Nitrogenkretsløpet er i ubalanse

Nitrogenkretsløpet er dramatisk endret ved at menneskelig aktivitet overfører atmosfærens frie nitrogen til andre forbindelser med ulike miljøeffekter. I dag bidrar forbrenningsprosesser, gjødselproduksjon og en økt tetthet av mennesker og husdyr til overgjødsling av land- og havområder, til forsuring av jordsmonn og ferskvann, til drivhuseffekt og ulike helseeffekter. Professor i biologi, Dag O. Hessen, beskriver i denne artikkelen den alarmerende utviklingen som er bakgrunnen for det store nasjonale forskningsprosjektet "Nitrogen fra fjell til fjord".

Figur 1: Prinsippskisse av nitrogenkretsløpet, påtegnet miljøeffekter forårsaket av menneskelig inngrep.

Nitrogen er i utgangspunktet et gode.Veksten av alger og planter i hav og på land er oftest begrenset av tilgangen på nitrogen. Mer nitrogen gir økt produksjon av disse primærprodusentene og dermed et økt grunnlag for konsumentene, heriblant mennesket. Alt de første kulturer gjødslet derfor sine avlinger for å få økt avkastning, selv om det skulle gå lang tid før nitrogen var identifisert som et nøkkelelement.

Samtidig som nitrogenet er vekstbegrensende, utgjør det hele 78 prosent av atmosfæren. Forklaringen på dette tilsynelatende paradoks ligger i at atmosfærens frie nitrogen (N2) ikke er tilgjengelig for hvem som helst. De enzymer som kreves for å ta opp fritt nitrogen er avhengig av oksygenfrie omgivelser, og det blir dermed en spesiell utfordring å binde opp dette. De eneste som klarer kunststykket, er enkelte grupper av bakterier i jord og blågrønnbakterier i hav og ferskvann. Dette er nøkkelorganismer som alt annet liv avhenger av. Uten nitrogen, intet protein. Andre organismer, oss selv inkludert, kompletterer syklusen, men bakteriene utgjør nøkkelleddet i alle prosessene som skissert i Fig. 1.

Hvert år bindes nær ufattelige 100 millioner tonn atmosfærisk nitrogen av disse mikroorganismene. I tillegg omdannes anslagsvis 10 millioner tonn til nitrat (NO3) ved lynutladninger. Dette blir tilgjengelig for planter og siden dyr. Fra denne biomassen frigjøres avfallsstoffer og nedbrytningsprodukter vesentlig med ammonium (NH4) som et foreløpig produkt. Som ammonium er nitrogenet blitt tilgjengelig for en rekke organismer, først og fremst alger, planter og bakterier. Samtidig tilbakeføres nesten den samme mengde til atmosfæren, og vi har et balansert kretsløp.

Kretsløp i ubalanse

Denne historien er ikke helt sann - lenger. For drøyt 90 år siden fant Birkeland og Eyde ut at elektriske utladninger kunne gjøre den samme jobben som lynet, og dermed var grunnsteinen lagt - ikke bare til Hydro, men til den grønne revolusjon som skulle gjøre Malthus' spådommer til skamme. Kunstgjødselsindustrien har vært en formidabel suksess og mettet talløse munner, men den har etter hvert bidratt til å bekrefte de gamle visdomsordene at for mye av det gode ikke er bra.

I 1903, omtrent samtidig med Hydros spede oppstart, startet Henry Ford sitt Ford Incorporated, og serieproduksjon av biler var i gang. Fra denne tid skjøt forbruket av kull og olje fart. Forbrenningsprosesser omdanner også atmosfærens uskyldige frie nitrogen til reaktive oksiderte tilstandsformer (som NO2 og NO3), og i dag bindes like mye atmosfærisk nitrogen industrielt og ved ulike forbrenningsprosesser som det naturen selv gjør. Dette er primært et globalt gjødslingseksperiment. Men som vi skal se, bidrar nitrogen til mer enn gjødsling.

Alarmerende effekter

Effektene av et nitrogenkretsløp i ubalanse er mangesidige. Helseeffekter er primært knyttet til NO2 og NO3. Disse skader luftveiene, men spiller framfor alt en rolle ved å bidra til dannelse av bakkenært ozon, som er et betydelig helseproblem.

Miljøeffektene strekker seg fra atmosfære til hav. Et mellomprodukt i tilbakeføringen av fritt N2 er lystgass, N2O (se fig. 1). Denne omdannes ikke fullstendig til fritt nitrogen, og noe av denne potente drivhusgassen forblir i atmosfæren. Konsentrasjonen av lystgass i atmosfæren øker nå med ca. 0, 25 prosent årlig, noe som vil innebære en økning på 30 prosent fra førindustriell tid til år 2030.

