Bilanz der Klimaeffekte von Stickstoffemissionen aus Dünger und fossilen Brennstoffen
Stickstoffdünger und Stickoxide aus fossilen Brennstoffen sind als Gründe für verschiedene Umweltschäden bekannt: Sie belasten die Luft und das Trinkwasser, führen zur Überdüngung von Gewässern und Landökosystemen, reduzieren die Artenvielfalt und schädigen die Ozonschicht. Was das Klima angeht, haben sie unter dem Strich aber eine kühlende Wirkung. Zu diesem Schluss kommt ein internationales Team unter Leitung von WissenschaftlerInnen des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena in einer umfassenden Analyse. Darin, so schreibt Professor Sönke Zaehle am 24.07.2024 auf der Internetseite des Instituts, ziehen die Forschenden eine Bilanz der verschiedenen Klimaeffekte von Stickstoffverbindungen aus landwirtschaftlichen und nicht-landwirtschaftlichen Quellen.
Bauer beim Düngen in Oberndorf, Melk, Mostviertel/Österreich – Foto © Thomas Steiner, commons.wikimedia.org
So vielfältig die Formen sind, in denen Stickstoff in Boden, Wasser und Luft vorkommt, so vielfältig sind auch seine Auswirkungen auf das Klima. Elementarer Stickstoff, aus dem unsere Luft zu etwa 78 Prozent besteht, ist zwar klimaneutral, aber alle Verbindungen des Elements, in der Wissenschaft reaktiver Stickstoff genannt, wirken sich in verschiedener Weise direkt oder indirekt auf die globale Durchschnittstemperatur aus – mal wärmend, mal kühlend: So ist Lachgas, chemisch Distickstoffmonoxid genannt, das etwa aus gedüngtem Boden entweicht, ein fast 300mal stärkeres Treibhausgas als CO2 und dabei fast genauso langlebig. Durch andere Stickoxide, die vor allem durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen, und durch Ammonium ebenfalls aus Gülle und Kunstdünger, bilden sich dagegen Aerosolteilchen, feine Schwebpartikel in der Atmosphäre. Sie schirmen Sonnenlicht ab und kühlen das Klima auf diese Weise. Gleichzeitig lassen Stickoxide und Ammonium Pflanzen üppiger wachsen. Diese nehmen dabei CO2 aus der Atmosphäre auf, was ebenfalls kühlend wirkt. Stickoxide spielen zudem eine Rolle beim Abbau von Methan, kühlen die Atmosphäre somit, sie führen aber auch zur Bildung des Treibhausgases Ozon, was wiederum wärmend wirkt.
Ohne Stickstoffeintrag hätte sich das Klima stärker aufgeheizt
Das von Sönke Zaehle und Cheng Gong vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie geleitete internationale Team hat nun eine Bilanz der diversen Effekte gezogen, die im Fachmagazin Nature veröffentlicht wurde. Das Resultat unterm Strich: Stickstoff, der durch menschliche Aktivitäten ins Erdsystem gelangt, kühlt das Klima, und zwar um einen Betrag von 0,34 Watt pro Quadratmeter – in der Klimaforschung wird das als negativer Strahlungsantrieb bezeichnet. Zum Vergleich: Bei der menschengemachten Erderwärmung wird die Erdoberfläche vor allem durch Treibhausgase aus fossilen Brennstoffen mit zusätzlichen 2,7 Watt pro Quadratmeter geheizt – so der Mittelwert für die Jahre 2011 bis 2020, den das Intergovernmental Panel on Climate Change, kurz IPCC, in seinem aktuellen Sachstandbericht angibt. Das entspricht einer durchschnittlichen Erwärmung in diesem Zeitraum von 1,1 Grad Celsius im Vergleich zur vorindustriellen Zeit. „Der negative Strahlungsantrieb durch den Stickstoffeintrag lässt sich nicht einfach in eine Reduktion der globalen Durchschnittstemperatur umrechnen, da dabei lokale Effekte auftreten und das Klimasystem träge und in komplexer Weise auf eine Veränderung des Strahlungsantriebs reagiert“, sagt Sönke Zaehle, Direktor am Max-Planck-Institut für Biogeochemie.
