Lustgas kan finnas mycket mindre rikligt i atmosfären än koldioxid, men som en växthusgas är det en dumhet. Med en styrka som är 300 gånger större än CO₂ lustgasens uppvärmningspotential, särskilt via jordbruket, kräver uppmärksamhet.

Forskare från University of Illinois och University of Minnesota svarar på samtalet. I en ny studie dokumenterar de en förbisedd men avgörande tidsram för dikväveoxid (N₂ O) utsläpp i USA:s jordbrukssystem i Mellanvästern:den icke-växtsäsong.

"Likväveoxidutsläpp från jordbruksmarker har mestadels studerats under växtsäsongen. Tidigare forskning visar icke-växtsäsong N₂ O-utsläpp kan bidra med upp till 70–90 % av de årliga utsläppen under vissa år, men det är inte klart hur exakt det intervallet är för Mellanvästern eller vilka processer och förvaltningsmetoder som bidrar till dessa utsläpp under hösten och vintern, säger Yufeng Yang, studiens huvudförfattare och doktorand vid U of M.

Yang och hans medförfattare använde en datorsimuleringsmodell känd som ecosys för att bestämma hotspots och "heta ögonblick" för N₂ O-utsläpp över Mellanvästern. Specifikt retade de ut klimat- och miljöfaktorer som bidrar till N₂ O-utsläpp på länsvis basis under icke-växtsäsonger mellan 2001 och 2020. De tittade också på effekterna av tidpunkten för applicering av gödselmedel och nitrifikationshämmare.

"Denna valideringsstudie visar att ecosys-modellen realistiskt kan simulera N₂ O-utsläpp från jordbruksmark under den icke-växtsäsong. Det betyder att vi nu har ett robust sätt att kvantifiera bidragen från miljövariabler och kvävetillförsel till denna viktiga växthusgas", säger studiens medförfattare Kaiyu Guan, docent vid Institutionen för naturresurser och miljövetenskaper och grundare av Agroecosystem Sustainability Center vid U of I.

Först fann forskarna att den icke-växtsäsongen i Mellanvästern stod för ett brett spektrum av årliga N₂ O-utsläpp:6 till 60 %. Variationen kunde spåras tillbaka till skillnader på länsnivå, med utsläppsnivåer som skilde sig åt för län i de sydöstra och nordvästra extremerna av regionen.

För sammanhang, jord N₂ O-utsläpp är resultatet av mikrobiella processer som omvandlar kväve från en form till en annan. Miljöförhållanden, såsom mängden fukt och syre i jorden, marktemperaturen eller mängden snöpackning på markytan, påverkar hur mycket och hur snabbt mikrober kan metabolisera kväve, samt gasformiga kväveprodukters förmåga att släpps ut i atmosfären.

Ecosys-modellen upptäckte dessa miljöfaktorer över hela regionen, och lyfte fram större utsläpp i län med mer än 12 tum nederbörd som inte växer under säsongen. Men forskarna letade efter ännu mer detaljer för att förklara mönstret.

"Intensivare frysning orsakad av minskad lufttemperatur var den dominerande drivkraften som ledde till ökad icke-växtsäsong N₂ O-utsläpp i sydöstra Mellanvästern. I nordväst var ökad nederbörd och ökad lufttemperatur under upptiningscykler de viktigaste drivkrafterna för att förbättra icke-växtsäsong N₂ O produktion", säger Yang.

De långsiktiga utsikterna för dessa regionala skillnader kan dock förändras under ett föränderligt klimat. Yang simulerade framtida klimatscenarier och fann mindre frysning och upptining, vilket potentiellt dämpar de toppar som för närvarande uppstår under dessa förhållanden.

Teamet fann också att effekterna av tidpunkten för applicering av kvävegödselmedel också varierade beroende på län. Generellt sett var utsläppen större under applicering på hösten än på våren.

"Resultaten tyder på att en skiftning av höstapplicering till vårapplicering och applicering av nitrifikationshämmare vid vilken tidpunkt som helst kan avsevärt minska årlig N₂ O-utsläpp i regional skala och kan också minska kväveläckaget", säger studiens medförfattare Ziyi Li, doktorand som studerar under Guan vid U of I.

Men den effekten var inte universell. Fält i den västra delen av undersökningsområdet såg färre utsläpp vid fallapplicering.

"Forskare föreslår alltid att man byter till vårspridning av gödningsmedel, men det är inte en svartvit historia. Vår modell gör det möjligt för jordbrukare att få riktade rekommendationer som är specifika för deras fält", säger Zhenong Jin, motsvarande författare, projektledare och biträdande professor i Digital Agriculture Grupp vid U of M.

Forskarna säger att modellen kan användas för att utvärdera effekterna av ytterligare förvaltningsstrategier, såsom täckodling och no-till, på N₂ O-utsläpp.

"Samlet är att vi nu har en mycket exakt metod för att uppskatta N₂ O-utsläpp på länsskala i majsbältet. Vi har underskattat icke-växtsäsongen, men det visar sig vara en ganska betydande del av årliga N₂ O-utsläpp", säger Jin.

Studien är publicerad i Agricultural and Forest Meteorology . + Utforska vidare

Hur mycket fjäderkväve ska man applicera? Vädret för plantering kan ge en ledtråd