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Keywords:

  • denitrification;
  • freeze-thaw cycles;
  • nitrification;
  • nitrous oxide;
  • isotopes;
  • trace gas

Abstract

The amounts of N2O released in freeze-thaw events depend on site and freezing conditions and contribute considerably to the annual N2O emissions. However, quantitative information on the N transformation rates in freeze-thaw events is scarce. Our objectives were (1) to quantify gross nitrification in a Luvisol during a freeze-thaw event, (2) to analyze the dynamics of the emissions of N2O and N2, (3) to quantify the contribution of nitrification and denitrification to the emission of N2O, and (4) to determine whether the length of freezing and of thawing affects the C availability for the denitrification. 15NOequation image was added to undisturbed soil columns, and the columns were subjected to 7 d of freezing and 5 d of thawing. N2O emissions were determined in 3 h intervals, and the concentrations of 15N2O and 15N2 were determined at different times during thawing. During the 12 d experiment, 5.67 mg NOequation image-N (kg soil)–1 was produced, and 2.67 mg NOequation image-N (kg soil)–1 was lost. By assuming as a first approximation that production and loss occurred exclusively during thawing, the average nitrate-production rate, denitrification rate, and immobilization rate were 1.13, 0.05, and 0.48 mg NOequation image-N (kg soil)–1 d–1, respectively. Immediately after the beginning of the thawing, denitrification contributed by 83% to the N2O production. The ratios of 15N2 to 15N2O during thawing were narrow and ranged from 1.5 to 0.6. For objective (4), homogenized soil samples were incubated under anaerobic conditions after different periods of freezing and thawing. The different periods did not affect the amounts of N2 and N2O produced in the incubation experiments. Further, addition of labile substrates gave either increases in the amounts of N2O and N2 produced or no changes which suggested that changes in nutrient availability due to freezing and thawing are only small.

Beitrag der Nitrifikation und der Denitrifikation zur N2O-Emission in einem Gefrier-Auftau-Experiment mit einem Ackerboden

Die Höhe der N2O-Emissionen, die in Gefrier-Auftau-Ereignissen freigesetzt werden, hängt von Standort- und Frostbedingungen ab und kann beträchtlich zur Gesamtsumme der jährlichen N2O-Emissionen beitragen. Bisher liegen aber nur wenige quantitative Informationen zu N-Transformationsraten während Gefrier-Auftau-Ereignissen vor. Ziele waren (1) die Quantifizierung der Brutto-Nitrifikation während eines Gefrier-Auftau-Ereignisses, (2) die Analyse der Dynamik der Emissionen von N2O und N2, (3) die Quantifizierung des Beitrags von Nitrifikation und Denitrifikation zu den N2O-Emissionen und (4) die Untersuchung des Einflusses der Länge der Gefrier-/Auftau-Perioden auf C-Verfügbarkeit und Denitrifikation. 15NOequation image wurde zu ungestörten Bodensäulen gegeben. Die Böden wurden 7 d gefroren und 5 d aufgetaut. Die N2O-Emissionen wurden in 3-stündigen Intervallen bestimmt und die Konzentrationen an 15N2O und 15N2 zu unterschiedlichen Zeiten während des Auftauens der Böden gemessen. Während des 12-tägigen Experimentes wurden 5,67 mg NOequation image-N (kg Boden)–1 produziert, und 2,67 mg NOequation image-N (kg Boden)–1 wurden umgesetzt. Unter der näherungsweisen Annahme, dass Produktion und Verlust ausschließlich während der Auftauphase auftraten, waren die durchschnittliche Nitratproduktionsrate, Denitrifikationsrate und Immobilisierungsrate 1,13, 0,05 und 0,48 mg NOequation image-N (kg Boden)–1 d–1. Direkt nach dem Beginn des Auftauens der Böden trug die Denitrifikation zu 83 % zur N2O-Produktion bei. Die Verhältnisse von 15N2 zu 15N2O während des Auftauens waren eng und reichten von 1,5 bis 0,6. Für Ziel (4) wurden homogenisierte Bodenproben unter anaeroben Bedingungen nach unterschiedlich langen Gefrier- und Auftauperioden inkubiert. Die unterschiedlich langen Perioden beeinflussten nicht die produzierten N2- und N2O-Mengen in den Inkubationsexperimenten. Die Zugabe von leicht abbaubaren C-Substraten führte entweder zu steigenden Produktionsraten von N2 und N2O oder zu keinen Änderungen. Dies weist darauf hin, dass die Änderungen in der Nährstoffverfügbarkeit aufgrund des Gefrierens und Auftauens nur sehr gering sind.