Wie Stickstoffemissionen das Klima verändern

Distickstoffoxid (N₂O), allgemein als Lachgas bekannt, ist ein starkes Treibhausgas, dessen atmosphärische Wachstumsrate sich in den letzten zehn Jahren beschleunigt hat – und zur Erderwärmung und Ozonzerstörung führt. Was man bereits wusste: Ein großer Anteil der N₂O-Emissionen resultiert aus dem im Boden enthaltenen Stickstoff, der über verschiedene abiotische und biologische Prozesse in N₂O umgewandelt wird. Eine aktuelle Studie zeigt jetzt, dass die Wiederbefeuchtung von Böden nach extremer Trockenheit zu großen N₂O-Emissionen führt - und schon in Dürreperioden signifikante N₂O-Emissionen entstehen.

Diese Entdeckung hat das Zusammenspiel zweier Projekte möglich gemacht: das vom FWF geförderte Projekt NitroTrace und das vom FFG geförderte Projekt LTER-CWN (Long Term Ecosystem Research for Carbon, Water and Nitrogen). Für die Studie wurden von einer Alm im Tiroler Stubaital Bodenblöcke (sogenannte Grünlandmonolithen) entnommen und im botanischen Garten der Universität Innsbruck extremer Trockenheit und einer anschließender Wiederbefeuchtung ausgesetzt. Diese Wetterbedingungen spiegeln die klimatischen Veränderungen wider, denen viele Regionen der Erde, darunter auch die Alpen, zunehmend ausgesetzt sind. „Unser Ziel war es, den Nettoeffekt von Trockenheit und Wiederbefeuchtung auf den Entstehungsprozess von N₂O und seine Emissionen zu quantifizieren, der derzeit weitgehend unerforscht ist“, so Eliza Harris und Michael Bahn von der Forschungsgruppe Funktionelle Ökologie an der Uni Innsbruck. Entgegen der Lehrmeinung hat der Prozess der Nitrifikation, also der Umwandlung von Ammonium in Nitrat, der bei Trockenheit vorherrschend ist, keine signifikante Rolle für die N₂O Produktion gespielt, sondern eine Kombination von abiotischen Prozessen und erstaunlicherweise, die Denitrifikation. Letztere kennt man bisher vor allem aus vernässten Böden.

Neuartiges Analyseverfahren

Ausschlaggebend für den Forschungserfolg war der Einsatz des Laserisotopenspektroskops, das die Universität für Bodenkultur Wien gemeinsam mit der Universität Wien angeschafft hatte. „Mit dieser neuartigen Analysetechnik können wir die Isotopenzusammensetzung von N₂O bestimmen. So erhalten wir einen Fingerabdruck für die zugrunde liegenden Prozesse, die für das emittierte N₂O verantwortlich sind, was uns wiederum hilft, die mikrobielle Rolle bei seiner Bildung besser zu verstehen “, betont Eliza Harris die Bedeutung dieses Verfahrens. BOKU-Forscher*innen sind für diese hochmoderne Instrumentierung verantwortlich, die diese neuen Erkenntnisse ermöglichte: „Nun können wir uns endlich erklären, warum wir selbst bei extremer Dürre Lachgasemission beobachten“, so Eugenio Diaz-Pines und Sophie Zechmeister-Boltenstern vom Institut für Bodenforschung an der BOKU. „Dies wird Auswirkungen auf zukünftige Empfehlungen für die Landwirtschaft haben.“

Fingerabdruck von Lachgas-Emissionen

Mit Hilfe von molekularökologischen Analysen konnte das Forscher*innen-Team auch bestimmen, welche Gene und Mikroben an der Stickstoff-Transformation beteiligt waren. Außerdem halfen räumliche Analysetechniken, die elementare Zusammensetzung und Verteilung im Boden zu bestimmen. Die Forscher*innen erhoffen sich, durch diese Methoden in ähnlichen Forschungsprojekten weitere Erkenntnisse zu Rückkoppelungseffekten zwischen Klimaveränderungen und dem Stickstoffkreislauf zu erhalten. Langfristiges Ziel ist es, mit Modellen die Emissionsdynamik von Ökosystemen vor dem Hintergrund klimatischer Veränderungen voraussagen zu können.

Die Studie ist in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Science Advances erschienen:

E. Harris, E. Diaz-Pines, E. Stoll, M. Schloter, S. Schulz, C. Duffner, K. Li, K. L. Moore, J. Ingrisch, D. Reinthaler, S. Zechmeister-Boltenstern, S. Glatzel, N. Brüggemann, M. Bahn, Denitrifying pathways dominate nitrous oxide emissions from managed grassland during drought and rewetting. Sci. Adv. 7, eabb7118 (2021).
https://doi.org/10.1126/sciadv.abb7118

Kontakt:
Dr. Eugenio Diaz-Pines
Universität für Bodenkultur Wien
Institut für Bodenforschung
Email: eugenio.diaz-pines(at)boku.ac.at
Tel.: +43 (0) 670 2056125