Emissionen des Treibhausgases Lachgas seit 1980 um 40 Prozent gestiegen – Rekordwachstum der atmosphärischen Konzentration 2020 – 2022
Die anthropogenen Emissionen von Lachgas (N2O) stiegen zwischen 1980 und 2020 um etwa 40% an. 2020 erreichten die anthropogenen Emissionen in die Atmosphäre mehr als 10 Millionen Tonnen pro Jahr, so der in der Fachzeitschrift Earth System Science Data veröffentlichte neue Bericht „Global Nitrous Oxide Budget 2024“ des Global Carbon Project. Dabei entfielen in den 2010er Jahren etwa drei Viertel der vom Menschen verursachten Lachgas-Emissionen auf die globale landwirtschaftliche Produktion, was vor allem auf den Einsatz von mineralischem Dünger und Gülle auf Ackerflächen zurückzuführen ist. (bgc-jena.mpg.de/news-stickstoff-budget-2024)
Festhalten lässt sich allerdings, dass sich das Klima ohne den menschlichen Stickstoffeintrag noch weiter aufgeheizt hätte. „Das klingt zwar wie eine gute Nachricht, aber dabei muss man berücksichtigen, dass die Stickstoffemissionen viele schädliche Wirkungen etwa auf die Gesundheit, die Artenvielfalt und die Ozonschicht haben“, sagt Sönke Zaehle. „Der aktuelle Befund verbessert also nur in einer Hinsicht die Umweltbilanz des Stickstoffeintrags und ist kein Grund, diesen schön zu reden, geschweige denn in zusätzlicher Stickstoffzufuhr ein Mittel gegen die Erderwärmung zu sehen.“
Stickstoff aus der Landwirtschaft und anderen Quellen kühlen gleichermaßen
Die Gesamtwirkung des Stickstoffs aus menschlichen Quellen bestimmten die Forschenden, indem sie zunächst ermittelten, welche Mengen der verschiedenen Stickstoffverbindungen in den Boden, ins Wasser oder in die Luft gelangen. Diese Daten speisten sie in Modelle ein, die den globalen Stickstoffkreislauf und dessen Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf abbilden, also die Stimulation des Pflanzenwachstums und letztlich die Veränderung des CO2– und Methangehalts der Atmosphäre.
Aus den Ergebnissen dieser Modellsimulationen berechneten sie mit einem weiteren Modell die Auswirkung der menschengemachten Stickstoffemissionen auf den Strahlungsantrieb, also die Strahlungsenergie, die pro Zeiteinheit auf einen Quadratmeter der Erdoberfläche trifft. „Frühere Schätzungen auf der Grundlage von Literaturstudien waren in der Regel bruchstückhaft und vernachlässigten, dass die Prozesse des globalen Stickstoffkreislaufs räumlich sehr heterogen, stark vernetzt und nicht-linear sind“, sagt Cheng Gong, Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Biogeochemie. „Unsere Berechnungen beziehen diese Besonderheiten mit ein. Die Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, die Wechselwirkungen zwischen Biogeochemie, Atmosphärenchemie und Klima zu berücksichtigen, um die Klimaauswirkungen von anthropogenem Stickstoff zu verstehen.“
In weiteren Analysen differenzierte das Team die Klimawirkung des Stickstoffs nach landwirtschaftlichen und nicht-landwirtschaftlichen Quellen. Bei ersteren handelt es sich vor allem um Gülle und synthetischen Dünger, bei letzteren um die Verbrennung fossiler Energieträger. Den Modellrechnungen zufolge tragen beide in gleichem Maß zu der Kühlung bei. „Die Stickstoffemissionen sollten reduziert werden“, sagt Zaehle. „Verbesserte landwirtschaftliche Praktiken könnten etwa helfen, Stickstoff als Düngemittel effizienter zu nutzen. „Auf diese Weise lassen sich etwa die Lachgas-Emissionen verringern, die zur Erderwärmung beitragen und die Ozonschicht schädigen“, so Zaehle. „Es ist jedoch wichtig zu erkennen, dass eine Verringerung der anthropogenen Stickstoffeinträge zwar der Gesundheit des Menschen und der Ökosysteme nützt, sich aber auch auf das Klima auswirkt. Neben der Verringerung des reaktiven Stickstoffs müssen also auch die Emissionen von Treibhausgasen, vor allem CO2 und Methan aus fossilen Brennstoffen, stärker reduziert werden. Nur dann lassen sich sowohl Gesundheit und Natur besser schützen als auch der Klimawandel eindämmen.“
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