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Bodennahe Laserspektrometrie Klimaschädliche Böden: Erste Feldmessungen von Lachgasisotopen

| Autor/ Redakteur: Olivia Götschi* / Dr. Ilka Ottleben

Lachgas ist ein äußerst potentes Treibhausgas – 300 mal klimaschädlicher als Kohlendioxid. Die größte Emissionsquelle sind feuchte und gedüngte Böden. Nun konnten Empa-Forscher mithilfe eines neu entwickelten Laserspektrometers erstmals aufzeigen, welche Prozesse im Grasland zu Lachgasemissionen führen.

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Aus gedüngtem und nassem Boden tritt besonders viel Lachgas aus.
Aus gedüngtem und nassem Boden tritt besonders viel Lachgas aus.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay)

Dübendorf/Schweiz – Lachgas (N2O) ist eines der wichtigsten Treibhausgase. In der Atmosphäre kommt es zwar deutlich seltener vor als Kohlendioxid (CO2), ist aber rund 300-mal so klimaschädlich. Lachgas verbleibt mehr als 100 Jahre in der Atmosphäre und trägt dort zur Erderwärmung bei. Zudem schädigt Lachgas die Ozonschicht. Die größte Emissionsquelle von Lachgas sind Böden – insbesondere gedüngte, aber auch naturbelassene.

Forschende weltweit suchen nach Wegen, um Lachgasemissionen zu verringern. Doch die Forschung steckt noch in den Kinderschuhen. „Man weiß zwar, dass beispielsweise nach dem Düngen oder nach Regenfällen mehr Lachgas aus dem Boden entweicht. Aber welche Prozesse im Boden genau ablaufen, ist noch wenig erforscht“, sagt der Empa-Emissions- und Isotopenforscher Joachim Mohn.

Erste Lachgas-Messungen über Grasland

Empa-Forschende haben daher ein Laserspektrometer entwickelt, mit dem im Feld äußerst präzise Messungen möglich sind. „Man sieht genau, welche Isotopenzusammensetzung das gemessene Lachgas hat. Also beispielsweise, ob das Stickstoffatom mit einem zusätzlichen Neutron in der Mitte des Moleküls oder aber am Rand sitzt“, erklärt Mohn.

Die spezifische Bestimmung der Isotope lasse Rückschlüsse auf die Entstehungsprozesse des Lachgases zu. „Außerdem kann mit den Isotopenmessungen abgeschätzt werden, inwieweit das schädliche Lachgas im Boden zu unschädlichem Stickstoff abgebaut wird.“

Lachgas bildet sich bei verschiedenen mikrobiellen Prozessen. Es kann als Nebenprodukt der Nitrifikation und als Zwischenprodukt bei der Denitrifikation entstehen. Bei der Nitrifikation wird Ammonium, etwa aus Dünger, zu Nitrat oxidiert. Bei der Denitrifikation wird Nitrat in Stickstoff umgewandelt.

Bodennahe Laserspektrometrie

Empa-Forscher Erkan Ibraim kontrolliert eine der Flusskammern, die Lachgasemissionen aus dem Boden auffangen.
Empa-Forscher Erkan Ibraim kontrolliert eine der Flusskammern, die Lachgasemissionen aus dem Boden auffangen.
(Bild: Empa)

„Die Empa, aber auch andere Forschungseinrichtungen, untersuchen, welcher biochemische Prozess in einem Bakterium bevorzugt welches Lachgas-Isotop bildet“, so Mohn (s. Kasten). Aufbauend auf diesen Erkenntnissen haben Empa-Forschende gemeinsam mit Wissenschaftlern der ETH Zürich und des Karlsruher Instituts für Technologie über mehrere Monate in Bayern mehr als 600 Laserspektrometer-Messungen über Grasland durchgeführt und so die Isotopenzusammensetzung des emittierten Lachgases analysiert.

Gleichzeitig haben die Forschenden Einflussgrößen wie die Feuchtigkeit des Bodens, Nährstoffgehalte, Lufttemperatur, Windgeschwindigkeiten und den Zeitpunkt von Niederschlägen und Düngungen aufgezeichnet. Ein Novum, wie Joachim Mohn erklärt: „Über einem Boden kontinuierlich zu messen, war mit den bisherigen massenspektrometrischen Messgeräten schlicht unmöglich. Dank unseres neuen Geräts können wir nun hochpräzise Messungen im Feld durchführen und die so erhaltenen Ergebnisse, etwa von Grasland, mit denjenigen aus dem Labor vergleichen.“

„Meilenstein für die Lachgasforschung“

Die Forschenden überprüfen nun mit den ersten Feldmessungen, ob bisherige Emissionsmodelle gute Vorhersagen erlauben oder wie sie allenfalls verbessert werden können. Mohn: „Bisher konnte man nur sagen, ob ein Modell zur Prognose der Lachgasemission den Zeitpunkt und die Menge richtig wiedergibt. Bestimmt man dazu noch die Isotopensignatur, dann weiß man auch gleich, ob das Modell die Entstehungsprozesse für Lachgas richtig voraussagt.“

Dies sei ein enorm wichtiger Schritt für die Lachgasforschung, sagt der Empa-Forscher. „Das Fernziel ist, die Lachgasemissionen aus natürlichen und landwirtschaftlich genutzten Böden zu reduzieren.“ Bis dahin sei es allerdings noch ein weiter Weg. „Aber einen ersten Meilenstein haben wir nun immerhin erreicht“, so Mohn.

Originalpublikation: E Ibrahim, B Wolf, E Harris, R Gasche, J Wei, L Yu, R Kiese, S Eggleston, K Butterbach-Bahl, M Zeeman, B Tuzson, L Emmenegger, J Six, S Henne, J Mohn, Attribution of N2O sources in a grassland soil with laserspectroscopy based isotopocule analysis, Biogeosciences, 16, 3247–3266, 2019https://doi.org/10.5194/bg-16-3247-201

* O. Götschi: Empa, 8600 Dübendorf/Schweiz

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