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
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 4◦C and 32◦C.
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
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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