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) 24.3.217
Neues Haubendesign TI-AK Folie 2 24.3.217
N 2 O con 32 31 N338.4 2 O Konzentrations- 338.6 338.8 339 339.2 und 339.4 Flussmessungen 339.6 DOY Riso campaign 213 - Willow (harvested, fertilized) N 2 O concentration (ppb) 1 9 8 7 6 5 4 B High flux regime QCL Vial/GC QCL TI-AK GC TI-AK 3 17.6 17.7 17.8 17.9 18 18.1 18.2 18.3 18.4 DOY Folie 3 24.3.217
Lineare vs. nicht-lineare Flussberechnung N 2 O flux ( g N m -2 h -1 ) 12 1 8 6 4 2 A 3-min closure (lin) 6-min and 1-min closure (exp) 14 15 16 17 18 19 11 111 DOY N 2 O flux from 6-min closure (exp) ( g N m -2 h -1 ) 1 8 6 4 2 B y = 1.8x-32 r 2 =.85 RMSE = 46.537 n = 19 1:1 line Regression line 2 4 6 8 1 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 ) 5 4 3 2 1 C 3-min closure (lin) 6-min and 1-min closure (exp) 14 15 16 17 18 19 11 111 DOY N 2 O flux, 6-min closure (exp) ( g N m -2 h -1 ) 2 15 1 5 D y =.989x+3.8 r 2 =.93 RMSE = 1.331 n = 13 1:1 line Regression line 5 1 15 2 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 4 24.3.217
GC vs. QCL T a, T c ( C) 3 2 1 A Braunschweig campaign 212 - Grassland B Riso campaign 213 - Willow (harvested) 3 2 1 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 ) -1 4 3 2 1-1 -2 3 2 1 C E 315 32 325 33 335 34 345 DOY in 212 D F 14 15 16 17 18 19 11 111 DOY in 213-1 6 5 4 3 2 1 3 2 1 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 5 24.3.217
GC vs. QCL F N2 O, GC ( g N m-2 h -1 ) 8 6 4 2 Braunschweig 212 A 1:1 line Regression line y =.869x-.28 r 2 =.36 RMSE = 11.3 n = 187-2 -2 2 4 6 8 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 = 48.96 n = 31 2 4 6 F N2 O, QCL ( g N m-2 h -1 ) 6 5 4 3 2 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 ) 25 2 15 1 5 Braunschweig 212 C Riso 213 D 25 2 15 1 5 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 -2 2 4 6 8 F N2 O ( g N m-2 h -1 ) 2 4 6 F N2 O ( g N m-2 h -1 ) Brümmer et al. (217), Biogeosciences Folie 6 24.3.217
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 7 24.3.217
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 8 24.3.217
concentration (ppb) TRANC Validierung TRANC vs. (GRAEGOR + CLD + BLC) 8 7 6 5 4 3 2 1 6.8.6 7.8.6 8.8.6 9.8.6 1.8.6 11.8.6 12.8.6 13.8.6 14.8.6 NO NO2 NH3 NH4+ HNO3 NO3- HONO weitere Tests zur: Nr (TRANC-CLD) Konversionseffizienz Ansprechzeiten EC tauglich Folie 9 24.3.217
Quanten-Kaskaden-Laser (QCL) für NH 3 Folie 1 24.3.217
Kampagnenstandorte 5 km http://maps.google.de/maps?hl=de&tab=wl http://www.smartraveller.gov.au/zwiki/images/regions/maps/ jpeg/germany.jpg Moorstandort Bourtanger Moor, Emsland Agrarstandorte Meppen, Posieux (CH), BS Waldstandort Forellenbach, Bay. Wald Folie 11 24.3.217
(ppb) Bourtanger Moor: Treiber des NH 3 -Austauschs 3 2 1 : 6: 12: 5 NH 3 Flux (ng m -2 s -1 ) -5-1 18: 24: : 6: 12: 18: 24: Zöll et al. (216), ACP Folie 12 24.3.217
NH 3 -Messungen vs. Modellierung Zöll et al. (216), ACP Folie 13 24.3.217
Kumulierter Netto-Austausch von N r Emission Deposition Net exchange Cumulative NEE (kg N ha -1 ).1 -.1 -.2 -.3 -.4 -.5 -.6 Winter wheat Fertilization Low total net deposition:.1 kg ha -1 N r flux (ng N m -2 s -1 ) 4 32 24 16 8.9 kg N ha -1 : : : : Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 27 28 Brümmer et al. (213), Tellus B Folie 14 24.3.217
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 15 24.3.217
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 16 24.3.217
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 24.3.217 www.thuenen.de