Forschergruppe: Denitrification in Agricultural Soils: Integrated Control and Modelling at Various Scales (DASIM), Teilprojekt: Bedeutung funktioneller Fraktionen der organischen Bodensubstanz für Raten sowie zeitliche und räumliche Muster der Denitrifikation

Denitrifikation ist ein Schlüsselprozess, welcher Stickstoff (N) als N₂ und NO_x aus Böden wieder der Atmosphäre zuführt und damit den globalen N-Kreislauft schließt. Obgleich organische Bodensubstanz (OM) während der Denitrifikation als Elektronendonator fungiert, ist wenig über den Einfluss der Menge, Qualität sowie räumlicher und zeitlicher Zugänglichkeit der OM auf Denitrifikationsprozesse bekannt. Derartige Informationen sind jedoch für das Verständnis und die Vorhersage von "hot-spot" und "hot-moments" der Stickstoffemissionen aus Agrarböden von zentraler Bedeutung. Das vorliegende Projekt widmet sich Untersuchungen zum Einfluss der Herkunft und chemischen Zusammensetzung des organischen Materials auf Denitrifikationsprozesse. Insbesondere sollen die Auswirkungen spezifischer funktioneller OM-Fraktionen (gelöste, partikuläre und mineralassoziierte OM) auf den Beginn und das Ausmaß der Denitrifikation als auch auf die resultierenden Gasprodukte in definierten Inkubationsexperimenten untersucht werden. Durch Inkubation unterschiedlicher organischer Substrate als auch Bodenaggregatfraktionen sollen Denitrifikationsraten und minimale Sauerstoffkonzentrationen ermittelt sowie die Lokalisation der Denitrifikationsaktivitäten bestimmt werden. Die räumliche Verteilung der OM in Aggregaten wird dabei mittels Dünnschliffe und mikroskopischer Verfahren erfasst. Basierend auf den Eigenschaften der OM, welche aus der Elementaranalytik, ¹³C-NMR- und Röntgenphotoelektronenspektroskopie abgeleitet werden, und den Inkubationsexperimenten soll ein Qualitätsindex für die OM für die Implementierung in Denitrifikationsmodelle entwickelt werden.

Relevance of functional soil organic matter fractions for kinetics and spatiotemporal patterns of denitrification

Denitrification is a key transformations process, which returns nitrogen (N) from soil back into the atmosphere as N₂ and N oxides and therefore plays an important role for the closure of the global N cycle. Despite soil organic matter (OM) is known to fuel denitrification by acting as an electron donor, the role of OM quality and its spatial and temporal bioavailability is only poorly understood. Such information is mandatory for understanding and predicting the "hot-spot"- and "hot-moment"-behavior of N trace gas emissions from agricultural soils. This project aims to study the effect of OM type and composition on soil denitrification. Particularly, we will link the properties and abundance of different functional OM fractions (dissolved, particulate, and mineral-associated OM) to the onset and extent of soil denitrification and the respective gas products. Controlled incubation experiments utilizing different organic substrates and soil aggregate size-fractions will be conducted to derive rate equations for denitrification as well as threshold oxygen concentrations and to identify the prime locations of soil denitrification activity. The spatial arrangement of OM in soil will be evaluated microscopically using thin sections of aggregates. Based on OM properties, as judged from element analytics, ¹³C-NMR and X-ray photoelectron spectroscopy, and denitrification data we will develop an OM-specific quality index for implementation and use in denitrification models.