Dynamics and underlying processes of N2O and NO soil-atmosphere exchange under extreme meteorological boundary conditions

Dynamiken und zugrunde liegende Prozesse des N2O- und NO-Austauschs zwischen Boden und Atmosphäre bei extremen meteorologischen Randbedingungen

Climate models predict an increasing frequency and intensity of summer drought periods with subsequent heavy rainfall or soil frost and thaw events in mountain regions of Central Europe. These indirect effects of global warming may considerably influence soil microbial processes and in consequence emissions of climate-relevant trace gases. Regarding the nitrogen cycle, N2O and NO emissions are of concern, since they are involved in climate warming and soils represent a main source for these two Climate models predict an increasing frequency and intensity of summer drought periods with subsequent heavy rainfall or soil frost and thaw events in mountain regions of Central Europe. These indirect effects of global warming may considerably influence soil microbial processes and in consequence emissions of climate-relevant trace gases. Regarding the nitrogen cycle, N2O and NO emissions are of concern, since they are involved in climate warming and soils represent a main source for these two gases. In spite of a growing number of studies on this subject, knowledge on effects of climate change on soil N2O and NO emissions is still scarce. This is mainly due to a hitherto poor mechanistic understanding of underlying processes within soil. In this thesis, the impact of extreme meteorological boundary conditions on N2O and NO fluxes in a Norway spruce forest and an acidic fen in the Fichtelgebirge area was investigated. The summer drought period and precipitation were experimentally increased in the forest and the fen over a 2-year span. Soil frost was induced in the forest by removal of the natural snow cover. The experiments were run in three replicates each and non-manipulated plots served as controls. Throughout the experiments, N2O and NO fluxes were recorded in weekly to monthly intervals. In addition, N2O concentrations and isotope signatures in soil air were measured along soil profiles to identify and localise the underlying biogenic production and consumption processes. Prolonged drought continuously reduced the N2O emission from the forest soil and even turned the soil temporarily into a sink for atmospheric N2O. Soil freezing and thawing caused a burst of N2O release contributing 84 % of the annual emission. Soil air N2O concentration and stable isotope profiles provide a new mechanistic explanation tool for all of these findings. N2O concentration in the soil air decreased in most cases exponentially from the subsoil to the soil surface. This observation identifies microbial activity in the subsoil (at >= 70 cm soil depth) as an additional source for N2O and diffusion to the soil surface along a concentration gradient. Furthermore, isotope abundance analysis identified simultaneous microbial N2O consumption (reduction to N2). Drought reduced the source strength of the organic layers for N2O while simultaneously the sink function of the mineral soil for N2O remained active. This resulted in a net N2O sink function of the forest soil under severe drought. Frost in the topsoil was the only exception for these trends in N2O concentration and isotope signature along soil profiles. Under conditions of soil frost the topsoil served no longer as a sink for N2O, thus leading to the observed burst in N2O emission. NO emissions from the forest soil exceeded the N2O emissions by up to two orders of magnitude. Prolonged drought in- or decreased NO emissions depending on the soil moisture content of the organic layers. Wetting after long-lasting drought periods – which turned out to be of less importance regarding N2O fluxes – strongly increased biogenic NO emissions and contributed 44 % to the annual loss. In contrast to the forest soil, NO fluxes from the fen were always one to two orders of magnitude lower than the N2O fluxes. These results support earlier findings that this highly reactive gas is either only marginally produced in the fen soil or undergoes chemical conversion before escaping from the soil surface. Nevertheless, water table reduction resulted in significantly increased net NO emission. Regarding N2O, this thesis suggests that summer drought periods may drastically increase emissions from minerotrophic fens depending on the reduction of water table height. Furthermore, heavy rainfall following drought periods caused short lived, but strong N2O peaks having significant impact on the annual N2O loss, that have not been reported so far. N-15 and O-18 isotope data provide evidence that these N2O peaks are due to newly produced N2O in the upper soil. This thesis documents the huge impact of extreme weather events on soil N2O and NO emissions and provides so far scarcely considered mechanistic explanations for these observations. A major outcome of this work is the finding of a hitherto unconsidered sink function of forest soils for atmospheric N2O, when soil net N2O production is compensated for by net consumption during long-lasting droughts. This work underlines the importance of investigating the fate of N2O within soil profiles next to flux measurements to improve the current knowledge on the complex interactions between meteorological boundary conditions and soil biogenic processes and thus help further upgrading global N2O balances.show moreshow less
