Modeling nitrous oxide emissions and associated C and N turnover and exchange processes between atmosphere and biosphere for agricultural ecosystems on site and regional scale [Elektronische Ressource] / by Daniela Kracher

Kracherd

Informations

• Publié par: albert-ludwigs-universitat_freiburg
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 14
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

Modeling nitrous oxide emissions
and associated C and N turnover and exchange
processes between atmosphere and biosphere
for agricultural ecosystems on
site and regional scale




Thesis submitted in partial fulfillment of the irreemquents of
the degree Doctor rer. nat. of the
Faculty of Forest and Environmental Sciences,
Albert-Ludwigs-Universität,
Freiburg im Breisgau, Germany






by


Daniela Kracher







Freiburg im Breisgau, Germany
2010








































Dean: Prof. Dr. Jürgen Bauhus
Supervisor: Prof. Dr. Klaus Butterbach-Bahl
nd
2 Supervisor: Prof. Dr. Heinz Rennenberg
Date of Defence: 02.12.2010 SUMMARY
Agriculture and climate change are closely linkeude dto the importance of agricultural activities as
sources of greenhouse gases (GHG). Process-ori emntoeddels have been proven useful tools to
examine and better understand the processes invdo lvien the C and N cycle in agricultural
ecosystems and processes involved in the produc taionnd consumption of GHG. Within the scope of
this PhD project, the process-oriented biogeochemailc Denitrification-Decomposition model in the
Modular Biosphere Simulation Environment (Mobile-DNDC) was applied and further developed. The
focus of the simulations was on nitrous oxideO) (eNmissions from agricultural soils, asO Nis an 2 2
important GHG, agricultural soils are the main socuers of atmospheric ON, and it is of outstanding 2
importance for the destruction of stratosphericn eo.zo
After a detailed documentation of the equationds inu seMobile-DNDC to represent C and N turnover
and exchange between biosphere, atmosphere, andl sioni agricultural ecosystems, the calibration
and validation of the model are addressed, inclgu dain comparison to the original agricultural DNDC.
Therefore, a database consisting of 21 field acarsoess Europe was created based on data provided
by the NitroEurope Project or other published fie sldtudies. This database was used for an evaluation
of simulated crop growth, soil temperature, stoeilr wcaontent, soil nitrate and ammonium contents
and N O emissions. Despite the challenges involved in eml oedvaluation for ON emissions due to the 2 2
high spatial and temporal variability and corresponding uncertainties in NO measurements, Mobile-2
DNDC showed high potential to reproduce daily and eyarly NO emissions in a realistic range and 2
with similar or better accuracy as other processie-onrted models. Regarding crop growth dynamics
and background N O emissions, improvements to the original DNDC aorbev ious, with the latter 2
indicating a better representation of microbial amdyincs in Mobile-DNDC. However, both models
failed to predict high NO emission peaks due to manure applications and efzer-ethaw events. 2
Consequently, calculation of manure incorporatinodn maineralization as well as the processes
evoking elevated NO emissions due to freeze-thaw events revealendt iaplo fteor improvements. 2
Finally, Mobile-DNDC was applied at regional scafleo r the German Federal Land Saxony, by using a
newly developed 2D Mobile framework. Total simud laNteO emissions for Saxony were 2723 Ot -N2 2
N for the year 2000. The emission factor fo rN dOir ecmtissions from fertilizer determined based on 2
the emission inventory for Saxony is 1.19%.
As input information regarding soil properties, amgeanment, etc. inherits high uncertainty, espe cially
at regional scale, some input variables were v afrioerd model applications in order to reveal the
sensitivity and uncertainty of simulatedO Nemissions. Highest sensitivity was encountererd bfulok 2
density, soil carbon content, field capacity,i ra nted maperature, which is in accordance with finsd ing
in literature. During the sensitivity study, theis seiomns calculated for Saxony for the year 200e0 wer
found to have a maximum uncertainty of approximy a+t/e- l25%.
Mobile-DNDC, as developed and applied in this thess,i revealed high potential to reproduceO N2
emissions of agricultural soils, especially asi tisveitniess of ON emissions on site characteristics 2
leading to high spatial heterogeneity ofO N emissions are reproduced reasonably in the simtuiolans. 2

