Der Austausch von Stickstoffmonoxid zwischen Boden und Atmosphäre unter besonderer Berücksichtigung des Bodenwassergehaltes

Stickstoffmonoxid (NO) ist als reaktives Spurengas eine wichtige Komponente atmosphärenchemischer Prozesse und hat somit einen bedeutenden Einfluss auf die Zusammensetzung der Atmosphäre. Eine Hauptquelle des Spurengases stellen bodenmikrobiologische Prozesse dar, deren regionaler und globaler Anteil weiterhin mit größeren Unsicherheiten geschätzt wird. Ursache für die schwere Abschätzbarkeit der NO-Freisetzung aus Böden ist die hohe räumliche Variabilität der steuernden Faktoren. Als einer der wichtigsten Faktoren, die die Freisetzung von NO aus Böden regeln, gilt der Bodenwassergehalt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Zusammenhang zwischen NO-Freisetzung, Bodenwassergehalt, den Bodeneigenschaften und den Standortbedingungen zu untersuchen und diesen möglichst zu quantifizieren. Dazu sind Bodenproben unterschiedlicher Landnutzungen in einem kleineren Wassereinzugsgebiet im Rheingau im Labor, unter kontrollierten Bedingungen, untersucht. Der charakteristische Zusammenhang zwischen Bodenfeuchte und NO-Freisetzung, die sogenannte Bodenfeuchtekurve, kann demnach weitestgehend auf die gemessenen Bodenmerkmale der untersuchten Proben zurückgeführt werden. Anhand der Bodenmerkmale kann die Bodenfeuchtekurve zufriedenstellend vorhergesagt werden. Dabei zeigt vor allem der Humusgehalt der Böden einen dominierenden Einfluss. Er ist die Variable, die die Unterschiede der Böden beim Zusammenhang zwischen Bodenfeuchte und NO-Freisetzung am besten und hinreichend erklären kann. Zur Konstruktion der Bodenfeuchtekurve müssen die optimale Bodenfeuchte und die dabei herrschende Freisetzung, sowie die obere Bodenfeuchte, bei der keine NO-Freisetzung mehr stattfindet, bekannt sein. Diese charakteristischen Punkte lassen sich durch lineare Regressionsmodelle gut aus den Bodeneigenschaften ableiten. Auf räumlicher Ebene werden die Bodeneigenschaften durch die standörtlichen Bedingungen geprägt, die wiederum Ausdruck der landschaftlichen Ausstattung sind. In der Kulturlandschaft kann der Mensch aufgrund seiner Landnutzungsansprüche als der dominierende Faktor angesehen werden. Die Landnutzung orientiert sich an den landschaftlichen Bedingungen und bestimmt in hohem Maße wichtige Bodeneigenschaften, die zu den erklärenden Merkmalen bei der Beziehung zwischen Bodenwassergehalt und NO-Freisetzung gehören. Die in erster Linie wirtschaftlich orientierten Kartenwerke Bodenschätzung, Weinbergsbodenkartierung und forstliche Standortkartierung sind dementsprechend geeignete Grundlagen, um eine Regionalisierung der Landschaft in - bezüglich der NO-Freisetzung - weitgehend homogene Flächen durchführen zu können. Eine hierauf beruhende Regionalisierung ist dazu geeignet, die räumliche Variabilität der NO-Freisetzung in räumlich sinnvoller Auflösung besser abschätzen zu können.

One of the most important sources of atmospheric nitric oxide (NO) are soils, which contribute approx. 30% (± 20%) to the total global NOx source. It is an ubiquitous soil characteristic that they produce and consume NO through microbial processes (mainly nitrification, but also denitrification). Meanwhile, it is state-of-the-art knowledge, that NO emissions from soils are largely controlled by soil moisture content, since it regulates a wide range of emission related properties of the soil. The relation between NO-release and soil water content, the so called soil moisture curve, shows an optimum and an upper soil moisture content, where NO-release is maximum and near zero respectively. These characteristic soil moisture contents are individual for each soil and can be derived from its physical properties. These soil properties are in turn controlled by the landscape factors, the site is governed by. To investigate the relations between the soil moisture curve, the soil properties and the landscape factors, soil samples were taken from the "Hattenheim" catchment, some 20 km west of Mainz, Germany. The 10 km2 catchment ranges between 80 and 620 m a.s.l. and comprises five different land use classes, namely crop fields, vineyards, grassland, deciduous forest, and mixed forest, on a wide range of different soil substrates. In 2002 (October and December), as well as in 2003 (March, June, August, October) several hundreds of soil samples from these land use types (1-8 sampling plots per land use class) were collected, in order to address the seasonal variability of the selected soils. Accompanying measurements on all soil samples comprised contents of ammonium and nitrate, C/N ratio, loss of ignition, pH, and soil texture). Sieved (2 or 4 mm) sub-samples of original composite soil samples (each consisting of at least 10 core samples taken from the top 5cm of the soil) were incubated in a 1 L cuvette in the laboratory. The soil containing cuvette was then used as a dynamic chamber to measure the net release rate of NO at 25˚C, covering the entire soil moisture range (0-100%) and two different headspace NO concentrations. From these laboratory studies, parameterization of the net NO release rate in terms of soil moisture was derived. These parameters were then statistically correlated to the soil physical properties, for the total amount of soil samples and for each land use class respectively. On the soil properties, which controlled the relation between soil moisture and NO-release, the soil humus content was clearly dominating. The shape of the soil moisture curve could be derived by only a few soil characteristics such as the SOM, pH, texture and ammonia content. Linear models for the characteristic points of the soil moisture curve were created for the four different land use classes, so that the relation between soil moisture content and the release of NO can be predicted. An attempt to regionalize the areas which respond in the same manner with respect to soil water content must consider landscape factor, such as land use, hydrologic conditions and substrate. Therefor the ability of existing land mappings (cropland: Bodenschätzung, vineyards: Weinbergsbodenkartierung, forest: Fortliche Standortkartierung) was tested for such a regionalisation. It could be shown that these mappings are a good basis to explain the spatial differences for the release of NO from soil. As an introductory part of the work as detailed overview on the process of exchange of NO between soil and atmosphere is given. A own chapter presents the methodology of the underlying principles for the laboratory approach of the investigation.