Dynamics of nitrous oxide emission of a typical agricultural region  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
109764
Type K
Principal investigator Haszpra, László
Title in Hungarian Tipikus mezőgazdasági terület dinitrogén-oxid kibocsátásának vizsgálata
Title in English Dynamics of nitrous oxide emission of a typical agricultural region
Keywords in Hungarian üvegházhatás, légkör-bioszféra kölcsönhatás, dinitrogén-oxid, üvegházgáz-mérleg, üvegházgáz-kibocsátás
Keywords in English greenhouse effect, atmosphere-biosphere interaction, nitrous oxide, greenhouse gas budget, greenhouse gas emission
Discipline
Meteorology, atmospheric physics and dynamics (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Ortelius classification: Meteorology
Panel Agriculture, Environment, Ecology, Earth Sciences committee chairs
Department or equivalent Geodetic and Geophysical Institute (Research Centre for Astronomy and Earth Sciences Hungarian Academy of Sciences)
Participants Barcza, Zoltán
Barta, Veronika
Hidy, Dóra
Taligás, Tímea
Starting date 2014-01-01
Closing date 2017-12-31
Funding (in million HUF) 58.605
FTE (full time equivalent) 9.40
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A dinitrogén-oxid (N2O) az emberi tevékenység által közvetlenül befolyásolt egyik legfontosabb üvegházhatású gáz (ÜHG). A mi viszonyaink között túlnyomó mennyisége a mezőgazdasági szektorból származik, ahol a talajeredetű kibocsátás érzékeny a környezeti feltételekre. A főbb ÜHG-ok közül Magyarországon a N2O kibocsátást ismerjük a legkevésbé pontosan. Kibocsátását alapvetően statisztikai módszerekkel, elméleti kibocsátási tényezők figyelembe vételével számolják, így az eredmények bizonytalansága meghaladja a 100 %-ot. Az egy-egy pontban végzett szórványos mérések (kamra módszer, véges számú levegőminta GC analízise) nem tették lehetővé a lezajló folyamatok dinamikájának a feltárását. Nem teszik lehetővé az éghajlatváltozás által a jövőbeni kibocsátásra gyakorolt hatás becslését. Az utóbbi évek technológiai fejlődése azonban lehetővé tette a N2O kibocsátás nagypontosságú folyamatos mérését finom időbeli felbontásban. A mérések területi reprezentativitása a mérőrendszer elhelyezésétől függ. A jelen projekt keretében a működő magas mérőtornyos felszín-légkör CO2 anyagáramot monitorozó mérőrendszerünket egy korszerű N2O monitorral egészítenénk ki, amely így folyamatos N2O kibocsátás adatokat szolgáltatna egy kiterjedt, jellegzetes mezőgazdasági területről. A rendelkezésre álló meteorológiai- és talaj-érzékelők lehetővé tennék a kibocsátási adatok értékelését és a folyamatok jobb megértését. Az adatokra alapozva adaptálható egy olyan folyamatorientált ökológiai modell, amely lehetővé teheti a jövőbeni, megváltozó éghajlati viszonyok közötti N2O kibocsátás előrejelzését is. A kidolgozásra kerülő méréstechnológia további kutatási projektek indítására ad lehetőséget.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

Annak ellenére, hogy a dinitrogén-oxid (N2O) az egyik legfontosabb emberi tevékenység által közvetlenül befolyásolt üvegházhatású gáz, kibocsátását csak nagy bizonytalansággal ismerjük. Ez különösen igaz a mezőgazdasági talajokra, melyekben a N2O-termelő mikrobiológiai folyamatok számtalan környezeti tényezőtől függnek. Ha nem ismerjük a kibocsátást elfogadható pontossággal és nem kellően értjük a háttérben zajló folyamatokat, akkor nem tudjuk meghatározni a légkör N2O-mérlegét és nem tudunk olyan matematikai modelleket felállítani, melyek lehetővé tennék a jövőbeni, változó éghajlati viszonyok közötti kibocsátás megbízható becslését. A beavatkozási stratégiák hatékonyságának értékeléséhez ugyancsak elengedhetetlenek a nagypontosságú kibocsátás-mérések. A jelen projekt keretében hosszú távú monitoring programot indítunk, amely először szolgáltat majd adatot a mezőgazdasági területek N2O kibocsátásának időbeli menetéről és dinamikájáról. Ezeknek az adatoknak a segítségével jobban megérthető lesz az N2O kibocsátás és a környezeti tényezők kapcsolata, továbbá elősegítik a jövőbeni kibocsátásra vonatkozó matematikai modellek fejlesztését, illetve validálását. A projekt elősegíti a megbízhatóbb és pontosabb hivatalos kibocsátás adatok megadását, amelynek éghajlatpolitikai jelentősége is lehet. A N2O kibocsátás mérését a CO2 felszín-légkör fluxus mérési metodikájára alapozzuk, de az eltérő biológiai folyamatok miatt nyilvánvalóan el is kell térni ettől. A közvetlen N2O kibocsátás-mérés új tudományos terület, így kutatásaink hozzájárulnak majd a mérési metodika fejlesztéséhez is.