N2O-Isotopenfraktionierungsmethode zur Bestimmung von N2-Emissionen aus Böden - Entwicklung und Validierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Laufe des Projekts wurden zahlreiche Laborversuche in verschiedenen Böden und unter variierten Bedingungen durchgeführt, um zu bewerten, ob es möglich ist, die N2O-Reduktion und damit die N2-Produktion anhand der Isotopensignaturen im bodenbürtigen N2O (sog. Isotopenfraktionierungsmethode) zu bestimmen. Dabei wurden die Fraktionierungsfaktoren von dem NO3-N2O und N2O-N2- Schritt detailliert untersucht. Es wurde festgestellt, dass viele von diesen Fraktionierungsfaktoren eine sehr breite Spanne zeigen, in Abhängigkeit von Bodentyp und experimentellen Ansatz, was die Ergebnisse der Isotopenfraktionierungsmethode in der Präzision einschränkt. Das betrifft besonders die δ15N und δ18O Werte. Jedoch für die positionsspezifische 15N-Signatur (SP = Differenz zwischen δ15N der zentralen (α) und peripheren (β) N-Position im linearen N2O-Molekül) wurde die Isotopenfraktionierungsmethode erfolgreich validiert. SP-Signaturen zeigten sehr stabile und robuste Fraktionierungsfaktoren bei dem N2O-N2 Schritt und die SP-Anfangswerte von dem NO3-N2O-Schritt lassen sich gut mit geeigneten Experimenten bestimmen. So ist die SP- Isotopenfraktionierungsmethode gut anwendbar mit einer Präzision von ca. 9% bei der Bestimmung des Produktverhältnis (N2O/(N2O+N2) der Denitrifikation. Die Zuverlässigkeit dieser Methode würde aber verbessert, wenn noch eine weitere Isotopensignatur dazu verwendet werden könnte. Deswegen waren unsere Untersuchungen stark auf O-Isotopensignaturen von N2O konzentriert, denn unsere Hypothese war, dass ein sehr hoher Austausch mit Bodenwasser stattfindet und dass dadurch sehr stabile und gut voraussagbare δ18O-Anfangswerte des NO3-N2O-Schritts zu erwarten sind. Das hat sich aber nur für die rein bakterielle Denitrifikation bestätigt. In einigen Inkubationen war hingegen der Isotopenaustausch mit dem Bodenwasser unvollständig und die δ18O-Anfangswerte waren höher als erwartet. Vermutlich stammen diese Abweichungen aus einem Beitrag denitrifizierender Pilze zur N2O-Emission oder eventuell auch aus noch anderen N-Transformationen im Boden. Diese große Variationen der δ18O-Anfangswerte erschwert zwar die Anwendung der O-Isotopenfraktionierungsmethode, eröffnet aber gleichzeitig die Möglichkeit, die δ18O-Signaturen zur verbesserten Differenzierung zwischen den N2O-bildenden Prozessen anzuwenden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2013. An enchanced technique for automated determination of 15N signatures of N2, (N2+N2O) and N2O in gas samples. Rapid Communication in Mass Spectrometry 27: 1548-1558
Lewicka-Szczebak, D., Well, R., Giesemann, A., Rohe, L., Wolf, U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/rcm.6605) - 2014. Experimental determinations of isotopic fractionation factors associated with N2O production and reduction during denitrification in soils. Geochimica at Cosmochimica Acta 134: 55-73
Lewicka-Szczebak, D., Well, R., Köster, J.R., Fuß, R., Senbayram, M., Dittert, K., Flessa, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.gca.2014.03.010) - 2015, Isotope fractionation factors controlling isotopologue signatures of soil-emitted N2O produced by denitrification processes of various rates. Rapid Communication in Mass Spectrometry 29: 269–282
Lewicka-Szczebak, D., Well, R., Cardenas, L., Matthews, P., Misselbrook, T., Bol, R., Whalley, R., Gregory, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/rcm.7102) - 2015. Comparison of methods to determine triple oxygen isotope composition of N2O, Rapid Communication in Mass Spectrometry, 29: 1-6
Dyckmans, J., Lewicka-Szczebak, D., Szwec, L., Langel, R., Well, R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/rcm.7311) - The mechanism of oxygen isotope fractionation during N2O production by denitrification. Biogeosciences, 12 (20). pp. 17009-17049, 2015
Lewicka-Szczebak, D., Dyckmans, J., Kaiser J., Marca, A., Augustin, J., Well, R.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.5194/bgd-12-17009-2015) - Quantifying N2O reduction to N2 based on N2O isotopocules – validation with independent methods (helium incubation and 15N gas flux method). Biogeosciences, 14, 711-732, 2017
Lewicka-Szczebak, D., Augustin, J., Giesemann, A., Well, R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.5194/bg-14-711-2017)
