Kvælstof er afgørende for planteproduktionen. Men ikke alt det kvælstof, der tilføres et landbrugssystem, ender i afgrøden. Noget kan tabes til vandmiljøet, mens andet ender i atmosfæren.
Et af disse tab er lattergas, N₂O, som dannes gennem mikrobielle omsætninger af kvælstof i jorden. Lattergas står for omkring seks procent af den observerede globale opvarmning og har en klimapåvirkning, der er næsten 300 gange større end CO₂. I 2020 stod gødede landbrugsjorde for mere end 60 procent af de globale menneskeskabte udledninger af N₂O.
I artiklen i Global Change Biology ser Klaus Butterbach-Bahl, João Serra og Diego Abalos fra Institut for Agroøkologi ved Aarhus Universitet sammen med internationale kolleger tilbage på, hvordan forskningen i N₂O fra jord har udviklet sig siden 1990’erne.
Forskerne ser især på fire områder: målemetoder, forståelsen af processerne i jorden, mikrobiel økologi og modellering. På alle fire områder er der sket store fremskridt. Samtidig er der fortsat væsentlige usikkerheder.
For professor Diego Abalos er det netop derfor et interessant tidspunkt at gøre status.
Der blev allerede lavet fantastisk forskning i 1990erne, og meget af den viden er stadig grundlæggende for det, vi laver i dag. Siden da er der sket store fremskridt inden for mikrobiologi, målemetoder, procesforståelse og modellering. Nu er vi nået til et punkt, hvor vi kan samle den nyeste viden fra de forskellige områder og bruge den til at forbedre den måde, vi forstår, måler og håndterer kvælstof på.
Nye metoder har ændret, hvad forskerne kan se
I 1990’erne byggede meget af forskningen i N₂O på manuelle kammermålinger. Forskerne indsamlede gasprøver i marken med jævne mellemrum og analyserede dem efterfølgende i laboratoriet. Målingerne var ofte koncentreret omkring vækstsæsonen, og der kunne gå uger mellem dem.
I dag gør følsomme laserbaserede instrumenter, automatiske kamre og mikrometeorologiske metoder det muligt at følge udledningerne langt mere præcist og kontinuerligt.
Det har ikke bare givet flere målinger, men også ny viden om, hvornår og hvor udledningerne finder sted.
Forskerne er blandt andet blevet mere opmærksomme på såkaldte
“hot moments”
korte perioder med særligt høje udledninger, for eksempel når frossen jord tør op, eller når tør jord bliver våd igen. Samtidig findes der
“hotspots”
, hvor et forholdsvis lille område i en mark kan stå for en uforholdsmæssig stor del af udledningen.
Også under jordoverfladen er billedet blevet langt mere detaljeret.
Moderne molekylære metoder gør det muligt at undersøge jordens mikrobielle samfund langt mere direkte end tidligere. Forskningen har blandt andet vist, at der er en større mangfoldighed blandt de mikroorganismer, der producerer og omsætter N₂O, end man tidligere kendte til. Forskellige organismer kan stå for forskellige dele af kvælstofomsætningen, og sammensætningen af det mikrobielle samfund kan derfor være med til at afgøre, om der dannes N₂O, eller om det omsættes videre til N₂.
Diego Abalos ser en klar sammenhæng mellem de nye teknologiske muligheder og den viden, forskerne har fået:
Der er altid en sammenhæng mellem den teknologiske udvikling og den nye viden, den giver os. Inden for mikrobiel økologi kan vi i dag bruge DNA, RNA og andre molekylære værktøjer til at undersøge samfundene i jorden på måder, der ikke tidligere var mulige. Inden for modellering har vi fået regnekraft til at arbejde på helt andre skalaer. Og på målesiden har de laserbaserede analysatorer været et stort fremskridt.
Modellerne kan mere – men der er stadig usikkerheder
Der er sket en tilsvarende udvikling inden for modellering.
Procesbaserede modeller beskriver de fysiske, kemiske og biologiske processer, der påvirker kvælstof i jorden. Hvor modellerne tidligere først og fremmest var forskningsværktøjer, bliver de i dag også brugt til blandt andet scenarieanalyser, vurdering af virkemidler og opgørelser over drivhusgasudledninger.
Større regnekraft gør det samtidig muligt at kombinere modeller og observationer på nye og mere avancerede måder. Det gælder blandt andet modelensembler, data-assimilering og metoder, hvor procesbaserede modeller kombineres med machine learning.
Men mere avancerede modeller er ikke det samme som sikre svar.
Modeller kan beskrive kvælstofprocesserne forskelligt og derfor også komme frem til forskellige resultater. Der er fortsat usikkerhed knyttet til både modellernes opbygning og de parametre, de bygger på. Samtidig er arbejdet med at indarbejde den detaljerede viden om mikroorganismer i modeller på mark- og nationalt niveau stadig på et tidligt stadie.