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A korszerű N2O monitor üzembe állítása a meglévő berendezésekkel együtt első ízben fogja lehetővé tenni Magyarországon egy jellemző mezőgazdasági terület N2O kibocsátásának közvetlen, nagy pontosságú és nagy időbeli felbontású költséghatékony mérését, ami ma még nemzetközileg is ritka. Ezzel a hatékony, új módszerrel egyelőre nemzetközileg is csak néhány helyen próbálkoznak, ezért a tervezett munkának módszer-fejlesztési jelentősége is van. A kapott mérési adatok lehetővé fogják tenni a mezőgazdasági talajok N2O kibocsátását vezérlő folyamatok vizsgálatát. Az eredmények segíteni fogják azoknak a matematikai modelleknek a fejlesztését és validálását, amelyeket a jövőbeli változások előrejelzésére használhatunk. A kialakításra kerülő mérőrendszer támogatja majd a hivatalos kibocsátás-jelentések megalapozását, hosszabb távon pedig a kibocsátás-mérséklési stratégiák hatékonyságának értékelését, aminek környezetvédelmi és éghajlatpolitikai jelentősége is lehet. A korszerű mérőrendszer növelni fogja a lehetőségeinket arra, hogy nemzetközi kutatási projektekhez csatlakozzunk, melynek az utóbbi időben egyre komolyabb akadályává vált a műszerpark elavultsága. A beszerezni tervezett analizátor a N2O mérése mellett képes a szén-monoxid (CO) mérésére is, amin keresztül becsülhető a fosszilis eredetű antropogén CO2 kibocsátás. A műszer birtokában a légköri CO2 antropogén hányadának meghatározására úgy indítható önálló kutatási projekt, hogy újabb műszerberuházással már nem kell számolni. A kialakításra kerülő mérőrendszer további befektetés nélkül alkalmas a talaj és a légkör közötti CO áramlás, a CO száraz ülepedés, a CO talajlakó mikroorganizmusok általi felvételének vizsgálatára később indítandó független projekt keretében. A korszerű, az ICOS igényeit kielégítő mérőeszköz megléte elősegíti csatlakozásunkat az Európai Unió ICOS (Integrated Carbon Observation System) pán-európai üvegházgáz megfigyelő hálózatához, melynek egyelőre egyetlen mérőhelye sincs Magyarországon vagy a környező országokban. Általánosságban, a jelen projekt, saját céljai megvalósításán túlmenően, számos további, párhuzamos vagy követő kutatásra ad lehetőséget.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A dinitrogén-oxid (N2O) az emberi tevékenység által közvetlenül befolyásolt egyik legfontosabb üvegházhatású gáz (ÜHG). A mi viszonyaink között túlnyomó mennyisége a mezőgazdasági szektorból származik, ahol a talajeredetű kibocsátás érzékeny a környezeti feltételekre. A korábbi idők műszaki nehézségei miatt az N2O kibocsátást egyelőre világszerte statisztikai adatokon alapuló becsléssel állapítják meg, és ez a legkevésbé pontosan ismert (bizonytalanság >100 %) fontosabb ÜHG. Ez a nagy bizonytalanság aláássa az éghajlati stratégiákat és a környezetvédelmi intézkedéseket. Az utóbbi évek műszaki fejlesztései lehetővé tették az N2O kibocsátás közvetlen mérését. A jelen projekt célja, hogy megkezdjük a mezőgazdasági területek (a legnagyobb N2O forrás) N2O-kibocsátásának közvetlen, nagypontosságú, folyamatos, nagy időbeli felbontású költséghatékony mérését egy működő monitoring rendszer korszerű N2O analizátorral való kiegészítése révén. A mérési adatok növelni fogják a hivatalos kibocsátás-jelentések megbízhatóságát és támogatják a döntéshozatalt, továbbá segítenek megérteni az N2O kibocsátáshoz vezető folyamatokat. Hosszabb távon segítik a kibocsátás-mérséklési erőfeszítések hatékonyságának a megítélését. A jelen projekt céljain túlmenően a telepítésre kerülő analizátor lehetővé teszi a légköri CO2 antropogén részének és a szén-monoxid légköri-talaj forgalmának a meghatározását önálló kutatási projektekben további beruházási költségek nélkül. A tervezett projekt növeli a nemzetközi kutatási programokhoz és mérőhálózatokhoz való csatlakozásunk lehetőségét, melyek hazai célokra is értékes információkat szolgáltathatnak.