I

II ZUSAMMENFASSUNG
Aufgrund des Austauschs von Treibhausgasen zwischen Boden und Atmosphäre besteht ein enger
Zusammenhang zwischen Landwirtschaft und Klimawandel. In den letzten Jahren konnte gezeigt
werden, dass prozessorientierte Modelle eine cnhüet zlPilattform für eine genauere Untersuchung
und somit ein besseres Verständnis der Kohlensto f(fC)- und Stickstoff- (N) Kreisläufe in
landwirtschaftlichen Ökosystemen, die letztendlbiceh i der Freisetzung von Treibhausgasen beteiligt
sind, darstellen. Im Rahmen der vorliegenden Doakrbteorit wurde das prozessorientierte
Denitrification-Decomposition Modell innerhalb deMso dular Biosphere Simulation Environments
(Mobile-DNDC) angewendet und weiterentwickelt. bHeiei rlag der Schwerpunkt auf der Entstehung
von Lachgas (NO), da NO ein bedeutendes Treibhausgas – mit landwirtschaflicthen Böden als 2 2
Hauptquelle für atmosphärisches NO – und am Abbau stratosphärischen Ozons beteiligt ist. NO 2 2
wird hauptsächlich aus Böden freigesetzt und weselicnht durch menschliche Eingriffe beeinflusst.
Nach einer Dokumentation der im Programmcode entthaelnen Berechnungen zu C und N
Umsetzungen und Austauschprozessen zwischen Biosphäre, Atmosphäre und Boden, wird die
Kalibrierung und Validierung Mobile-DNDCs erläuter,t einschließlich eines Vergleichs mit dem
landwirtschaftlichen DNDC Modell. Die hierfür hergaenzogene Datenbank umfasst 21 Europäische
Feldstudien und wurde aus Daten des NitroEurope jePrkotes oder anderen veröffentlichten Studien
erstellt. Ausgehend von dieser Datenbank wurden dieModellsimulationen hinsichtlich
Pflanzenwachstum, Bodentemperatur, Bodenwasserget,ha lBodennitrat- und –ammoniumgehalt,
sowie NO Emissionen evaluiert. Die Evaluierung von Moimdeullastionen für ON Emissionen wird 2 2
durch die hohen Unsicherheiten, die NO Messungen aufgrund hoher räumlicher und zeitlichre 2
Variabilität aufweisen, stark erschwert. Dennocnhn tkeo für Mobile-DNDC ein hohes Potential für die
realistische Wiedergabe täglicher und jährlicher NO Emissionen nachgewiesen werden. Zusätzlich 2
zeigen die Mobile-DNDC Simulationen vergleichbared eor bessere Genauigkeit wie Simulationen mit
anderen prozessorientierten Modelle. Im Vergleui cDh NzDC konnte für Mobile-DNDC eine bessere
Darstellung der Hintergrundlachgasemissionen aufgnrdu einer dynamischeren Berechnung der
mikrobiellen Populationen festgestellt werden. EVeinrebesserung ist auch hinsichtlich einer
realistischeren Entwicklung der oberirdischen Biomssae ersichtlich.
Sehr hohe N O Emissionen, die durch die Aufbringung organisch eDnüngers oder Frosttauereignisse 2
ausgelöst wurden, konnten von beiden Modellen n icrhteproduziert werden. Dies zeigt die
Notwendigkeit für die Verbesserung der entsprecehenn Mdodellroutinen.
Abschließend wurde Mobile-DNDC im Rahmen der neu etnwickelten 2D Mobile Modellumgebung für
das Bundesland Sachsen regional angewendet. Die Sfacührsen simulierten Gesamt-ON Emissionen 2
belaufen sich auf 2723 T ON-N für das Jahr 2000. Der Emissionsfaktor, edektre d irNO Emissionen 2 2
aus Dünger beschreibt, wurde ausgehend von dem Esmioinsskataster für Sachsen zu 1.19%
berechnet.
Die Unsicherheit der simulierten NO Emissionen, die aufgrund der hohen Unsicherheit ein den 2
Eingangsdaten bezügliche Bodeneigenschaften, Beaitrubneg, etc. hervorgerufen wird, wwurde
untersucht, in dem eine Auswahl an Eingangsvarianbl ein vorgelegten Grenzen variiert wurden. Die
III höchsten Sensitivitäten wurden für eine Variatione r d Bodendichte, des Gehalts an
Bodenkohlenstoff, der Feldkapazität und der Lufpettreatmur festgestellt, was mit Ergebnissen in
Literaturstudien übereinstimmt. Die Unsicherheit rd efür Sachsen berechneten Jahresemissionen für
2000 wurden dabei auf höchstens +/- 25% abgeschät.z t
Mobile-DNDC, so wie es in dieser Arbeit entwickuendlt angewendet wurde, erwies sich als sehr
geeignet zur Bestimmung von ON Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden, insobensdere, da die 2
Sensitivitäten der NO Emissionen auf Standortbedingungen, die die horhäeu mliche und zeitliche 2
Variabilität hervorrufen, mit Mobile-DNDC gut wierdgegeben werden.

IV Contents
CONTENTS
Summary ............................................................................................................... I
Zusammenfassung ........................................................................................... III
Contents .............................................................................................................. V
List of figures ..............................................