Utslippene av ammoniak øker også fra en rekke kilder. Direkteutslipp fra kloakk og landbruk er de klart dominerende kildene. Dette vil bidra til økt vekst av planktonalger i kystområdene, med giftalger og oksygenfrie bunnområder som de verste konsekvensene.

Det skjer også en formidabel direkte avgassing av ammonium fra husdyrgjødsel til atmosfæren. Nedbøren over Norge inneholder like mye ammonium som nitrat, og det meste av dette er langtransportert fra mellomeuropeiske husdyrbesetninger. Dette luftbårne ammonium gir også gjødsling - og etter hvert overgjødsling - av vegetasjon på land og i hav. Planter med beskjedne nitrogenkrav utkonkurreres av mer nitrogenkrevende arter. Videre har ammonium et betydelig potensial for forsuring av jord og vann.

Nitrat (NO3) fra forbrenningsprosesser har mye av de samme effektene som ammonium. Det gir gjødsling av land og hav, samtidig som det gir et stadig viktigere bidrag til forsuring. Det nitrat som tas opp av vegetasjon og bakterier og lagres i jord, gjør ingen skade. Når vi får et nitratoverskudd, lekker dette ut og gir i prinsippet akkurat den samme forsurende effekten som svovelnedbøren.

Dette er et komplekst samspill av prosesser, og nitrogenkretsløpet er enda mindre oversiktlig enn det fig.1 kan gi inntrykk av. Samtidig er kretsløpet gjenstand for en serie tilbakekoblingseffekter, hvor klimendringer vil kunne bli en sterk pådriver for en ytterligere forverring av et kretsløp som allerede er brakt i ubalanse.

Nitrogen fra fjell til fjord

På bakgrunn av disse mangslungne og til dels dystre scenariene ble det, med Norges forskningsråd som fødselshjelper, etablert et akronymfritt, tverrfaglig prosjekt kalt "Nitrogen fra fjell til fjord". I felles regi ble prosjektet gjennomført i perioden 1992-1996 med Norsk Institutt for vannforskning (NIVA), Norsk institutt for luftforskning (NILU), Norsk Institutt for Skogforskning (NISK), Jordforsk og etter hvert Biologisk institutt ved Universitetet i Oslo som deltakere.

To områder ble valgt ut. Aulivassdraget i Vestfold (366 km^2) fordi det er et typisk skog- og jordbruksområde med relativt lav atmosfærisk nitrogentilførsel, men med forventet betydelig nitrogenavrenning fra landbruk. Bjerkreimvassdraget i Rogaland (693 km^2) ble valgt fordi det representerer en helt annen landskapstype, diominert av hei og fjell, med relativt beskjeden landbruksaktivitet, men med høy atmosfærisk nitrogentilførsel (Fig. 2). I hvert av disse to hovedområdene ble det etablert egne nedbørstasjoner og en serie målestasjoner ved representative delfelter eller vassdragsavsnitt for å beregne tilførsler, avrenning og nitrogenbudsjett for forskjellige arealtyper. Det ble også foretatt mer detaljerte undersøkelser av nitrogenomsetning i skogsjord, dyrket mark og vann.

Figur 2

Figur 2: Kartet viser nedfall av nitrogen over Sør-Norge. De høysete konsentrasjonene er i området omkring Bjerkreimvassdraget.(Illustrasjon: © NILU, Norsk institutt for luftforskning)

Økt nitrogenlekkasje?

Av prosjektets mer enn 30 000 enkeltanalyser skal bare noen få hovedpunkter nevnes her. En av bekymringene knyttet til et langvarig, forhøyet nitrogennedfall, er faren fornitrogenmetning. Mens norske elver normalt nesten ikke inneholder reaktivt nitrogen (nitrat og ammonium) i sommerhalvåret på grunn av biologisk opptak, viste en rekke av elvene og bekkene i Bjerkreim høye nitratverdier også om sommeren. For hei- og fjellområder ble det påvist at opp imot halvparten av den atmosfæriske tilførsel av nitrogen renner ut. Dersom dette representerer en økt lekkasje av nitrogen fra skog og hei, er det ikke trivielt. For store deler av Norge representerer atmosfærisk nitrogen hovedandelen av alt nitrogen som transporteres til fjorden. Så langt vet vi ikke om dette er naturlig, eller et resultat av flere tiår med sur nedbør, høyt nitrogennedfall og redusert evne hos jordbakterier og vegetasjon til å ta opp disse store nitrogenmengdene. Under alle omstendigheter betyr det at en betydelig andel av det nitrogen som regner ned over disse skrinne områdene, renner til havs og bidrar til forsuring av elver og innsjøer på sin vei. Det ble også funnet påfallende lav tilbakeholdelse (retensjon) av nitrogen i elver og innsjøer.

