Errechnungen zum Lachgas-Budget von Permafrost Böden

Distickstoffoxid (N2O), das auch als "Lachgas" bezeichnet wird, ist nach Kohlendioxid und Methan das drittwichtigste Treibhausgas, das für die globale Klimaerwärmung verantwortlich ist. Es wird hauptsächlich in Böden durch mikrobielle Aktivität gebildet. In der Regel stammen hohe Lachgasemissionen aus landwirtschaftlich genutzten Böden, in denen die Verfügbarkeit von mineralischem Stickstoff aufgrund von Stickstoffdüngung und anderen Bewirtschaftungsmethoden hoch ist. Da der Stickstoffkreislauf in kalten Permafrostböden nur langsam abläuft, wurden sie bisher als unwichtige Lachgasquellen angesehen. In den letzten Jahren hat sich jedoch gezeigt, dass dies nicht immer der Fall ist: Die Freisetzung von Lachgas ist ein häufiges Phänomen in Permafrostböden. Das Ausmaß der Emissionen sowie die Faktoren, die sie steuern, sind jedoch nach wie vor kaum bekannt. Das Projekt PERNO wird diese Lücke schließen, indem es die Ausgasung und Faktoren, die die N2O-Emissionen aus Permafrostböden steuern, eingehend untersucht. Dazu werden wir Böden aus Permafrostgebieten im Labor inkubieren und Temperatur und Bodenfeuchtigkeit manipulieren, um den Klimawandel zu simulieren. Permafrostböden werden ebenfalls im Labor aufgetaut, um das Schmelzen des Permafrosts zu simulieren. Wir werden die Emissionen von N2O und anderen reaktiven und nicht reaktiven Stickstoffgasen wie NO und N2 während der Inkubationsperiode mit modernen laserspektroskopischen Methoden verfolgen. Außerdem werden wir die damit einhergehenden Veränderungen der mikrobiellen Gemeinschaft und anderer Bodenparameter untersuchen. Vor allen Dingen wird die stabile Isotopenzusammensetzung von Lachgas kontinuierlich im Labor gemessen, um wertvolle Informationen über die mikrobiellen Produktionswege zu erhalten, die für die N2O-Emissionen verantwortlich sind. Lachgas wird in Böden während der Nitrifikation und Denitrifikation gebildet, und jeder Weg erzeugt einen einzigartigen stabilen Isotopen-Fingerabdruck im N2O. Diese Informationen sind wichtig, um die N2O-Emissionen zu charakterisieren und besser zu verstehen. Techniken zur Bestimmung stabiler Isotope sind zu einem festen Bestandteil der modernen Ökologie geworden und tragen dazu bei, detaillierte Erkenntnisse über den Stickstoffkreislauf zu gewinnen. Die stabile Isotopensignatur von N2O wird auch in den prozessbasierten Modellen verwendet, die auch im Projekt PERNO zum Einsatz kommen. Wir werden ein Isotopenmodell (IsoTONE) verwenden, um die N2O-Flüsse zu simulieren und ein Lachgas-Budget von Permafrost Böden zu erstellen. Insgesamt zielt PERNO darauf ab, kritische Wissenslücken über die N2O- Dynamik von Permafrostböden zu schließen und die Bedeutung dieser Emissionen aus Permafrostböden für das gegenwärtige und künftige Klima zu erhellen. Wir stellen die Hypothese auf, dass N2O aus Permafrostböden eine potenziell bedeutende positive Rückkopplung zum Klimawandel darstellt.

Permafrostböden enthalten große Mengen an organischem Material, das beim Erwärmen und Auftauen für Mikroorganismen verfügbar wird. Diese Mikroorganismen können Treibhausgase freisetzen. Während Kohlenstoffdioxid und Methan aus Permafrostgebieten schon relativ gut erforscht sind, weiß man über Lachgas (N2O) noch wenig. Dabei ist N2O ein sehr starkes Treibhausgas, etwa 300-mal wirksamer als CO2. Das PERNO-Projekt sollte diese wichtige Lücke schließen. Ziel war es, besser zu verstehen, wie viel N2O Permafrostböden freisetzen und welche Prozesse dahinterstehen. Dafür nutzten wir zwei Ansätze: kontrollierte Laborversuche und moderne Computermodelle. Beide Methoden wurden durch Messungen stabiler Stickstoffisotope unterstützt, die viel über die Herkunft des N2O verraten. Ein zentraler Schritt im Projekt war der Aufbau eines neuen Lasergeräts, das den chemischen "Fingerabdruck" von N2O sehr genau messen kann. Damit diese Messungen zuverlässig funktionieren, mussten wir das Gerät sorgfältig kalibrieren, klare Arbeitsabläufe entwickeln und eng mit erfahrenen Laboren in Europa zusammenarbeiten. Im Labor untersuchten wir dann verschiedene Böden aus arktischen und alpinen Permafrostgebieten. Wir änderten gezielt die Umweltbedingungen, um zu sehen, wie die Böden darauf reagieren. Die Ergebnisse zeigen klar: Bodenfeuchte ist ein Schlüsselpunkt. Mittlere bis hohe Feuchtigkeit führt zu mehr N2O-Bildung, während sehr nasse Böden oft sogar N2O aufnehmen. Unsere Isotopendaten deuten zudem darauf hin, dass in bestimmten Hotspots, zum Beispiel auf kahlen Torfflächen, vor allem Denitrifikation von Pilzen für die N2O-Produktion verantwortlich ist. Um die Emissionen auf größere Regionen zu übertragen, erstellten wir eine große Datenbank mit über 1500 Bodenproben und entwickelten die erste maschinell berechnete "Isoscape"-Karte für Permafrostgebiete. Diese Karte wurde in das Modell IsoTONE eingespeist, das Stickstoffisotope nutzt, um N2O-Emissionsraten zu berechnen. Erste Modelresultate zeigen, dass das Auftauen von Permafrost schon heute zusätzlichen Stickstoff und damit N2O freisetzt. Mit weiter steigenden Temperaturen könnten diese Emissionen demnach noch zunehmen. Insgesamt zeigt PERNO, dass N2O aus Permafrostregionen ein wichtiger, bisher aber unterschätzter Klimafaktor ist. Das Projekt liefert die erste umfassende Datengrundlage und ein geeignetes Modellierungswerkzeug, um die Rolle dieser Böden im globalen Stickstoffkreislauf und für zukünftige Klimaentwicklungen besser zu bewerten.