Klimamodelle prognostizieren eine zunehmende Häufigkeit und Intensität von Sommertrockenheit und Starkregenereignissen sowie von Bodenfrost und Auftauereignissen für Bergregionen Mitteleuropas. Diese indirekten Effekte der globalen Erwärmung werden mikrobielle Prozesse im Boden und somit Emissionen klimarelevanter Spurengase beträchtlich beeinflussen. Bezüglich des Stickstoffkreislaufes sind besonders N2O- und NO-Emissionen von Bedeutung, da beide Spurengase an der Klimaerwärmung beteiligt sind Klimamodelle prognostizieren eine zunehmende Häufigkeit und Intensität von Sommertrockenheit und Starkregenereignissen sowie von Bodenfrost und Auftauereignissen für Bergregionen Mitteleuropas. Diese indirekten Effekte der globalen Erwärmung werden mikrobielle Prozesse im Boden und somit Emissionen klimarelevanter Spurengase beträchtlich beeinflussen. Bezüglich des Stickstoffkreislaufes sind besonders N2O- und NO-Emissionen von Bedeutung, da beide Spurengase an der Klimaerwärmung beteiligt sind und Böden eine Hauptquelle für beide darstellen. Trotz zunehmender Forschungstätigkeit zu diesem Thema ist der derzeitige Wissensstand über die Auswirkungen des Klimawandels auf bodenbürtige N2O und NO Emissionen jedoch gering. Ursache dafür ist vor allem mangelnde Kenntnis über die zugrunde liegenden Prozesse im Boden. In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen extremer meteorologischer Randbedingungen auf N2O- und NO-Flüsse in einem Fichtenwald und in einem Niedermoor im Fichtelgebirge untersucht. In zwei aufeinander folgenden Jahren wurden Sommertrockenheit und Niederschlag im Wald und im Niedermoor experimentell verstärkt. Bodenfrost wurde im Wald durch Entfernung der natürlichen Schneedecke induziert. Die Experimente wurden in jeweils drei Wiederholungen durchgeführt; nicht-manipulierte Flächen dienten als Kontrollen. Zusätzlich zu den N2O- und NO-Flussmessungen in wöchentlichen bis monatlichen Intervallen wurden Konzentrationen und Isotopensignaturen des N2O in der Bodenluft entlang von Bodenprofilen analysiert, um die zugrunde liegenden biogenen Produktions- und Konsumptionsprozesse zu identifizieren und zu lokalisieren. Andauernde Sommertrockenheit verringerte kontinuierlich die N2O-Emissionen vom Waldboden und wandelte den Boden sogar vorübergehend in eine Senke für atmosphärisches N2O. Gefrieren und Auftauen des Bodens verursachten N2O-Emissionen, die 84 % der jährlichen Emission umfassten. N2O-Konzentrations- und Isotopenprofile der Bodenluft liefern essentiell neue mechanistische Erklärungen für diese Beobachtungen. Die N2O-Konzentration in der Bodenluft nahm in den meisten Fällen exponentiell vom Unterboden zur Bodenoberfläche ab. Dies verweist auf mikrobielle Aktivität im Unterboden (in >= 70 cm Bodentiefe) als zusätzliche Quelle für N2O sowie auf Diffusion zur Bodenoberfläche entlang des Konzentrationsgradienten. Isotopenanalysen zeigten weiterhin simultane mikrobielle N2O-Konsumption (Reduktion zu N2) auf. Dürre verringerte die Quellenstärke der organischen Auflage für N2O, während die Senkenfunktion des Mineralbodens für N2O aktiv blieb. Dies führte zu einer Netto-N2O-Senkenfunktion des Waldbodens unter extremer Trockenheit. Frost im Oberboden war die einzige Ausnahme für diesen Verlauf der N2O-Konzentration und Isotopensignatur entlang von Bodenprofilen. Unter Bodenfrost-Bedingungen fungierte der Oberboden nicht mehr als Senke für N2O, was zu den beobachteten N2O-Emissionsspitzen führte. Die NO-Emissionen des Waldbodens überstiegen die N2O-Emissionen um bis zu zwei Größenordnungen. Trockenheit erhöhte oder verringerte die NO-Emissionen in Abhängigkeit vom Bodenwassergehalt der organischen Auflage. Wiederbefeuchtung nach andauernden Dürreperioden - die sich hinsichtlich der N2O-Emissionen als wenig bedeutsam herausstellte – erhöhte deutlich die NO-Emissionen mit einem Beitrag von 44 % an der jährlichen Emission. Im Gegensatz zu dem Waldboden waren die NO-Flüsse im Niedermoor immer um ein bis zwei Größenordnungen niedriger als die N2O-Flüsse. Dies bestätigt, dass dieses hochreaktive Gas entweder kaum im Moorboden produziert wird oder chemischen Umwandlungen ausgesetzt ist, bevor es dem Boden entweicht. Dennoch hatten Wasserstandsabsenkungen signifikant erhöhte NO-Emissionen zur Folge. Zum N2O wird in dieser Arbeit gezeigt, dass Sommertrockenheit Emissionen von nährstoffreichen Niedermooren in Abhängigkeit von der Wasserstandsabsenkung um ein Vielfaches steigern kann. Starke Niederschläge verursachten im Anschluss an Dürreperioden kurzfristige, aber stark erhöhte N2O-Emissionen mit signifikanter Auswirkung auf die jährliche N2O-Emission. Dies war bisher unbekannt. N-15- und O-18-Isotopendaten belegen, dass diese N2O-Peaks auf oberflächennahe Neubildung von N2O zurückgehen. Diese Arbeit dokumentiert einen starken Einfluss extremer Wetterereignisse auf bodenbürtige N2O- und NO-Emissionen und bietet bislang zu wenig betrachtete mechanistische Erklärungen für diese Beobachtungen. Ein Hauptresultat dieser Arbeit ist der Beleg einer bisher unbeachteten Senkenfunktion des Waldbodens für atmosphärisches N2O, sobald bei andauernder Trockenheit die Netto-N2O-Produktion des Bodens durch den Nettoverbrauch kompensiert wird. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen die Relevanz von Untersuchungen zur N2O-Dynamik im Boden zusätzlich zu N2O-Flussmessungen, um die komplexen Interaktionen zwischen meteorologischen Randbedingungen und biogenen Bodenprozessen besser verstehen und in globale N2O-Bilanzen einbinden zu können.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Biologie
Author: Stefanie Goldberg
Advisor:Prof. Dr. Gerhard Gebauer
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:19.02.2009
Year of Completion:2009
SWD-Keyword:Biogeochemie; Distickstoffmonoxid; Klimaänderung; Stickstoffmonoxid; Waldboden
Tag:Austrocknung; Bodenfrost; Bodenprozesse; N2O-Konsumption; stabile Isotope
N2O consumption; drought; soil freezing; soil processes; stable isotopes
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-5377
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):12.03.2009