Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-4301
Authors: Feig, Gregor Timothy
Title: Soil biogenic emissions of nitric oxide from arid and semi-arid ecosystems
Online publication date: 11-Mar-2009
Year of first publication: 2009
Language: english
Abstract: The biogenic production of NO in the soil accounts for between 10% and 40% of the global total. A large degree of the uncertainty in the estimation of the biogenic emissions stems from a shortage of measurements in arid regions, which comprise 40% of the earth’s land surface area. This study examined the emission of NO from three ecosystems in southern Africa which cover an aridity gradient from semi-arid savannas in South Africa to the hyper-arid Namib Desert in Namibia. A laboratory method was used to determine the release of NO as a function of the soil moisture and the soil temperature. Various methods were used to up-scale the net potential NO emissions determined in the laboratory to the vegetation patch, landscape or regional level. The importance of landscape, vegetation and climatic characteristics is emphasized. The first study occurred in a semi-arid savanna region in South Africa, where soils were sampled from 4 landscape positions in the Kruger National Park. The maximum NO emission occurred at soil moisture contents of 10%-20% water filled pore space (WFPS). The highest net potential NO emissions came from the low lying landscape positions, which have the largest nitrogen (N) stocks and the largest input of N. Net potential NO fluxes obtained in the laboratory were converted in field fluxes for the period 2003-2005, for the four landscape positions, using soil moisture and temperature data obtained in situ at the Kruger National Park Flux Tower Site. The NO emissions ranged from 1.5-8.5 kg ha-1 a-1. The field fluxes were up-scaled to a regional basis using geographic information system (GIS) based techniques, this indicated that the highest NO emissions occurred from the Midslope positions due to their large geographical extent in the research area. Total emissions ranged from 20x103 kg in 2004 to 34x103 kg in 2003 for the 56000 ha Skukuza land type. The second study occurred in an arid savanna ecosystem in the Kalahari, Botswana. In this study I collected soils from four differing vegetation patch types including: Pan, Annual Grassland, Perennial Grassland and Bush Encroached patches. The maximum net potential NO fluxes ranged from 0.27 ng m-2 s-1 in the Pan patches to 2.95 ng m- 2 s-1 in the Perennial Grassland patches. The net potential NO emissions were up-scaled for the year December 2005-November 2006. This was done using 1) the net potential NO emissions determined in the laboratory, 2) the vegetation patch distribution obtained from LANDSAT NDVI measurements 3) estimated soil moisture contents obtained from ENVISAT ASAR measurements and 4) soil surface temperature measurements using MODIS 8 day land surface temperature measurements. This up-scaling procedure gave NO fluxes which ranged from 1.8 g ha-1 month-1 in the winter months (June and July) to 323 g ha-1 month-1 in the summer months (January-March). Differences occurred between the vegetation patches where the highest NO fluxes occurred in the Perennial Grassland patches and the lowest in the Pan patches. Over the course of the year the mean up-scaled NO emission for the studied region was 0.54 kg ha-1 a-1 and accounts for a loss of approximately 7.4% of the estimated N input to the region. The third study occurred in the hyper-arid Namib Desert in Namibia. Soils were sampled from three ecosystems; Dunes, Gravel Plains and the Riparian zone of the Kuiseb River. The net potential NO flux measured in the laboratory was used to estimate the NO flux for the Namib Desert for 2006 using modelled soil moisture and temperature data from the European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ECMWF) operational model on a 36km x 35km spatial resolution. The maximum net potential NO production occurred at low soil moisture contents (<10%WFPS) and the optimal temperature was 25°C in the Dune and Riparian ecosystems and 35°C in the Gravel Plain Ecosystems. The maximum net potential NO fluxes ranged from 3.0 ng m-2 s-1 in the Riparian ecosystem to 6.2 ng m-2 s-1 in the Gravel Plains ecosystem. Up-scaling the net potential NO flux gave NO fluxes of up to 0.062 kg ha-1 a-1 in the Dune ecosystem and 0.544 kg h-1 a-1 in the Gravel Plain ecosystem. From these studies it is shown that NO is emitted ubiquitously from terrestrial ecosystems, as such the NO emission potential from deserts and scrublands should be taken into account in the global NO models. The emission of NO is influenced by various factors such as landscape, vegetation and climate. This study looks at the potential emissions from certain arid and semi-arid environments in southern Africa and other parts of the world and discusses some of the important factors controlling the emission of NO from the soil.
