Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7259 

Weiterentwicklung und Anwendung des prozessorientierten Modells PnET-N-DNDC zur Abschätzung der NO- und NO-Emissionen aus Waldböden Europas

M. Kesik

Zusammenfassung
Die Vertragsstaaten, die das Kyoto-Protokoll unterzeichneten, haben das Ziel, ihre Emissionen bis zum Jahre 2012 um durchschnittlich 5,2% unter das Niveau von 1990 zu senken. Daher ist eine Abschätzung der Quellen- und Senkenstärke der einzelnen Treibhausgase notwendig. Waldböden sind signifikante Quellen für die Treibhausgase N2O und NO. Ziel dieser Arbeit ist es, die N2O- und NO-Emissionen aus Waldböden Europas zu quantifizieren und die N2O- und NO-Emissionsquellen regional zu lokalisieren. Aufgrund der Heterogenität der Bodenund Vegetationseigenschaften sowie der meteorologischen Bedingungen weisen die N-Spurengasemissionen aus Böden eine hohe zeitliche und räumliche Variabilität auf.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurde das prozessorientierte Modell PnET-N-DNDC, das den N-Spurengasaustausch auf Basis der Prozesse, die an der Produktion, Konsumption und Emission von N-Spurengasen beteiligt sind, weiterentwickelt und angewandt, um zuverlässige N2O- und NO-Emissionen aus den Waldböden Europas zu simulieren.

Im Rahmen der Weiterentwicklung des PnET-N-DNDCModells wurde die Abhängigkeit der N2O- und NO-Produktion durch die heterotrophen Nitrifizierer Alcaligenes faecalis subsp. parafaecalis und Paracoccus pantotrophus gegenüber pH, Temperatur und Substratqualität in Fermenterkulturen unter steady-state Bedingungen untersucht. Die N2O-, NO- und CO2-Produktion nahm mit steigender Temperatur zwischen 4 C und 32 C zu. Die höchsten N2O- und CO2-Produktionsraten wurden bei pH 7 beobachtet. Neben dem lokalen Optimum bei pH 7, nahm besonders die NO-Produktion, aber auch die N2O-Produktion bei pH ≤ 4 signifikant zu. Die Zunahme der NO-Produktion unter sauren Bedingungen ist zum Teil auf die Chemodenitrifikation zurückzuführen, die bis zu 62% der Gesamt-NOProduktion bei pH 3 ausmachte (0,8% der N2O-Produktion). Die Substratqualität beeinflusste die N2O-, NO- und CO2-Produktion signifikant.

Die Ergebnisse dieser Fermenteruntersuchungen wurden teilweise in das PnET-NDNDC implementiert, und das Modell wurde mit diesen Ergebnissen kalibriert, um eine verbesserte Beschreibung der pH- und Temperatur-Abhängigkeiten auf die N-Spurengasproduktion durch die Mikroorganismen und/oder durch die Chemodenitrifikation im PnET-N-DNDC Modell zu erzielen. Die Ergebnisse zeigen, dass heterotrophe Nitrifizierer geeignete Modellorganismen sind, um den Einfluss der Umweltfaktoren auf die mikrobielle N-Spurengasproduktion zu untersuchen. Das PnET-N-DNDC Modell wurde anhand von Feldmessungen der N-Spurengasemissionen aus 19 Standorten validiert und sie zeigen, dass das Modell sowohl die gemessenen N2O-Emissionen (r2 = 0,68; Steigung = 0,76) als auch NOEmissionen (r2 = 0,78; Steigung = 0,73) gut simuliert.

Für die Berechnung eines europaweiten Emissionskatasters wurde das PnET-NDNDC Modell an eine räumlich und zeitlich detailliert aufgelöste GIS-Datenbank gekoppelt. Diese Datenbank enthält Klimainformationen (in täglicher Auflösung), Informationen zu den Bodenparametern und zu den Waldflächen und Baumarten für die Jahre 1990, 1995 und 2000.

 Die Berechnungen mit dem PnET-N-DNDC Modell zeigen, dass sich die NSpurengasemissionen aus Waldböden von Jahr zu Jahr verändern und starke regionale Unterschiede auftreten. Die Schätzung der Gesamt-NO-Emissionen aus Waldböden Europas beträgt 98 kt N Jahr−1, 85 kt N Jahr−1 und 99 kt N Jahr−1 für die Jahre 1990, 1995 bzw. 2000. Die Schätzung der Gesamt-N2O-Emissionen beträgt 87 kt N Jahr−1, 78 kt N Jahr−1 bzw. 82 kt N Jahr−1. Eine umfangreiche Unsicherheitsanalyse wurde durchgeführt; sie zeigt, dass die Emissionen in einem Bereich zwischen 44 bis 254 kt N Jahr−1 für NO und 51 bis 97 kt N Jahr−1 für N2O im Jahr 2000 auftreten.

