Stijgende stikstofoxide-emissies door klimaatverandering en bemesting versnellen wereldwijde ozonvervuiling: Studie

Schema van bodemreactieve geoxideerde stikstofoxide-emissies en hun impact op de atmosferische samenstelling, luchtkwaliteit en vegetatie.

Ozonvervuiling is een wereldwijde milieu-uitdaging die niet alleen de menselijke gezondheid en de teelt van gewassen bedreigt, maar ook de opwarming van de aarde verergert. Terwijl de vorming van ozon vaak wordt toegeschreven aan antropogene verontreinigende stoffen, blijkt dat bodememissies ook een belangrijke bron zijn.

Onderzoekers van de Hong Kong Polytechnic University (PolyU) hebben de wereldwijde gegevens over nitrozeenzuur (HONO) emissies uit de bodem van 1980 tot 2016 onderzocht en deze geïntegreerd in een chemisch-klimaatmodel. Dit heeft de cruciale rol van bodem-HONO-emissies bij de toename van de ozonmengverhouding in de lucht en de negatieve impact op vegetatie onthuld. De bevindingen zijn gepubliceerd in Nature Communications, met Dr. Yanan Wang, postdoctoraal onderzoeker aan de PolyU, en Dr. Qinyi Li, professor aan de Shandong Universiteit, als medeauteurs.

Bodemmicrobiële activiteiten en landbouwpraktijken, met name de toepassing van kunstmest, stoten verschillende gassen uit de bodem de atmosfeer in. Eerdere studies hebben aangetoond dat bodem-HONO-emissies tot 80% van de atmosfeer-HONO-mengverhouding bijdragen. De interactie van HONO met andere verontreinigende stoffen in de atmosfeer is cruciaal voor de chemische productie van ozon. HONO bevordert ook de vorming van ozon door de concentraties van zijn voorlopers, stikstofoxide (NOx), te verhogen.

Onderzoek geleid door Prof. Wang Tao, hoogleraar atmosferische omgeving aan de PolyU, heeft een kwantitatieve parameterisatie ontwikkeld om de impact van bodem-HONO-emissies op de ozonmengverhouding in de lucht te kwantificeren. Prof. Wang en zijn onderzoeksteam hebben een dataset samengesteld van metingen van bodem-HONO-emissies uit verschillende ecosystemen wereldwijd en hebben een kwantitatieve parameterisatieschema ontwikkeld om de impact van deze emissies te berekenen. Dit onderzoek maakte een uitgebreide dataset mogelijk door meerdere variabelen, zoals klimaatfactoren (bijvoorbeeld bodemtemperatuur en bodemvochtigheid) en de soort en toepassing van kunstmest, in het schema te integreren.

Wereldwijde bodem-HONO-emissies blijven toenemen

De onderzoekers ontdekten dat de bodem-HONO-emissies zijn gestegen van 9,4 Tg N in 1980 tot 11,5 Tg N in 2016. Door het chemisch-klimaatmodel te gebruiken om de impact van deze emissies op de atmosferische samenstelling te simuleren, vonden ze een gemiddelde jaarlijkse stijging van 2,5% in de mondiale oppervlakteozonmengverhouding, met lokale verhogingen tot 29%. Dergelijke verhogingen kunnen leiden tot overmatige blootstelling van vegetatie aan ozon, wat een nadelige invloed heeft op de ecosysteembalans en de productie van voedselgewassen. Bovendien zal schade door ozon de capaciteit van vegetatie om kooldioxide op te nemen verminderen, waardoor het broeikaseffect verder verergert.

Het team wees erop dat bodem-HONO-emissies worden beïnvloed door de gecombineerde effecten van stikstofmeststofgebruik en klimaatfactoren zoals bodemtemperatuur en bodemvochtigheid, wat resulteert in seizoensgebonden en geografische variaties. Wereldwijde bodem-HONO-emissies pieken in de zomer, wanneer de bodemtemperatuur hoger is en gewassen in hun groeiseizoen zijn. De noordelijke hemisfeer blijkt goed te zijn voor twee derde van de wereldwijde emissies, waarbij Azië de grootste emitter is met 37,2% van het totaal. Emissiepunt hotspots concentreren zich voornamelijk in landbouwgebieden in India, Oost-China, centraal Noord-Amerika, Europa, Afrikaanse savannes en Zuid-Amerika.

Regio’s met lagere vervuilingsniveaus zijn meer beïnvloed

Opmerkelijk is dat de invloed van bodem-HONO-emissies op de toename van de ozonmengverhouding significant groter is in regio’s met lage antropogene emissies. Dit komt omdat de vorming van ozon nauw verwant is aan de concentraties van zijn voorlopers, NOx en vluchtige organische stoffen (VOS), in de lucht. Typisch zijn de NOx-concentraties lager, terwijl de VOS-concentraties hoger zijn in gebieden met lage antropogene emissies, waardoor deze gebieden zich voornamelijk in een NOx-beperkt regime bevinden waar ozon gevoeliger is voor NOx. Een toename van de NOx-concentratie zal dus leiden tot een grotere stijging van de ozon niveaus.

Met de wereldwijde trend van de afgelopen jaren van afnemende antropogene emissies, zullen meer regio’s waarschijnlijk verschuiven naar een NOx-beperkt regime, wat de impact van bodem-HONO-emissies op ozonniveaus zal verhogen. Prof. Wang zei: “Klimaatverandering en het toenemende gebruik van kunstmest zullen leiden tot een voortdurende stijging van de bodem-HONO-emissies, wat enkele van de voordelen die van verminderde antropogene emissies worden verwacht, kan tenietdoen. Het is cruciaal om bodememissies te begrijpen en te beheren om duurzame ontwikkeling te bevorderen. We raden daarom aan om bodem-HONO-emissies in overweging te nemen bij strategieën voor het verminderen van wereldwijde luchtvervuiling.”

Geavanceerde modelleringsmethoden en diverse datasets

In de ontwikkeling van het robuuste parameterisatieschema heeft het onderzoeksteam geavanceerde modelleringsmethoden en diverse datasets geïntegreerd, inclusief mondiale bodem-HONO-emissiemetingen van 110 eerdere laboratoriumexperimenten en gegevens afgeleid van de Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications Version 2 (MERRA2) heranalyse. Het onderzoeksteam heeft ook gebruik gemaakt van het Community Atmosphere Model with Chemistry (CAM-Chem) klimaat-chemisch model, ontwikkeld door het National Center for Atmospheric Research van de Verenigde Staten, om de impact van bodem-HONO-emissies op de atmosferische chemie en het risico van vegetatieblootstelling te simuleren.

Prof. Wang voegde daaraan toe: “Ons toekomstig onderzoek zal zich richten op het uitbreiden van het wereldwijde observatienetwerk voor bodem-HONO-emissies, evenals op het bieden van een dieper inzicht in de microbiële rol in HONO-emissies door de bodem. Deze twee benaderingen kunnen een nauwkeuriger beoordeling van ozon en andere secundaire luchtverontreinigende stoffen, veroorzaakt door bodem-HONO-emissies, en hun impact op vegetatie vergemakkelijken. Verdere studies zouden ook mitigatiestrategieën moeten verkennen om het gebruik van kunstmest te optimaliseren, zoals diepteplaatsing van kunstmest en het gebruik van nitrificatie-inhibitoren, met als doel de bodem-HONO-emissies te verminderen en tegelijkertijd de landbouwproductiviteit te behouden.