Nitrous oxide emissions from selected natural and managed northern ecosystems

Microbial activity in soils is the main source of nitrous oxide (N2O) to the atmosphere. Nitrous oxide is a strong greenhouse gas in the troposphere and participates in ozone destructive reactions in the stratosphere. The constant increase in the atmospheric concentration, as well as uncertainties in the known sources and sinks of N2O underline the need to better understand the processes and pathways of N2O in terrestrial ecosystems. This study aimed at quantifying N2O emissions from soils in northern Europe and at investigating the processes and pathways of N2O from agricultural and forest ecosystems. Emissions were measured in forest ecosystems, agricultural soils and a landfill, using the soil gradient, chamber and eddy covariance methods. Processes responsible for N2O production, and the pathways of N2O from the soil to the atmosphere, were studied in the laboratory and in the field. These ecosystems were chosen for their potential importance to the national and global budget of N2O. Laboratory experiments with boreal agricultural soils revealed that N2O production increases drastically with soil moisture content, and that the contribution of the nitrification and denitrification processes to N2O emissions depends on soil type. Laboratory study with beech (Fagus sylvatica) seedlings demonstrated that trees can serve as conduits for N2O from the soil to the atmosphere. If this mechanism is important in forest ecosystems, the current emission estimates from forest soils may underestimate the total N2O emissions from forest ecosystems. Further field and laboratory studies are needed to evaluate the importance of this mechanism in forest ecosystems. The emissions of N2O from northern forest ecosystems and a municipal landfill were highly variable in time and space. The emissions of N2O from boreal upland forest soil were among the smallest reported in the world. Despite the low emission rates, the soil gradient method revealed a clear seasonal variation in N2O production. The organic topsoil was responsible for most of the N2O production and consumption in this forest soil. Emissions from the municipal landfill were one to two orders of magnitude higher than those from agricultural soils, which are the most important source of N2O to the atmosphere. Due to their small areal coverage, landfills only contribute minimally to national N2O emissions in Finland. The eddy covariance technique was demonstrated to be useful for measuring ecosystem-scale emissions of N2O in forest and landfill ecosystems. Overall, more measurements and integration between different measurement techniques are needed to capture the large variability in N2O emissions from natural and managed northern ecosystems.

Typpioksiduuli (N2O) eli ilokaasu on voimakas kasvihuonekaasu alailmakehässä ja osallistuu otsonia tuhoaviin reaktioihin yläilmakehässä. Ihmistoiminnan ansiosta typpioksiduulin pitoisuus alailmakehässä on jatkuvasti kohonnut. Maan mikrobitoiminta on merkittävin typpioksiduulin lähde ilmakehään, mutta maaperän prosessit typpioksiduulin lähteinä ja nieluina ja typpioksiduulin kuljetusmekanismit maasta ilmakehään tunnetaan huonosti. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli määrittää N2O-päästöjä erilaisissa pohjoisen ilmastovyöhykkeen ympäristöissä, ja tutkia typpioksiduulin tuotto- ja kuljetusprosesseja. Typpioksiduulipäästöjä mitattiin maatalous- ja metsämailla sekä kaatopaikalla. Mittauspaikoiksi valittiin sellaisia ekosysteemejä, joiden arvioitiin olevan merkittäviä typpioksiduulin päästölähteitä, mutta joista oli olemassa vain vähän aikaisempaa mittaustietoa. Laboratoriokokeissa havaittiin, että maatalousmaiden typpioksiduulin tuotto lisääntyy radikaalisti maan kosteuden kasvaessa. Maan mikrobiologisten prosessien, nitrifikaation ja denitrifikaation, osuudet typpioksiduulin tuotossa olivat riippuvaisia maalajista. Tutkimuksen toisessa laboratoriokokeessa havaittiin, että puiden taimet pystyvät kuljettamaan maaperässä tuotettua typpioksiduulia ilmakehään. Nykyiset metsäekosysteemien päästöarviot perustuvat maaperän päästöjen mittaamiseen. Mikäli merkittävä osa maassa tuotetusta typpioksiduulista kulkeutuu ilmakehään puiden kautta, nykyiset arviot metsämaiden N2O-päästöistä voivat olla aliarvio todellisista metsikkötason päästöistä. Typpioksiduulipäästöt metsämailta ja kaatopaikalta olivat hyvin vaihtelevia ajan ja mittauspaikan suhteen. Boreaalisen vyöhykkeen kangasmetsän N2O-päästöt olivat erittäin pieniä ja ajoittain metsämaa toimi typpioksiduulin nieluna. Pääosa typpioksiduulin mikrobiologisesta tuotosta ja kulutuksesta tapahtui maan orgaanisessa pintakerroksessa. Kaatopaikkojen typpioksiduulipäästöt olivat yhdestä kahteen kertaluokkaa suuremmat kuin päästöt maatalousmailta, jotka ovat merkittävin typpioksiduulin päästölähde Suomessa. Kaatopaikkojen pienen pinta-alan vuoksi niiden merkitys Suomen kokonaispäästöihin on kuitenkin pieni. Tutkimus osoitti, että N2O-päästöt erilaisista ympäristöistä vaihtelevat huomattavasti ajan ja paikan suhteen. Päästöjen suuren vaihtelun vuoksi tarvitaan lisää päästömittauksia sekä päästövertailuja eri menetelmillä, jotta typpioksiduulin virrat maasta ilmakehään voidaan arvioida tarkemmin.