Auch wurden im Rahmen dieser Arbeit die möglichen Auswirkungen der vorhergesagten zukünftigen Klimaveränderung auf die NO- und N2O-Emissionen aus Waldböden Europas untersucht. Hierfür wurden zwei Klimaszenarien verwendet. Das zehnjährige Szenario repräsentiert die Gegenwart (1991-2000) und das neunjährige Szenario repräsentiert die zukünftigen Klimabedingungen (2031- 2039). Insgesamt sagt das PnET-N-DNDC Modell voraus, dass die N2O-Emissionen aus den Waldböden Europas im Durchschnitt um 6% abnehmen. Diese Abnahme der N2O-Emissionen ist vermutlich auf die Verschiebung des N2O:N2 Verhältnisses durch verstärkte Denitrifikation zurückzuführen. Die NO-Emissionen werden voraussichtlich um 9% zunehmen. Die Ursache für den Anstieg der NO-Emissionen liegt in der zukünftigen Temperaturzunahme.

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass prozessorientierte Modelle wie das PnETN- DNDC, die an eine GIS-Datenbank gekoppelt sind, geeignete Hilfsmittel darstellen, regionale, nationale und globale Kataster der biogenen N-Spurengasemissionen aus Böden zu berechnen. Diese Arbeit repräsentiert den aktuellsten und umfangreichsten Versuch, N2O- und NO-Emissionen aus europäischenWaldböden zu simulieren.


Further development and application of the process-oriented model PnET-N-DNDC for the estimation of the NO and N2O emissions from European forest soils

Abstract
Countries, that ratified the Kyoto protocol, commit to reduce their emissions until 2012 by 5.2% compared to the year 1990. Therefore, an estimation of the source- and sink-strength of the greenhouse gases is necessary. Forest soils are significant sources for the greenhouse gases N2O and NO. The target of this work is to quantify the N2O and NO emissions from European forest soils and to locate the regional source of the N2O and NO emissions. Due to the heterogeneity of soil and vegetation properties or meteorological conditions N trace gas emissions show a high temporal and spatial variability.

To overcome these problems a process-oriented model, the PnET-N-DNDC model, which simulates the N trace gas exchange on the basis of the processes involved in production, consumption and emission of N trace gases, was further developed and applied in order to simulate reliable N2O and NO emissions from European forest soils.

For this further development of the PnET-N-DNDC model the dependency of N2O and NO on pH, temperature and substrate quality was studied in chemostat cultures under steady-state conditions using the heterotrophic nitrifiers Alcaligenes faecalis subsp. parafaecalis and Paracoccus pantotrophus. N2O, NO and CO2 production increased with temperature between 4C and 32C. Highest N2O and CO2 production rates were observed at pH 7. However, besides having an optimum at pH 7, especially NO production but also N2O production increased significantly at pH ≤ 4. This increase in NO production under acidic conditions was partly due to chemo-denitrification, which contributed up to 62% of total NO production at pH 3 (0.8% for N2O). Substrate quality significantly affected N2O, NO and CO2 production.

The results of the chemostat culture studies were partially implemented into the PnET-N-DNDC and the model was calibrated against the results in order to allow an improved description of the pH and temperature dependency of N trace gas production by microbes and/or chemo-denitrification in the PnET-N-DNDC model. The results indicate that heterotrophic nitrifiers are suitable model organisms to study the influence of environmental factors on microbial N trace gas production.

The PnET-N-DNDC model was validated against field observations of N trace gas fluxes from 19 sites and shows to perform well for N2O (r2 = 0.68; slope = 0.76) and NO (r2 = 0.78; slope = 0.73).

For the calculation of a European-wide emission inventory the PnET-N-DNDC model was linked to a detailed, regionally and temporally resolved GIS database, comprising climatic properties (daily resolution), soil parameters and information on forest areas and types for the years 1990, 1995 and 2000.

The PnET-N-DNDC calculations show that N trace gas fluxes from forest soils may vary substantial from year to year and that distinct regional patterns can be observed. The central estimate of NO emissions from forest soils in the EU amounts to 98, 85 and 99 kt N yr−1, using meteorology from 1990, 1995 and year 2000, respectively. For N2O emissions the central estimates were 87, 78 and 82 kt N yr−1, respectively. An extensive sensitivity analysis was conducted which showed a range in emissions from 44 to 254 kt N yr−1 for NO and 51 to 97 kt N yr−1 for N2O, for year 2000 meteorology.

Within this work also the possible feedbacks of predicted future climate change on forest soil NO and N2O emissions in Europe were investigated. For this two climate scenarios were used, one representing a 10-year period of present day climate (1991-2000) and a nine-year period for future climate conditions (2031- 2039). Overall, the PnET-N-DNDC model predicted that N2O emissions from the European forest soils will in average decrease by 6%. This decrease was mainly due to the shift in N2O:N2 ratio driven by enhanced denitrification. NO emissions were found to increase by 9%. The increases in NO emissions were mainly due to increases in temperature.

The results of this work show that process-oriented models, as the PnET-NDNDC, coupled to a GIS database are useful tools for the calculation of regional, national, or global inventories of biogenic N trace gas emissions from soils. This work represents the most comprehensive effort to date to simulate NO and N2O emissions from European forest soils.

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