Gross nitrification in soils - Contribution of nitrification to N-gas emission from soils

Abstract

This work contributes to developing a better understanding of nitrification in soils as an important source of N gas emissions from soils. Therefore, the nitrification process as well as N gas produced by nitrification are considered. The work described the common methods and new developed approach for determining the gross nitrification rate. Both measuring and quantifying nitrification in soils have been shown to achieve the objective. One focus is to differentiate the sources of N gases and to quantify the contribution of nitrification to N gas emission from soils. The separation of N gas production into source-related pathways that simultaneously operate in soils requires comprehensive experiments with complex analyses. Therefore a new analytical approach and calculates the fractions of ammonia oxidation, Norg oxidation and denitrification for total soil NO and N2O released from a soil probes at different oxygen states (2.5, 1.2 and 0 % O2) is presented and tested for a five loamy Spanish forest soils. Whereas the relation between ammonia oxidation and denitrification as sources of soil N2O gas release appear to be consistent, which is commonly accepted, the contribution of Norg oxidation was unexpectedly high (up to 76%). Also two model approaches to model the N-gas production in soils are parametrised on experimental data from laboratory studies. The findings are discussed in view of choosing the best approach to predict N2O production during nitrification. and an approach to combine response functions in modelling is presented and tested on field data. The advantage against the conventional combining approaches (multiplicative or min/max approaches) is discussed. N2O production data related to nitrification and nitrification rates were collected and multiple linear regression analysis between the soil properties and N2O product ratios were applied to this dataset to identify functional relationships. Future works to support the development of sufficient model approaches are needed, and in particular, the nitrite and oxygen concentrations in soils are the most important factors for N2O production.

Diese Arbeit möchte zu einem besseren Verständnis über den Prozess der Nitrifikation als eine wichtige Quelle der N-Gasemission aus Böden beitragen. Daher werden einleitend die verschiedenen Prozesspfade der Nitrifikation und der Spurengasbildung beschrieben und bildlich dargestellt. Verfahren zur Messung der Nitrifikation und Versuche zu Bestimmung der Umsatzraten werden in der Arbeit vorgestellt. Dabei liegt der Fokus auf der Separation der verschiedenen Quellen von NO und N2O und beschreibt die dafür notwendigen komplexen Versuche inclusive mathematischer Verfahren zu deren Analyse. Mit Hilfe dieser Tools werden die Anteile der Ammoniakoxidation (erster Schritt der autotrophen Nitrifikation), der direkten Oxidation von organischem Stickstoff und der Denitrifikation bei unterschiedlichen Sauerstoffpartialdrücken (2.5, 1.2 und 0 % O2) bestimmt und in einem weiteren Schritt die Methoden auf fünf spanische Waldstandorte angewendet. Interessanterweise sind die Anteile der direkten Oxidation von organischem Stickstoff sehr hoch und auch relativ konstant bei verschiedenen Sauerstoffpartialdrücken. Zwei verschiedene Modellansätze zu Beschreibung der N-Spurengasproduktion in Böden werden vorgestellt und an Labordaten parametrisiert. Die beiden Ansätze und ihre Implikationen für die Bildungswege der N-Spurengasproduktion werden ausgiebig diskutiert. Zusätzlich wird für die Anwendung in Ökosystemmodellen ein auf dem harmonischen Mittel beruhenden Ansatz vorgeschlagen, um verschiedene Responsefunktionen (z.B. die für die Temperatur- und die für die Bodenfeuchteabhängigkeit) miteinander zu verbinden. Im letzten Abschnitt der Arbeit werden die Daten der zuvor beschriebenen Experimente sowie in der Literatur verfügbare Daten zur Bruttonitrifikation und der nitrifikatorischen N2O-Produktion systematisch zusammengetragen, daraus das N2O-Produktion/Nitrifikation-Verhältnis (N2O product ratio) berechnet und dieses mittels multipler lineare Regression gegenüber den Bodeneigenschaften analysiert. Es deutet sich an, dass besonders der aktuelle Sauerstoffpartialdruck und die Nitritkonzentration starken Einfluss auf die N-Spurengasproduktion haben könnten, aber um kausale Zusammenhänge zu bestätigen, gibt es zu wenige insitu Messungen dieser beiden Faktoren in bisherigen Experimenten. Daher endet die Arbeit mit der Aufforderung zukünftig in N-Gasexperimenten immer auch Nitrit und Sauerstoff im Boden zu messen.