsse sowie die Sensitivitätsanalyse und Validierung anhand realer Messdaten aus der Literatur.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind Denitrifikation, Frost-Tau-Zyklen, N2O-Emission, mechanistische Modellierung, Stickstoffkreislauf und Enzymkinetik.
Wie berücksichtigt das Modell die verzögerte N2O-Reduktion?
Das Modell implementiert eine zweite, niedrigere mikrobielle Aktivität spezifisch für das Enzym N2O-Reduktase, um abzubilden, dass dieses Enzym bei einsetzenden denitrifikatorischen Bedingungen langsamer gebildet wird als die übrigen Enzyme der Denitrifikation.
Warum wird die N2O-Reduktion im Modell durch Sauerstoff und Nitrat gehemmt?
Das Modell integriert eine nicht-kompetitive Hemmung der Enzyme durch Sauerstoff und Nitrat, da diese Stoffe nach der Fachliteratur die Aktivität der N2O-Reduktase maßgeblich beeinflussen und somit das Verhältnis von N2O zu N2 steuern.
Welche Rolle spielt der 15N-Tracer im Modell?
Die 15N-Tracer-Technik ermöglicht es, parallele Stoffflüsse für 14N und 15N zu simulieren, wodurch das Modell besser an experimentelle Daten angepasst und die Herkunft sowie der Weg des Stickstoffs im Boden genauer nachverfolgt werden kann.
- Quote paper
- Eva Höhne (Author), 2008, Entwicklung eines mechanistischen Modells zur Simulation der frostbedingten N2O Emission aus Böden, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/166852