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Nitrous oxide (N2O) is one of the most important greenhouse gases (GHGs) directly influenced by anthropogenic activity. Under our condition its waste majority is emitted by the agricultural sector where the emission from soil is sensitive to the environmental conditions. In Hungary, N2O emission is known with the highest uncertainty among the major GHGs. Calculation of N2O emission is based essentially on statistical methods, theoretic emission factors, and the resulted uncertainty exceeds 100 %. The sporadic emission measurements applied momentary point sampling (chamber methods with GC analyses of a limited number of air samples) and they could not reveal the dynamics of the underlying processes. They do not allow the estimation of the future emission under changing climatic conditions. The technological development in the last few years have made it possible to continuously monitor the N2O emission with high precision and fine temporal resolution. The spatial representativeness depends on the location of the monitoring system. In the framework of the present project we intend to extend our existing tall tower surface-atmosphere CO2 flux monitoring system with a state-of-the-art N2O monitor that will provide continuous N2O emission data representative for an extended, typical agricultural region. The available meteorological and soil sensors will make possible the evaluation of the emission data, the better understanding of the ongoing processes. The data will allow the adaptation of a process oriented ecological model that helps the prediction of the future changes in N2O emission. The technology to be implemented offers possibilities for further research projects.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

In spite of the fact that nitrous oxide (N2O) is one of the most important greenhouse gases directly influenced by anthropogenic activity its emission is known only with high uncertainty. It is especially true for agricultural soils where the N2O-producing microbiological activity depends on several environmental factors. Without knowing the emission with acceptable accuracy and understanding the underlying processes we cannot compile the atmospheric budget of N2O and cannot construct reliable mathematical models that would make it possible to estimate the future emission under changing climatic conditions. High accuracy emission measurements are also prerequisite for the evaluation of the effectiveness of the mitigation strategies. In the framework of the present project we would like to initiate a long-term N2O emission monitoring program that will provide the first information on the temporal course and dynamics of N2O emission of agricultural fields. The data will allow the better understanding of the relation of N2O emission to the environmental factors and help the development/validation of mathematical model(s) for future emission. The project supports the more precise and sound official emission reporting that may also have climate policy implication. In the beginning, N2O emission monitoring will be based on the traditional surface-atmosphere CO2 flux measurement methodology, however, there are obvious differences due to the different biological processes. Direct N2O emission monitoring is a new field in science, therefore, our project will also contribute to the development of the monitoring methodology.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