Bilde

En rekke av elvene og bekkene i Bjerkreim viste høye nitratverdier også om sommeren. For hei- og fjellområder ble det påvist at opp imot halvparten av den atmosfæriske tilførsel av nitrogen renner ut. Dersom dette representerer en økt lekkasje av nitrogen fra skog og hei er det ikke trivielt. Bildet viser heifelt i Bjerkreim. (Foto:Dag Hessen ©)

Bidrag fra jord- og skogbruk

Et annet hovedresultat er det store bidrag fra jordbruk og hvordan driftsformer i både skog- og jordbruk er totalt avgjørende for nitrogenavrenning. Mye av avrenningen kom i form av flommer, der høy vannføring var kombinert med ekstremt høye nitratverdier. Mens etablerte skogsfelter knapt gir slipp på noe nitrogen i vekstsesongen, er det en betydelig nitrogenlekkasje fra hogstfelter.

Forsuringseffekter

Internasjonale avtaler har redusert svovelinnholdet i nedbør over sør-Norge med nær 30 prosent, og dette har gitt positive effekter på forsuringssituasjonen. pH-nivået viser nå økende tendens i en rekke sør-norske vassdrag. Samtidig øker forsuringsbidraget fra nitrogen, og dette utgjør nå nær halvparten av forsuringsbidraget over store deler av sør- og sør-vestlandet. Selv om svovel i nedbøren blir helt fjernet (noe som er utopisk), vil nitrogen likevel sørge for at tålegrensen for forsuring er overskredet i store arealer. Enhver økning i nitratavrenning vil forverre situasjonen. En betydelig reduksjon av nitrogennedfall er derfor påkrevet, men det er ikke gitt om gevinsten er størst ved reduksjon av nitrat eller ammonium. I dag utgjør disse like store andeler i nedbøren, men som vi har sett, kommer de fra vidt forskjellige kilder. For tiden tas nær alt ammonium opp i vegetasjonen. Men om dette bildet endrer seg, vil ammonium utgjøre en potensiell "forsuringsbombe".

Avrenning til hav

Et av hovedproblemene knyttet til et nitrogenkretsløp i ubalanse, er avrenning til hav, med fare for økt algevekst. Dette er ikke minst klart i Norge gjennom den debatten vi har hatt om nødvendigheten av rensing av nitrogenutslipp til Nordsjøen. Norge bidrar med mindre enn to prosent av disse utslippene, men har i likhet med andre Nordsjøland forpliktet seg til 50 prosent reduksjon av de totale utslippene. Dette blir spesielt problematisk når en vesentlig andel av nitrogenutslippene kommer fra diffuse tilførsler, og spesielt dersom dette skulle øke. Basert på næringssaltkonsentrasjoner i kyststrøm kontra elvene, er det klart at Aulielva er en betydelig kilde til lokal algervekst, mens Bjerkreimselva har mindre betydning. Forholdet mellom nitrogen og fosfor (N:P), som kan avgjøre artssammensetning av alger, viser imidlertid et klart mønster. Elvene på sør- og sørvestlandet har et betydelig høyere N:P-forhold enn hva man finner i resten av landet.

Klimaendringer og nitrogenavrenning

Reduksjon av nitrogenutslipp erikke lett å får til. I tillegg kommer en rekke momenter som kan bidra til å øke avrenning og forsuringseffekter. Ammonium utgjør en nøkkelfaktor. Dersom ammoniumopptaket (som i dag er nær 100 prosent) reduseres, står vi overfor et meget alvorlig forsuringsproblem. Enda viktigere kan klimaendringer, kortsiktige eller langsiktige, vise seg å være. En temperaturstigning som følge av økt drivhuseffekt, vil kunne frigi betydelige mengder av nitrogen som nå er bundet i jordsmonn.

De gjennomgripende, kvantitative endringer vi ser i nitrogenkretsløpet, er blitt et av de helt store miljøproblemene. Dette styres av sentrale samfunnsaktiviteter som energiproduksjon, samferdsel og landbruk og er koblet til andre store miljøproblemer som global oppvarming. Nitrogen er i utgangspunktet et gode, ikke et giftstoff. Men de globale utslippene må reduseres dramatisk i løpet av få år - og det blir ingen enkel oppgave.

Dag O. Hessen er professor i biologi og avdelingsbestyrer ved Avdeling for limnologi, Biologisk institutt, Universitetet i Oslo.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Basale biofag, Molekylærbiologi Av Dag O. Hessen
Publisert 1. feb. 2012 12:16
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere