Comparisons of N2O and CH4 fluxes as affected by land use systems and climate in small catchments in Korea

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Berger, Sina:
Comparisons of N2O and CH4 fluxes as affected by land use systems and climate in small catchments in Korea.
Bayreuth , 2013 . - 159 S.
( Dissertation, 2012 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

In the course of global and climate change humankind has to face extreme weather events with increased intensity and frequency and it has to deal with feeding an increasing number of people which is accompanied by shortage of resources such as water. Since half of humankind directly depends on freshwater and other ecosystem services provided by mountainous areas, it is essential to study such complex terrains and how natural as well as agricultural systems react to climatic and other anthropogenic changes. Emissions of greenhouse gases like Nitrous oxide (N2O) and Methane (CH4) are of global concern, too, because they are involved in global warming and therewith: climate change. Major sources of N2O are agriculturally managed soils, and very important sources of CH4 are rice paddies. Thus, it is of great importance to study intensively managed agricultural systems and the effects of the management practices on greenhouse gas emissions. The major focus of this thesis is to quantify dry crop fields’ and forests’ N2O emissions as well as rice paddies’ N2O and CH4 emissions and to identify climatic as well as management related factors and underlying processes which are driving the N2O fluxes in a complex terrain. A prolonged early summer drought in 2010 led to significant N2O consumption in soil of three different forest sites. The following above-average monsoon rainfall period indeed turned the N2O consumption into emission but could not turn the N2O balance of a forest on sandy-loam substrate from negative into a positive one, which means that for the first time a negative N2O balance was observed for a forest soil during the growing season. The N2O emissions of those forest sites were clearly driven by soil moisture and temperature and there appeared to be an effect of the substrate on N2O emissions as well, as it is increasingly often observed that sandy-loam soils show significant N2O consumption. Plastic mulching – a worldwide used method in agriculture to increase crop production by enhancing soil temperature, creating more stable soil moisture conditions and restricting arable weed growth – turned out to have a mitigating effect on N2O emissions. DNDC (Denitrification and Decomposition) modeling results matched best with the measurement results when the maximum daily soil temperature and half of the daily precipitation was assumed to occur as dominating climate conditions underneath the impervious polyethylene (PE) film, suggesting that N2O production underneath the plastic cover was driven by soil moisture and temperature. N2O emissions from a non-fertilized soy bean field, which has Nitrogen fixation as an additional Nitrogen source, were similar to the N2O emissions from a radish field after application of an intermediate amount of N fertilizer of 200 kg ha-1. Comparing N2O and CH4 emissions from rice paddies under different water management practices showed that intermittent irrigation (II) (no continuous flooding, no water logging) had the least global warming potential (GWP) which was only 30% of the global warming potential (GWP) of a traditionally irrigated (TI) paddy (continuous flooding and water logging). Another practice of 2.5 months of continuous flooding, followed by midseason drainage and reflooding which created moist but non-water logged conditions (FDFM) lead to 66% of the traditionally irrigated paddies combined CH4 and N2O emissions. These results suggest that a trend towards less flooding has a great potential to mitigate greenhouse gas emissions from a sandy or sandy-loam substrate, respectively. Studying the three paddies’ subsoil conditions revealed that N2O production and consumption processes had mainly taken place between 25 and 50 cm soil depth judging by N2O concentrations and δ15N-N2O values along the soil profiles of all the investigated paddies as well as gene abundances of denitrifying and nitrifying bacteria of the FDFM paddy. Apart from these important findings on N2O flux dynamics of three different land use systems, it is noticeable that the N2O emissions of the study region are in general very low which is very pleasing and implies that the area deals with global change challenges and associated intensive agriculture in a way that comparatively only small amounts of N2O degas. But this raises the question after the “why?” considering that large amounts of fertilizer are applied on the fields. This thesis does not have a final answer to that question but it discusses whether the sandy substrate may play a major role for the N dynamics of the whole area. There is evidence that NO3- - as the substrate for denitrification - leaches easily due to the soil conditions. To finally figure out why the N2O emissions are that low a more detailed investigation on the fate of NO3- would be desirable.

