Nitrifikation und Denitrifikation im Boden in Abhängigkeit von Sauerstoff und mikrobieller Aktivität - Entwicklung, Analyse, Parametrisierung und Anwendung eines gekoppelten Simulationsmodells

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Titel: Nitrifikation und Denitrifikation im Boden in Abhängigkeit von Sauerstoff und mikrobieller Aktivität - Entwicklung, Analyse, Parametrisierung und Anwendung eines gekoppelten Simulationsmodells
Autor(en): Hotopp, Ines Susannah
Erstgutachter: Prof. Dr. Michael Matthies
Zweitgutachter: Prof. Dr. Karin Frank
Zusammenfassung: Stickstoff ist ein lebenswichtiger Bestandteil der aller Organismen. Dazu gehören auch Pflanzen, die der Ernährung von Tier und Mensch dienen. Terrestrische Pflanzen nehmen Stickstoff über die Wurzeln und damit aus dem Boden auf. Die verschiedenen Stickstoffverbindungen sind durch biogeochemische Prozesse miteinander verknüpft. Zusammen bilden diese Prozesse den Stickstoffkreislauf. Mikrobielle Nitrifikation und Denitrifikation gehören zu den häufig in Grünlandböden vorkommenden Prozessen. Die Aktivität der Mikroorganismen und damit die Geschwindigkeit und Intensität, mit welcher die Transformationsprozesse ablaufen, sind stark abhängig von den vorliegenden Umweltbedingungen. Insbesondere der mikrobiell im Boden verfügbare Sauerstoff spielt hier eine bedeutende Rolle: Während die Nitrifikation von seiner Anwesenheit abhängt, wird die Denitrifikation durch ihn gehemmt. Die Denitrifizierer dagegen können, aber müssen nicht Sauerstoff verwenden. Dadurch entsteht eine gekoppelte, nicht lineare Abhängigkeit der Prozesse vom Sauerstoffgehalt.Der Sauerstoffgehalt im Boden schwankt durch natürliche Faktoren, wie Niederschlagsereignisse, aber ändert sich auch mit der Landnutzung. Die Übergänge zwischen aeroben und anaeroben Bedingungen sind dabei fließend, so dass eine strikte Trennung der beiden Prozesse in der Modellierung nicht sinnvoll ist. In meiner Dissertation im Rahmen des Teilprojekts „InDiLaNi“ im DFG Schwerpunktprogramm „Biodiversitätsexploratorien“ entwickelte ich ein Simulationsmodell für eine gekoppelte Nitrifikations- und Denitrifikationsdynamik. Diese Dynamik ist abhängig vom Sauerstoffgehalt und den Abundanzen der Nitrifizierer und Denitrifizierer. Das Modell brachte dabei Erkenntnisse über den Einfluss von Sauerstoff auf die Nitrifikations-Denitrifikationsdynamik, dient jedoch nicht der Abschätzung von tatsächlichen Stickstoffkonzentrationen im Boden. Mittels eines rein aeroben und eines strikt anaeroben Sauerstoffszenarios wurde das Modell auf seine Gültigkeit überprüft. Aerobe Bedingungen führten zu einer Nitrifikationsdynamik und anaerobe Bedingungen zu einer Denitrifikationsdynamik. Ein transientes Szenario, welches unter Annahme eines niedrigen Sauerstoffgehaltes simuliert wurde, zeigte die Verknüpfung beider Prozesse. Eine Sensitivitätsanalyse diente der Eingrenzung der Modellparameter auf diejenigen, welche den größten Einfluss auf die Modelldynamik haben. Über einen Zeitraum von mehr als 1000 Stunden zeigte sich dabei, dass besonders die Wachstums- und Sterberaten der Nitrifizierer und Denitrifizierer Einfluss auf die Modelldynamik haben. Mit Hilfe experimentellen Daten sollten einige Modellparameter angepasst werden. Dies erwies sich als schwierig, da die Datengrundlage nicht zu einer wirklichen Parameteroptimierung ausreichte und so lediglich eine Anpassung per Hand erfolgen konnte. Dabei konnte mit leichten Veränderungen der Umsatzgeschwindigkeiten der Teilprozesse die modellierte Dynamik dem experimentellen Verlauf angenähert werden. Durch die Biodiversitätsexploratorien standen mir Zeitreihen für den Bodenwassergehalt und die Bodentemperatur zur Verfügung. Aus der Reihe für den Bodenwassergehalt konnte ich Sauerstoffgehalte berechnen und so das Modell mit variablem Sauerstoffgehalt nutzen. Zusätzlich konnte ich den Einfluss von Temperatur und Bodenwassergehalt auf das mikrobielle Wachstum einbringen. Dabei zeigte sich, dass die Sauerstoffgehalte in den Böden im aeroben Bereich lagen, so dass vor allen Dingen die Nitrifikationsdynamik zu beobachten war. Der Einfluss der Temperatur führte zu einer leichten Verlangsamung der Prozesse, da sie immer etwas unter dem mikrobiellen Optimum lag. Weiterhin konnte ich aufgrund von Informationen aus den Biodiversitätsexploratorien Dünge- und Beweidungsereignisse zu modellieren. Durch den Eintrag von Ammonium und Nitrat durch Mineraldünger werden Transformationsprozesse angestoßen und es kommt es zu starken Veränderungen in den Stickstoffkonzentrationen im Boden. Durch Beweidung erfolgt ein Ammoniumeintrag über den gesamten Beweidungszeitraum. Diese externen Einträge sind so stark, dass sie alle anderen, eventuell vorher ablaufenden Stickstoffumwandlungsprozesse überdecken.
URL: https://repositorium.ub.uni-osnabrueck.de/handle/urn:nbn:de:gbv:700-2015021613074
Schlagworte: Stickstoff; Stickstoffkreislauf; Nitrifikation; Denitrifikation; Simulationsmodell; Sauerstoff; mikrobieller Aktivität
Erscheinungsdatum: 16-Feb-2015
Enthalten in den Sammlungen:FB06 - E-Dissertationen

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