Neue Messmethoden zur Bestimmung des Biosphäre- Atmosphäre-Austauschs verschiedener N-Verbindungen

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1 ICOS-D Wissenschaftliche Versammlung Neue Messmethoden zur Bestimmung des Biosphäre- Atmosphäre-Austauschs verschiedener N-Verbindungen C. Brümmer, U. Zöll, F. Schrader, J.-P. Delorme, D. Lempio, J.J. Rüffer Thünen-Institut für Agrarklimaschutz (TI-AK) Neues Haubendesign Lineare vs. nicht-lineare Flussberechnung GC vs. QCL NH 3 und N r Eddy-Kovarianz-Messungen NH 3 -Quantenkaskaden-Laser Konvertersystem für N r -Verbindungen Institut für Agrarklimaschutz (TI-AK)

2 Neues Haubendesign TI-AK Folie

3 N 2 O con N O Konzentrations und Flussmessungen DOY Riso campaign Willow (harvested, fertilized) N 2 O concentration (ppb) B High flux regime QCL Vial/GC QCL TI-AK GC TI-AK DOY Folie

4 Lineare vs. nicht-lineare Flussberechnung N 2 O flux ( g N m -2 h -1 ) A 3-min closure (lin) 6-min and 1-min closure (exp) DOY N 2 O flux from 6-min closure (exp) ( g N m -2 h -1 ) B y = 1.8x-32 r 2 =.85 RMSE = n = 19 1:1 line Regression line N 2 O flux from 3-min closure (lin) ( g N m -2 h -1 ) Abweichungen bei hohen Flüssen SE of N 2 O flux ( g N m -2 h -1 ) C 3-min closure (lin) 6-min and 1-min closure (exp) DOY N 2 O flux, 6-min closure (exp) ( g N m -2 h -1 ) D y =.989x+3.8 r 2 =.93 RMSE = n = 13 1:1 line Regression line N 2 O flux, 3-min closure (lin) ( g N m -2 h -1 ) Gute Übereinstimmung bei F < 2 g N m -2 h -1 Brümmer et al. (217), Biogeosciences Folie

5 GC vs. QCL T a, T c ( C) A Braunschweig campaign Grassland B Riso campaign Willow (harvested) T a, T c ( C) SE of N N 2 O flux ( g N m -2 h -1 ) 2 O flux ( g N m -2 h -1 ) C E DOY in 212 D F DOY in N 2 O flux ( g N m -2 h -1 ) SE of N 2 O flux ( g N m -2 h -1 ) Mittelwerte der Kampagnen stimmen bei niedrigen Flüssen überraschend gut überein Unterschätzung durch GC-Methode bei hohen Flüssen Brümmer et al. (217), Biogeosciences Folie

6 GC vs. QCL F N2 O, GC ( g N m-2 h -1 ) Braunschweig 212 A 1:1 line Regression line y =.869x-.28 r 2 =.36 RMSE = 11.3 n = F N2 O, QCL ( g N m-2 h -1 ) Riso 213 1:1 line B Regression line y =.496x+26 r 2 =.48 RMSE = n = F N2 O, QCL ( g N m-2 h -1 ) F N2 O, GC ( g N m-2 h -1 ) Unterschätzung durch GC-Methode bei hohen Flüssen liegt bei 5% Kammerschließzeit zwischen 5 und 1 Minuten ist ausreichend SE of F N2 O ( g N m-2 h -1 ) Braunschweig 212 C Riso 213 D SE of F N2 O ( g N m-2 h -1 ) Messintervall von 5 s ist ausreichend Kurze Schließzeiten und hohe Auflösung ermöglichen Untersuchungen von diurnalen Verläufen F N2 O ( g N m-2 h -1 ) F N2 O ( g N m-2 h -1 ) Brümmer et al. (217), Biogeosciences Folie

7 Methodik für reaktive nicht-reaktive Stoffe Eddy covariance DELTA-Denuder NH 3 - TRANC + CLD KAPS-Denuder QCL HNO 3 HNO 2 NH 3 NO 2 NO pno 3 pnh 4 Eddy covariance IRGA Photosynthesis CO 2 Ecosystem Respiration Chamber measurements N 2 O QCL CH 4 Folie

8 TRANC Konverterdesign Total Reactive Atmospheric Nitrogen Converter (Marx et al., 212, Ammann et al., 212, Brümmer et al. 213) NH 3 HNO 3 HNO 2 pnh 4 pno 3 NO NO 2 Stainless steel tube FeNiCr tube Gold tube CO NO Power supply, 8 A, 5 V Folie

9 concentration (ppb) TRANC Validierung TRANC vs. (GRAEGOR + CLD + BLC) NO NO2 NH3 NH4+ HNO3 NO3- HONO weitere Tests zur: Nr (TRANC-CLD) Konversionseffizienz Ansprechzeiten EC tauglich Folie

10 Quanten-Kaskaden-Laser (QCL) für NH 3 Folie

11 Kampagnenstandorte 5 km jpeg/germany.jpg Moorstandort Bourtanger Moor, Emsland Agrarstandorte Meppen, Posieux (CH), BS Waldstandort Forellenbach, Bay. Wald Folie

12 (ppb) Bourtanger Moor: Treiber des NH 3 -Austauschs : 6: 12: 5 NH 3 Flux (ng m -2 s -1 ) : 24: : 6: 12: 18: 24: Zöll et al. (216), ACP Folie

13 NH 3 -Messungen vs. Modellierung Zöll et al. (216), ACP Folie

14 Kumulierter Netto-Austausch von N r Emission Deposition Net exchange Cumulative NEE (kg N ha -1 ) Winter wheat Fertilization Low total net deposition:.1 kg ha -1 N r flux (ng N m -2 s -1 ) kg N ha -1 : : : : Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Brümmer et al. (213), Tellus B Folie

15 Zusammenfassung Technischer Teil TRANC erfolgreich getestet Wiederfindungsraten der wichtigsten N-Verbindungen Ansprechzeiten EC Kompakt, robust, relativ handlich 1 Konverter für N r Kontinuierliche Messungen des N r Austauschs ABER: Netto-Austausch keine Trennung zwischen (Brutto-) Emission und Deposition möglich; keine Unterscheidung in einzelne N-Verbindungen möglich QCL Methodik ermöglicht NH 3 Konzentrations- und Flussmessungen sowohl an Emissions- Hotspots als auch an emittentenfernen Standorten Folie

16 Zusammenfassung Ökosystemarer Teil Kontrollfaktoren des N r -Biosphäre-Atmosphäre Austauschs: N r Konzentration in der bodennahen Atmosphäre Ökosystemtyp (nitrophile Pflanzen N-limitierte Standorte) N-Gehalt/Zustand der Pflanzen ( NH 3 Kompensationspunkt) Management ( Düngung) Mikrometeorologie (Turbulenz, Oberflächenrauhigkeit, R s, T a ) Neue Messmethodik hilft bei Untersuchungen zur: Quantifizierung atmosphärischer N-Einträge Überschreitung der Critical Loads Prozessverständnis ( bi-direktionaler NH 3 -Austausch) Optimierung der Düngerzugaben ( Zeitpunkt, Menge) Folie

17 Thank you! Financial support through BMBF, BMEL and UBA is highly appreciated Junior Research Group NITROSPHERE with UBA project FORESTFLUX BMBF SPACES project ARS AfricaE Team Eva Falge Undine Zöll Jean-Pierre Delorme Mathias Lewandowski Frederik Schrader Jeremy Rüffer Christian Brümmer Kanisios Mukwashi Sampie Mathebe