Abstract in weiterer Sprache

Im Zuge von Globalem Wandel und Klimawandel muss die Menschheit sich mit immer häufiger und heftiger werdenden extremen Wetterereignissen auseinandersetzen, sowie sie auch versuchen muss, eine immer zahlreicher werdende Weltbevölkerung zu ernähren bei zunehmender Verknappung von Ressourcen. Da die Hälfte der Menschheit angewiesen ist Ökosystemdienstleistungen aus den bergigen Gebiete der Erde, ist es essentiell, solche komplexen Landschaften zu studieren und zu verstehen, wie natürliche sowie auch landwirtschaftliche Ökosysteme sich auf Klimaänderungen und veränderte anthropogene Einflüsse einstellen. Emissionen von Treibhausgasen wie Lachgas (N2O) und Methan (CH4) sind involviert in die Klimaerwärmung und den damit einhergehenden Klimawandel, was sie zu wichtigen globalen Angelegenheiten macht. Wichtigste Quellen von N2O sind landwirtschaftliche Böden, CH4 entstammt zu großen Anteilen aus Reisfeldern. Daher ist es von größter Wichtigkeit, solche landwirtschaftlichen Systeme, im Hinblick der Management-Praktiken und deren Einfluss auf Treibhausgasemissionen, zu studieren. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit ist es, N2O Emissionen von landwirtschaftlichen und Waldböden zu quantifizieren, sowie auch N2O und CH4 Emissionen von Reisfeldern und herauszufinden, welche Faktoren die Flüsse dieser Treibhausgase maßgeblich steuern. Die verlängerte Frühsommertrockenperiode des Jahres 2010 führte zu signifikanter N2O-Konsumption in Böden dreier Waldstandorte. Die darauffolgenden überdurchschnittlich heftigen Monsunregenfälle verursachten dann zwar N2O-Emissionen, und leicht positive N2O-Bilanzen in zwei der Wälder, jedoch waren sie nicht ausreichend um die N2O-Bilanz des Waldes auf sandig-lehmigem Boden in eine positive umzukehren. Dies bedeutet, dass für einen Waldboden während der Vegetationsperiode zum ersten Mal eine negative N2O-Bilanz beobachtet wurde. Die N2O-Emissionen der Waldstandorte wurden gesteuert von Bodenfeuchte und Bodentemperatur und – wie zunehmend in der Literatur zu finden – schien es einen Einfluss der Bodentextur auf die N2O-Flüsse zu geben. Es stellte sich außerdem heraus, dass der Einsatz von Folie in der Landwirtschaft – eine weltweit immer häufiger eingesetzte Methode zur Steigerung der Ernten durch höhere Bodentemperaturen und stabilere Bodenfeuchte – eine lindernde Wirkung auf die N2O-Emissionen der Felder hat. Modellierungen mit dem DNDC- (Denitrifikation und Dekomposition)-Model stimmten am besten mit den im Feld gemessenen N2O-Flüssen überein, wenn Tageshöchsttemperaturen und die Hälfte des Tagesniederschlages als dominierende Klimafaktoren unter der Folie angenommen wurden, was impliziert, dass die N2O-Produktion unter der Folie auch stark von Bodentemperatur und Bodenfeuchte abhängig war. N2O-Emissionen eines ungedüngten Sojabohnenfeldes, waren ähnlich den N2O-Emissionen eines Rettichfeldes, welches eine mittlere Menge Stickstoff-Dünger von 200 kg N ha-1 bekommen hatte. Ein Vergleich von N2O- und CH4-Emissionen von Reisfeldern mit unter Bewässerungsstrategien ergab, dass eine zeitweise Flutung mit mehreren Trockenphasen das geringste Klimaschädigungspotential hat, welches nur 30% dessen beträgt, was ein traditionell bewässertes Reisfeld (fünf Monate kontinuierliche Flutung). Eine Intermediäre Bewässerungsstrategie (2.5 Monate Flutung, Austrocknung, Bewässerung ohne Stauen von Wasser) brachte im Vergleich zum traditionell gefluteten Reisfeld ein Klimaschädigungspotential von 60%. Diese Ergebnisse implizieren, dass ein Trend hin zu weniger Stauwasser auf Reisfeldern effektiv Treibhausgasemissionen senken kann, zumindest auf sandigen oder lehmig-sandigen Böden. Eine akribische Untersuchung der Reisfeldböden ergab, dass N2O-Produktion und Konsumption hauptsächlich in 25 bis 50 cm Tiefe stattgefunden haben; die N2O-Konzentrationen und δ15N-N2O-Werte dieser Tiefen von allen untersuchten Reisfeldern sowie auch Gen-Häufigkeiten von Denitrifizierern und Nitrifizierern des Reisfeldes mit der Intermediären Bewässerungsstrategie deuten darauf hin. Abgesehen von diesen wichtigen Erkenntnissen über N2O-Fluss-Dynamiken von drei verschiedenen Landnutzungssystemen, fällt auf, dass die N2O-Flüsse des Studiengebietes generell niedrig sind. Dies ist erfreulich und zeigt, dass das Gebiet mit jenen Herausforderungen, die der Globale Wandel mit sich bringt und die mit Landwirtschaft assoziiert sind, so eingestellt ist, dass zumindest keine großen Mengen an N2O produziert werden, was allerdings verwunderlich erscheint, führt man sich vor Augen welche großen Mengen an Dünger auf den Feldern ausgebracht werden. Die vorliegende Arbeit diskutiert an, ob möglicherweise der sandige Boden der Region eine schnelle Auswaschung der hochmobilen NO3--Ionen - dem Ausgangssubstrat für Denitrifikation - bewirken könnte, hat letztlich aber keine abschließende Antwort auf diese Frage. Um herauszufinden, wieso die N2O-Flüsse so gering sind, wäre es wünschenswert, NO3--Flüsse und das Schicksal der NO3--Ionen genauer zu untersuchen.