Dürre-Effekte auf N2O-Prozesse in Grasland

Klimaprognosen lassen in in den kommenden Jahrzehnten den ein häufigeres und intensiveres Auftreten von Dürreereignissen erwarten, von denen auch der Alpenraum betroffen sein wird. Neben dem Klimawandel beeinflusst auch der rapide Wandel in der Landschaftsnutzung Gebirgsökosysteme nachhaltig. Dies kann zu starken Veränderungen der Stoffkreisläufe führen, die die Freisetzung von Treibhausgasen und damit wiederum das Klima beeinflussen können. Lachgas (N2O) ist eines der wichtigsten Treibhausgase und verringert das Ozon in der Stratosphäre. N2O wird hauptsächlich durch zwei zwei mikrobielle Prozesse aus den Böden freigesezt: Nitrifikation und Dentrifikation. Obwohl diese Prozesse sowohl das Ausmaß der N2O Emissionen, als auch zahlreiche andere umweltrelevante Folgen von Düngung bestimmen, sind sie bislang noch kaum im Detail erforscht. Insbesondere ist die Bedeutung von Sommerdürre und der nachfolgenden Wiederbefeuchtung von Böden für die Rolle der Nitrifikation und Dentrifikation hinsichtlich der N2O Emissionen noch unzureichend verstanden. Diese Studie wird den Einfluss von Dürre auf N2O Emissionen in unterschiedlichen Graslandsystemen untersuchen: in einer bewirtschafteten und einer aufgelassenen Bergwiese im Stubaital (Tirol) und einer stärker gedüngten Futterwiese in Gumpenstein (Steiermark). Dabei soll die Hypothesen geprüft werden, dass 1) bei Dürre die mikrobielle Aktivität und und in Folge die N2O Emissionen reduziert werden, und dass 2) in Folge der Wiederbefeuchtung der Böden durch Starkniederschläge nach der Dürre N2O Emissionen aufgrund von Denitrifikation stark ansteigen werden. Weiters erwarten wir, dass Düngung das Ausmaß und die Dynamik der Lachgasemissionen, insbesondere im Zuge der Wiederbefeuchtung erhöht und dass sich Dürreeffekte in einem künftigen wärmeren Klima bei höheren atmosphärischen CO2- Konzentrationen verstärken. Um den komplexen Stickstoffkreislauf in Böden und seine Bedeutung für Lachgasemissionen zu untersuchen, werden wir verschiedene neuartige isotopenbasierte Technologien optimieren und einsetzen. Isotope sind natürlich vorkommende Atome unterschiedlicher Masse, die es uns ermöglichen, die Reaktionen zu erkennen und zu quantifizieren. Wir werden die Isotopenzusammensetzung von N2O mit einem neu entwickelten Lasersystem messen, welches uns in der eine schnelle und präzise Messung in Ökosystemen ermöglicht. Wir werden N2O sowohl an der Bodenoberfläche als auch in verschiedenen Bodentiefen messen, um einschätzen zu können, wie sich Dürre in diesen unterschiedlichen Bereichen auswirkt. Außerdem werden wir die NanoSIMS-Technologie einsetzen, um die Reaktionen von Stickstoff innerhalb von Bodenpartikeln auf einer Skala von weniger als einem tausendstel Millimeter. Die Ergebnisse der Studie werden in einem Computermodell des Stickstoffkreislaufs verwendet, um anhand der zugrunde liegenden Prozesse die N2O Emissionen von Graslandsystemen für in die kommenden Jahrzehnte vorherzusagen. Diese Studie ist die erste feldversuchsbasierte Untersuchung, welche die vielschichtigen Auswirkungen von Dürre, Klimawandel und veränderter Landnutzung auf N2O Emissionen untersuchen wird, um dadurch wichtige Informationen für zukünftige Nutzungen von alpinen Landschaften zu erhalten und die Emissionen dieses stark klimawirksamen Spurengases zu reduzieren.

Das interdisziplinäre NitroTrace-Projekt hatte zum Ziel, die Quellen und Senken des wichtigen Treibhausgases Lachgas (Distickstoffoxid; N2O) in Grasland in einem sich verändernden Klima zu verstehen. Die Hauptquelle von N2O durch menschliche Aktivitäten ist die Emission aus landwirtschaftlichen Böden nach Stickstoffdüngung. N2O verursacht besondere Umweltbedenken, da die Emissionen von Lachgas und damit seine Konzentration in der Atmosphäre derzeit rasch ansteigen. Im Rahmen von NitroTrace wurden Messungen von N2O-Isotopen als einzigartige "Fingerabdrücke" verwendet, um die Prozesse zu verfolgen, die zur N2O-Produktion im Klimawandel führen. Dieser Ansatz sollte dazu beitragen, effektive Möglichkeiten zur Reduzierung dieser Emissionen zu finden. Zu diesem Zweck haben wir Kammern zur Messung von Bodengasemissionen direkt mit einem Isotopenspektrometer verbunden, um die Isotopenzusammensetzung von N2O zu messen. Unsere ersten Erkenntnisse zeigten die unerwartet wichtige Rolle des "Denitrifikationswegs" in von Trockenheit betroffenen Böden, was Auswirkungen auf das Stickstoffmanagement in Trockengebieten hat. Weitere Messungen, die noch ausgewertet werden, werden die kombinierten Auswirkungen von Temperaturanstieg, erhöhtem CO2 und Dürre auf den Stickstoffkreislauf und die N2O-Emissionen von Grasland aufzeigen. Im Rahmen von NitroTrace entwickelten wir zwei neue Modellierungswerkzeuge. Das "TimeFRAME"-Tool verwendet einen Bayes'schen Ansatz, um verschiedene Unsicherheitsquellen zu berücksichtigen, was es uns ermöglicht, Produktions- und Verbrauchspfade von Spurengasen auf der Grundlage von Isotopendaten zu quantifizieren. Das Modell "IsoTONE" verwendet die globale Isotopenzusammensetzung von Bodenstickstoff als Proxy für N2O-Emissionen. Mit IsoTONE konnten wir zeigen, dass sowohl die Klimaerwärmung als auch die Verschiebung der Stickstoffdüngung in Richtung tropischer und subtropischer Regionen zum globalen Anstieg der N2O-Emissionen beitragen.