Ein Vergleich zwischen Barometrischer Prozessseparation (BaPS) und 15N-Verdünnungsmethode zur Bestimmung der Bruttonitrifikationsrate im Boden

Abstract

Besides the carbon cycle, the nitrogen cycle plays a central role in soil. A key process of this cycle is nitrification. In practice, nitrification is measured as gross or net nitrification. Net nitrification rates are measured by determining the net change in the nitrate or ammonium pool over a period of time. Net rates are difficult to interpret, because the net nitrification rate is the sum of nitrate producing and consuming processes. In contrast, gross nitrification quantifies the total production of nitrate via nitrification. There are two methods for measuring gross nitrification: the 15N-Pool dilution technique and Barometric Process Separation (BaPS). In the 15N-Pool dilution technique, nitrate en-riched with the heavier isotope 15N is added to soil, and the dilution of the 15N pool and the change in the nitrate pool are measured over time. The BaPS method measures changes in pressure and the oxygen- and carbon dioxide concentration of the atmosphere in a closed chamber. The gross nitrification rate can then be computed by a step-by-step solution of the gas balance equations. In the present study, 15N enriched nitrate was added to soil and then put into the BaPS-incubation chamber. By this procedure gross nitrification rates were measured simultaneously with both the 15N-Pool dilution technique and the BaPS method. The aim of the present study was to find out under which conditions the two methods yield similar results and under which conditions different results. In the latter case, the thesis aimed at elucidating the cause for the disagreement between both methods. For this purpose extensive research on two agricultural soils from North China and three soils from Southwest Germany was undertaken. The two methods were compared under the following conditions: 1) application of ammonium fertilizer, 2) addition of nitrification inhibitors, 3) varying soil wa-ter contents, and 4) different soil temperatures. Moreover, a new methodological approach was tested: the 13CO2-Pool dilution technique. Combining this method with the 15N-Pool dilu-tion technique and the Barometric Process Separation made it possible to exactly determine the pH and respiration coefficient in situ. Both techniques corresponded well in soil with pH<6. In soil with higher pH, both methods led to very different results. The reason is that pH has a strong impact on the calculation of the nitrification rate in the BaPS method. In nearly all experiments with neutral to alkaline soils, the BaPS technique yielded higher nitrification rates than the 15N-Pool dilution technique if pH was determined in 0.01 M CaCl2. With pH determined in water, there was good agreement or nitrification rates were too low. Fertilization with ammonium did not in-duce an increase of nitrification in a sandy soil with pH<6. A decrease in nitrification to less than 60% was achieved by the application of the nitrification inhibitor DCD. For both techniques a positive correlation between temperature and nitrification rates was found. There was no correlation between water filled pore space and nitrification rate.

Der Stickstoffkreislauf besitzt neben dem Kohlenstoffkreislauf eine zentrale Rolle im Bo-den. Die Nitrifikation ist ein Prozess in diesem Zyklus. Dabei wird zwischen Netto- und Bruttonitrifikation unterschieden. Bei den Nettonitrifikationsraten wird die Änderung des Nitrat- oder und Ammoniumpools über eine festgelegte Messdauer bestimmt. Bei der Bruttonitrifikation hingegen wird, der Gesamtfluss der Nitrifikation ohne irritierenden Einfluss von verbrauchenden Prozessen gemessen. Zur Bestimmung der Bruttonitrifikationsraten in Böden gibt es zwei Methoden: die 15N-Verdünnungsmethode und die Barometrische Prozessseparationstechnik. Bei der Standardmethode der 15N-Verdünnungsmethode wird isotopenschwerers Nitrat eingebracht und es wird die Verdünnung des Isotops im Nitrat-Pool über die Zeit gemessen. Bei der Barometrischen Prozessseparationstechnik wird in einem geschlossenen System, die Veränderung der gesamten Gasmoleküle, Sauerstoff- und Kohlenstoffdioxidkonzentration gemessen. Durch sukzessives Auflösen erhält man die Bruttonitrifikationsrate. Bei der vorliegenden Arbeit wurde isotopenschwerers Nitrat im Boden eingebracht und dieser in die BaPS-Inkubationskammer getan. Es wurde somit eine simultane Bestimmung der Nitrifikationsraten mit der 15N-Verdünnungsmethode und der Barometrischen Prozessseparationstechnik durchgeführt. Das Ziel war es zu untersuchen, unter welchen Bedingungen die beiden Techniken zu vergleichbaren Ergebnissen gelangen und Unterschiede der Ergebnisse zu erklären. Hierfür wurden umfangreiche Untersuchungen an einem Ackerboden aus China und drei Ackerstandorten in Deutschland gemacht. Es wurde der Einfluss einer Ammoniumdüngung auf die Nitrifikationsraten und die beiden Techniken untersucht. Nitrifikationsinhibitoren wurden verwendet und es wurden deren Auswirkungen auf die Raten überprüft. Eine Untersuchung der Temperatur- und Wassergehaltsänderung und deren Auswirkungen auf die Nitrifikationsraten wurden vorgenommen. Es wurde die 13CO2-Verdünnungsmethode entwickelt. Mit dieser Technik wurden die CO2-Flüsse im Boden bestimmt. Durch eine Kombination der BaPS-Technik, der 15N-Verdünnungsmethode und der 13CO2-Verdünnungsmethode kann der pH und RQ im Boden exakt bestimmt werden. Für die beiden Techniken wurde eine gute Übereinstimmung bei einem Boden mit einem pH unter 6 erreicht. Bei den Standorten mit höheren pH-Werten zeigte sich der starke Einfluss des pH-Wertes auf die Berechnung der Nitrifikationsraten mit der BaPS-Technik. Hier wurden bei einem pH-Wert im Boden, gemessen in CaCl2, vorwiegend höhere Ergebnisse als mit der 15N-Verdünnungsmethode berechnet. Bei einem pH(H2O) im Boden wurde eine gute Übereinstimmung oder aber zu geringe Raten im Vergleich zur 15N-Verdünnungsmethode gefunden. Die Düngung mit Ammonium führte an einem sandigen Standort mit einem pH unter 6 zu keiner Steigerung der Nitrifikationsraten. Durch die Applikation des Nitrifikationshemmstoffs DCD wurde eine Inhibierung der Nitrifikation von weniger als 60% erreicht. Eine positive Korrelation der Temperatur auf die Nitrifikationsraten bei den beiden Techniken wurde gefunden. Bei steigenden gefüllten Porenwasserräumen konnte kein Einfluss auf die Nitrifikation festgestellt werden. Die 13CO2-Verdünnungsmethode wurde erst zum Ende der Arbeit entwickelt. Umfangrei-che Untersuchungen blieben aus. Jedoch zeigte sich, dass die BaPS-Technik und die 13CO2-Verdünnungsmethode CO2-Flüsse in derselben Größenordnung quantifizierten. Es wurde ein Fehler in der BaPS-Berechnung gefunden und korrigiert. Durch diesen wurden bei den bisherigen Veröffentlichungen die Nitrifikationsraten um bis zu 16% unterschätzt.