Die biogene NO Produktion im Boden ist am global totalen NO Freisetzung zu 10-40% beteiligt. Die überwiegend Ungewissheit der Schätzungen stammt aus mangelnden Messungen in den ariden Regionen, welche 40% der gesamten Landfläche der Erde ausmacht. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, die NO Freisetzung aus den drei Ökosystemen in südlichen Teil von Afrika, welche eine Ariditätsstufe von Semiarid Savanne in Südafrika bis extrem arid Namib Wüste in Namibia beschreibt, zu untersuchen. In dieser Arbeit wurde Laborexperiment vorgenommen, aus denen die Abhängigkeit der NO Freisetzung von Bodenfeuchte und Bodentemperatur abgleitet wurde. Es wurde unterschiedliche Methoden benutzt, um die Vegetationstypen, Landschaftsebene sowie Regionalebene bedingten Unterschiede von NO Freisetzung bezogen auf den Standort Punktmessdaten im Labor zu regionalisieren und die wichtige Bedeutung von Vegetationstypen, Landschaftsebene und Klimaverhältnisse wurde hervorgehoben. In der ersten Studie wurde semiarid Savanne in Südafrika als Untersuchungsgebiet ausgewählt und dazu sind Bodenproben vier unterschiedlicher Landschaftsebene von Kruger National Park im Labor untersucht. Der optimale Feuchtezustand, bei dem die NO-Freisetzung ein Maximum erreicht, sind 10-40%. Hier wird die höchste NO-Freisetzung bei der tief gelegenen Landschaft beobachtet, in der die höchste Stickstoffbestände - und Zufuhr haben. Die im Labor gemessene Netto-Freisetzungsrate wurde für den Zeitraum 2003-2006 in den NO-Fluß im Feld umgewandelt, die in Verbindung mit den gemessenen Bodenfeuchten und Temperaturen für vier Standort von Kruger National Park erfolgt wurde. Es zeigt sich eine Kurvenbereich der jährlichen Freisetzungsraten von 1,5 bis 8,5 kg ha-1. Es wurde punkthaft geschätzter NO-Fluß im Feld durch die Verwendung eines Geographischen Informationssystems (GIS) auf die Fläche des Untersuchungsgebiets - Skukuza übertragen und die Maximum NO wird von Mittelhang freigesetzt. Die gesamte Emission schwankt von 20x103 kg in 2004 bis 34x103 kg in 2003 für Skukuza Landschaft (56000 ha). Das zweite Untersuchungsgebiet befindet sich im ariden Ökosystem Savanne – Kalahari (Botswana). Die Bodenprobe nach vier verschiedenen Vegetationstypen, die sich voneinander als Pan, annuelle Grassland, ganzjährig Grassland und Buschland unterscheidet, von Verfasser genommen. Die Maximum Netto-Freisetzungsrate ergibt sich für Pan 0.27 ng m-2 s-1, während es bei ganzjährig Grassland 2.95 ng m-2 s-1 liegt. Die Netto-Freisetzungsrate wurde für den Zeitraum Dezember 2005 bis November 2006 für das ganze Untersuchungsgebiet übertragen. Dazu wurden zuerst die Netto-Freisetzungsrate von NO im Labor gemessen, dann die flächendeckende Daten für Vegetationstype (Landsat), Bodenfeuchte (ENVISAT ASAR) und Bodentemperatur (MODIS 8 day land surface temperature) erhoben. Der regionalisierte NO-Fluß hat gezeigt, dass die monatliche niedrigste Freisetzung in den Wintermonaten (Juni - Juli) mit einer Wert von 1,8 g ha-1 sich ergibt, während es im Sommer 323 g ha-1 erreicht. Die höchsten NO-Fluß wurde im ganzjährig Grassland und die niedrigsten im Pan gemessen. Die jährliche NO Freisetzung wurde etwa 0.54 kg ha-1 geschätzt, dabei gehen 7,4% von Stickstoffzufuhr der Region in die Atmosphäre verloren. Die dritte Untersuchung wurde in extrem ariden Namib Wüste durchgeführt und dabei wurde Bodenprobe von drei verschiedenen Ökosystemen d.h. Sanddünen, kiesige Ebene und Uferbereich von Kuiseb Fluss genommen. Für die Schätzung der NO Freisetzung vom Untersuchungsgebiet wurde die Bodenfeuchte und Temperatur Modeldaten von ECMWF model für 2006 benutzt, welche eine räumliche Auflösung von 36km x 35km hat. Generell traten die höchsten Netto potentiellen NO Produktion in Sanddünnen und Flussufer mit einer Bodenfeuchte weniger als 15 % (WFPS) und Bodentemperatur 25°C, was aber in der kiesige Ebene bei 35°C der Fall ist. Die Maximum Werte ergibt sich für Flussufer 3.0 ng m-2 s-1, wobei die Werte in kiesige Ebene bei 6.2 ng m-2 s-1 lagen. Die NO-Fluß Ergebnisse der Regionalisierung hat gezeigt, dass die Werte der jährlichen Freisetzung in Sanddünen bis 0.062 kg ha-1 und in der kiesige Ebene bis 0.544 kg h-1 erreicht. Diese Arbeit hat sich gezeigt, dass bisherige emittierte NO von terrestrischen Ökosystem wie z. B. NO Freisetzung von Wüste und Buschland einen Beitrag zur globalen NO Modellen leisten sollte. Aus Ergebnissen wird gefolgt, dass die Landschaftsebene, Vegetation sowie Klimaverhältnisse die wichtige Einflussfaktoren für die NO Freisetzung sind. In dieser Arbeit wurde raumbezogene potentiellen NO Freisetzung unter den ariden und semiariden geographischen Gegebenheiten in südlichen Teil von Afrika und andere Teil der Erde erfasst und über die wichtige Kontrollfaktoren von NO Freisetzung von Boden diskutiert.
DDC: 550 Geowissenschaften
550 Earth sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4301
URN: urn:nbn:de:hebis:77-19102
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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