Lachgasemissionen aus Maisgürtelböden steigen, wenn Böden gefrieren und auftauen

Lachgas kommt in der Atmosphäre zwar viel seltener vor als Kohlendioxid, aber als Treibhausgas ist es der Hammer. Mit einer 300-mal stärkeren Wirkung als CO2 erfordert das Erwärmungspotenzial von Lachgas, insbesondere durch die Landwirtschaft, Aufmerksamkeit.

Forscher der University of Illinois und der University of Minnesota beantworten den Aufruf. In einer neuen Studie dokumentieren sie einen übersehenen, aber entscheidenden Zeitrahmen für Stickoxid (N2O)-Emissionen in landwirtschaftlichen Systemen im Mittleren Westen der USA: die anbaufreie Zeit.

„Die Stickoxidemissionen aus landwirtschaftlichen Böden wurden hauptsächlich während der Vegetationsperiode untersucht. Frühere Untersuchungen zeigen, dass N2O-Emissionen außerhalb der Vegetationsperiode in einigen Jahren bis zu 70–90 % der jährlichen Emissionen ausmachen können, aber es ist nicht klar, wie genau dieser Bereich ist im Mittleren Westen oder welche Prozesse und Managementpraktiken im Herbst und Winter zu diesen Emissionen beitragen“, sagt Yufeng Yang, Hauptautor der Studie und Doktorand an der U of M.

Yang und seine Co-Autoren verwendeten ein als ecosys bekanntes Computersimulationsmodell, um die Hotspots und „heißen Momente“ für N2O-Emissionen im gesamten Mittleren Westen zu bestimmen. Insbesondere untersuchten sie die Klima- und Umweltfaktoren, die zu den N2O-Emissionen beitragen, von Landkreis zu Landkreis während der Nicht-Wachstumsperioden zwischen 2001 und 2020. Sie untersuchten auch die Auswirkungen des Zeitpunkts der Düngemittelausbringung und der Nitrifikationshemmstoffe.

„Diese Validierungsstudie zeigt, dass das ecosys-Modell die N2O-Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden in der Nicht-Wachstumszeit realistisch simulieren kann. Das bedeutet, dass wir jetzt über eine robuste Methode verfügen, um die Beiträge von Umweltvariablen und den Zeitpunkt der Stickstoffanwendung zu diesem wichtigen Treibhausgas zu quantifizieren“, sagt er Studienkoautor Kaiyu Guan, außerordentlicher Professor am Institut für natürliche Ressourcen und Umweltwissenschaften und Gründungsdirektor des Agroecosystem Sustainability Center an der U of I.

Erstens stellten die Forscher fest, dass die Nicht-Wachstumszeit im Mittleren Westen für ein breites Spektrum an jährlichen N2O-Emissionen verantwortlich war: 6 bis 60 %. Die Variation könnte auf Unterschiede auf Bezirksebene zurückgeführt werden, wobei die Emissionswerte für Bezirke in den südöstlichen und nordwestlichen Extremen der Region voneinander abweichen.

N2O-Emissionen aus dem Boden sind das Ergebnis mikrobieller Prozesse, die Stickstoff von einer Form in eine andere umwandeln. Umweltbedingungen, wie die Menge an Feuchtigkeit und Sauerstoff im Boden, die Bodentemperatur oder die Menge der Schneedecke auf der Bodenoberfläche, beeinflussen, wie viel und wie schnell Mikroben Stickstoff metabolisieren können, sowie die Fähigkeit, gasförmige Stickstoffprodukte zu sein in die Atmosphäre freigesetzt.

Das ecosys-Modell hat diese Umwelttreiber in der gesamten Region erkannt und größere Emissionen in Landkreisen mit mehr als 12 Zoll Niederschlag außerhalb der Vegetationsperiode hervorgehoben. Aber die Forscher suchten nach noch mehr Details, um das Muster zu erklären.

„Ein intensiveres Gefrieren, das durch eine niedrigere Lufttemperatur verursacht wurde, war der dominierende Faktor, der zu erhöhten N2O-Emissionen außerhalb der Vegetationsperiode im südöstlichen Mittleren Westen führte. Im Nordwesten waren vermehrte Niederschläge und eine erhöhte Lufttemperatur während der Auftauzyklen die Hauptursachen für die Erhöhung des N2O außerhalb der Vegetationsperiode Produktion“, sagt Yang.

Die langfristigen Aussichten für diese regionalen Unterschiede können sich jedoch unter einem sich ändernden Klima ändern. Yang simulierte zukünftige Klimaszenarien und fand weniger Gefrieren und Auftauen, was möglicherweise die Spitzen dämpft, die derzeit unter diesen Bedingungen auftreten.

Das Team fand auch heraus, dass die Auswirkungen des Zeitpunkts der Ausbringung von Stickstoffdünger je nach Landkreis unterschiedlich waren. Im Allgemeinen waren die Emissionen bei der Anwendung im Herbst größer als bei der Anwendung im Frühjahr.

„Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Verlagerung der Herbstanwendung auf die Frühjahrsanwendung und die Anwendung von Nitrifikationshemmern zu beiden Zeitpunkten die jährlichen N2O-Emissionen auf regionaler Ebene stark reduzieren und auch die Stickstoffauswaschung reduzieren können“, sagt Studienkoautor Ziyi Li, Doktorand, der unter studiert Guan an der U von I.

Aber dieser Effekt war nicht universell. Felder im Westen des Untersuchungsgebiets verzeichneten bei Herbstanwendung weniger Emissionen.

„Wissenschaftler schlagen immer vor, auf Frühjahrsdüngung umzusteigen, aber das ist keine Schwarz-Weiß-Geschichte. Unser Modell ermöglicht es den Landwirten, gezielte Empfehlungen speziell für ihre Felder zu erhalten“, sagt Zhenong Jin, korrespondierender Autor, Projektleiter und Assistenzprofessor im Bereich Digitale Landwirtschaft Gruppe an der U of M.

Die Forscher sagen, dass das Modell verwendet werden könnte, um die Auswirkungen zusätzlicher Bewirtschaftungsstrategien wie Deckfruchtanbau und Direktsaat auf die N2O-Emissionen zu bewerten.

„Unter dem Strich haben wir jetzt eine hochgenaue Methode zur Schätzung der N2O-Emissionen auf Bezirksebene im Maisgürtel. Wir haben die Nicht-Wachstumszeit unterschätzt, aber es stellt sich heraus, dass sie einen ziemlich erheblichen Teil der jährlichen N2O-Emissionen ausmacht. “, sagt Jin.

Die Studie ist erschienen in Agrar- und Forstmeteorologie.