De 16 gräsmarksmonoliterna kommer från Kaserstattalm i tyrolska Stubaital - en plats för långsiktig ekosystemforskning. Kredit:Eliza Harris
Forskare under ledning av Eliza Harris och Michael Bahn från Institutet för ekologi vid universitetet i Innsbruck har lyckats studera utsläppen av växthusgasen N 2 O under påverkan av miljöpåverkan i en aldrig tidigare skådad detaljnivå. Studien, som nu har publicerats i Vetenskapens framsteg , är därmed också en utgångspunkt för skapandet av modeller som kan förutsäga framtida trender i ekosystemens dynamik för utsläpp av växthusgaser under globala klimatförändringar.
Lustgas (N 2 O) är en potent växthusgas vars atmosfäriska tillväxttakt har accelererat under det senaste decenniet. Den största andelen antropogent N 2 O-utsläpp härrör från gödsling av jordar med kväve, som omvandlas till N 2 O via olika abiotiska och biologiska processer. Ett team av forskare ledda av Eliza Harris och Michael Bahn från forskargruppen Functional Ecology vid universitetet i Innsbruck har nu kunnat spåra N i detalj. 2 O produktions- och konsumtionsvägar som förekommer inom kvävets kretslopp, och i slutändan leda till utsläpp av denna växthusgas, som en del av det FWF-finansierade projektet NitroTrace. I en experimentell uppställning vid universitetet i Innsbruck, 16 intakta gräsmarksmonoliter från den subalpina Long-Term Ecosystem Research (LTER)-platsen Kaserstattalm i Stubaital-regionen i Tyrolen studerades. Jordblocken utsattes för extrem torka och efterföljande återvätning. Dessa väderförhållanden återspeglar de klimatförändringar som många regioner över hela världen, inklusive Alperna, blir alltmer utsatta.
"Vårt mål var att kvantifiera nettoeffekten av torka och återvätning på N 2 O-bildningsprocesser och utsläpp, som för närvarande i stort sett är outforskat, " säger Eliza Harris. Tvärtemot forskarnas förväntningar, processen för denitrifiering, nedbrytningen av nitrat till N 2 O och molekylärt kväve (N2) av specialiserade mikroorganismer, visade sig dominera N 2 O-produktion i mycket torra jordar.
Enligt tidigare antaganden, denna process sker främst i fuktiga, syrefattiga jordar, och som ett resultat mer N 2 O kan släppas ut i atmosfären under torka än förväntat. Forskarna hade förväntat sig att nitrifikationsprocessen skulle dominera i torra jordar, producerar nitrat, som är en viktig kemisk förening för växter. "Vi antog att om jorden var torr, det skulle finnas tillräckligt med syre tillgängligt för nitrifikation. Efter närmare granskning, vi kunde upptäcka torka-inducerade ansamlingar av kvävehaltigt organiskt material på ytan av våra jordprover och identifiera dem som triggers för denitrifikation i torr jord. Detta tyder på en stark roll för de tidigare dåligt förstådda kemodenitrifikations- och codenitrifikationsvägarna, där ytterligare abiotiska och biotiska processer leder till bildandet av N 2 O, " förklarar Eliza Harris det överraskande resultatet. Sammantaget, N 2 O-utsläppet var störst vid återvätning efter extrem torka.
Resultaten ger forskarna oöverträffade insikter i kvävets kretslopp och de processer som är involverade i bildandet av växthusgasen N 2 O som svar på miljöparametrar. En bättre förståelse för produktion och konsumtionsreaktioner kan hjälpa till att hitta lösningar för att minska utsläppen av växthusgaser, som har ökat i decennier.
Innovativ analysmetod
Avgörande för forskningsframgången var användningen av laserisotopspektroskopi, möjliggjort genom det FFG-finansierade projektet LTER-CWN. "Genom denna nya analytiska teknik, vi kan bestämma isotopsammansättningen av N 2 O. Alltså, vi får ett slags fingeravtryck för bildningsprocessen av det emitterade N 2 O, vilket i sin tur hjälper oss att förstå dess mikrobiella bildningsprocess, " betonar Eliza Harris vikten av denna procedur. Molekylära ekologiska analyser hjälpte dem också att avgöra vilka gener och mikrober som var involverade i kväveomvandlingen. Dessutom, rumsliga analystekniker hjälpte till att bestämma elementär sammansättning och fördelning i jorden. "Vi hoppas att genom att fortsätta att tillämpa kombinationen av dessa metoder i framtida liknande forskningsprojekt, vi kommer att få ytterligare insikter om återkopplingseffekter mellan klimatförändringar och kvävekretsloppet över olika ekosystem och miljöer, " säger Eliza Harris. Forskarnas långsiktiga mål är att använda modeller för att förutsäga ekosystems utsläppsdynamik i samband med klimatförändringar.