Hvis modellerne skal bruges i eksempelvis nationale emissionsopgørelser og som grundlag for politiske beslutninger, er det derfor vigtigt, at de kan efterprøves, at deres opbygning er gennemskuelig, og at usikkerhederne bliver tydeligt beskrevet.
Målet er altså ikke at finde én model, der kan levere ét endegyldigt svar. Det handler om at skabe et bedre videnskabeligt grundlag, hvor modeller, målinger og viden om processerne kan holdes op mod hinanden, testes og løbende forbedres.
Et bedre fælles grundlag
Efter 30 års fremskridt ligger mange af de store forskningsudfordringer nu i at få viden fra forskellige fagområder og skalaer til at hænge bedre sammen.
Forskerne kan eksempelvis have en meget detaljeret forståelse af en bestemt mikrobiel proces, som stadig er vanskelig at beskrive i en model på markniveau. Målinger i marken viser samtidig stor variation både over tid og fra sted til sted, mens nationale opgørelser nødvendigvis arbejder på en helt anden skala.
At skabe bedre forbindelse mellem de niveauer er derfor fortsat en central udfordring.
For forskerne fra Institut for Agroøkologi ligger der en mulighed i at udvikle et bedre fælles videnskabeligt grundlag: målinger og datasæt, der kan bruges på tværs, transparente modeller og et mere fælles sprog for, hvad der sker, når dyrkningspraksis ændres.
Det har også betydning uden for forskningsverdenen.
Landmænd, myndigheder, forskere og fødevarevirksomheder har ikke nødvendigvis de samme mål. Et fælles videnskabeligt udgangspunkt fjerner ikke de forskelle, men det kan give et bedre grundlag for at diskutere konsekvenserne af forskellige valg.
Landmænd, myndigheder, forskere og fødevaresektoren kan være uenige om, hvordan udledningerne skal reduceres, og hvem der skal bære omkostningerne. Men behovet for at reducere drivhusgasudledningerne er klart. Det indebærer nogle afvejninger, og vi har brug for et fælles sprog og et videnskabeligt grundlag for at kunne diskutere konsekvenserne siger João Serra, postdoc ved Land-CRAFT og medforfatter til artiklen
Samtidig understreger forskerne, at N₂O ikke bør betragtes isoleret.
Hvis man reducerer ét kvælstoftab, men samtidig øger tabet ad en anden vej, er miljøgevinsten ikke nødvendigvis så stor, som den umiddelbart ser ud. Derfor skal N₂O ses som en del af hele kvælstof- og kulstofbalancen: Hvor meget kvælstof kommer ind i systemet, hvor meget ender i afgrøden, og hvor meget går tabt til luft og vand?
Som professor og forskningsleder ved Land-CRAFT Klaus Butterbach-Bahl forklarer:
Hvis vi vil reducere N₂O, skal vi også forbedre udnyttelsen af kvælstof og reducere kvælstoftabene mere generelt. Det hele hænger sammen. I landbruget handler det i sidste ende om at få mere kvælstof ind i planterne og mindre ud i luften eller vandet.
AgNUE afprøver tilgangen under forskellige forhold
Det bredere blik på kvælstof er centralt i både SmartField i Danmark og den internationale forskningsplatform AgNUE, som begge fremhæves i artiklen.
Her undersøger forskerne ikke N₂O som en enkeltstående udledning. Målingerne indgår i et større billede af kvælstof- og kulstofbalancen og kobles med procesbaseret modellering.
SmartField arbejder med tilgangen under danske forhold, mens AgNUE etablerer en platform med forsøgs- og målesteder i Europa og USA.
Målet er at koble præcise målinger, viden om processerne og modellering på tværs af forskellige jordtyper, klimaer og landbrugssystemer. Det giver mulighed for at undersøge både modeller og mulige virkemidler op imod faktiske observationer under meget forskellige forhold.
For Diego Abalos er AgNUE samtidig en mulighed for at bygge videre på de fremskridt, der allerede er sket inden for flere dele af kvælstofforskningen.
Vi har gjort store fremskridt inden for forskellige dele af kvælstofforskningen – blandt andet målinger i marken, mikrobiel økologi og modellering. Med AgNUE kan vi nu samle den nyeste viden fra Europa og USA og undersøge, hvad vi kan opnå ved at bringe de forskellige dele sammen.
Det er væsentligt, fordi effekten af et virkemiddel i høj grad afhænger af de lokale forhold. Et tiltag, der virker under tempererede danske forhold, kan ikke uden videre forventes at have samme effekt i et andet klima eller landbrugssystem.
Netop arbejdet med at omsætte forskningsbaseret viden til løsninger, der kan fungere under forskellige forhold og i større skala, er en af de væsentlige udfordringer, forskerne peger på.
De seneste 30 års forskning har givet langt bedre målinger, større viden om processerne og mere avancerede modeller. Næste skridt er at bygge videre på det fundament og blive bedre til at koble de forskellige typer viden, så kvælstof kan forstås, vurderes og i sidste ende håndteres på et mere solidt grundlag.