Installation of the state-of-the-art N2O monitor coupled with the existing instrumentation will allow the cost-effective direct measurement of N2O emission of a typical agricultural region with high precision and high temporal resolution the first time in Hungary and among the firsts in the world. This powerful methodology is new and rarely applied yet in the world, therefore, the proposed work also contributes to the development of the methodology. The data obtained will allow the study of the processes controlling the N2O emission of agricultural soils. The results will help the development and validation of mathematical model(s) capable to predict future changes. The monitoring system to be developed will help the official emission reporting and the evaluation of the mitigation strategies on longer term that may also have environmental protection and climate policy implications. Introduction of the state-of-the-art instrumentation increases our potential to join international research projects that has been declined in the last years due to the outdated research infrastructure. In addition to N2O monitoring the instrument planned to be purchased is capable for the monitoring of carbon monoxide (CO), a potential proxy to the anthropogenic fossil fuel CO2 emission. Having the instrument, in the future, in the framework of a new project the fossil fuel share of atmospheric CO2 can be studied without extra investment cost. The monitoring system to be developed is also suitable at no extra investment cost for the study of the soil-atmosphere exchange of CO, its dry deposition, the CO uptake of soil microorganisms in another project. Possessing of this state-of-the-art ICOS compliant instrument helps us to join the ICOS (Integrated Carbon Observation System) pan-European greenhouse gas monitoring network of the European Union that has no monitoring site in Hungary and in the neighboring countries yet. In general, the realization of the present proposal, in addition to its own aims, will create the base for several parallel or follow-up research projects.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Nitrous oxide (N2O) is one of the most important greenhouse gases (GHGs) directly influenced by anthropogenic activity. Under our condition its waste majority is emitted by the agricultural sector where the emission from soil is sensitive to the actual environmental conditions. Due to the technical difficulties in the past, N2O emission is only estimated based on statistical data worldwide yet, and the emission values obtained have the highest uncertainty (>100 %) among the major GHGs. This high uncertainty undermines the climate strategies and environmental protection measures. Recent technological developments make the direct measurement of N2O emission possible. The aim of the project is the start of the direct, high precision, continuous measurement of N2O emission of agricultural fields (the highest emission source of N2O) with high temporal resolution in a cost effective way: completing an existing monitoring system with a state-of-the-art N2O analyzer. The measurement data will increase the reliability of the official emission reporting and support the decision-making, help to understand the processes controlling formation and emission of N2O. In longer term they help to evaluate the effectiveness of mitigation measures. In addition to the direct aim of the present project, the instrument to be installed will allow determining of the anthropogenic share of CO2 in the atmosphere, to study the carbon monoxide budget of the atmosphere and soil in separate project without additional investment cost. The instrument and the monitoring project increase our potential to join international research projects and monitoring networks providing information also for domestic use





 

Final report

 
Results in Hungarian
A kutatási program célja egy olyan mérőrendszer kiépítése volt, melynek segítségével folyamatosan mérhető, hogy egy tipikus magyarországi mezőgazdasági területről mennyi dinitrogén-oxid (N2O) kerül a levegőbe. A projekt során beszereztünk egy Model 913-0014 Enhanced Performance gyors válaszidejű N2O/CO/H2O gázelemzőt (Los Gatos Research Ltd., San Jose, CA, U.S.A.), a mérések hitelesítéséhez szükséges kalibráló gázokat és kiépítettük a műszer működtetéséhez szükséges gázelosztó rendszert. Mindezt hozzáillesztettük a hegyhátásli magas mérőtornyos üvegházgáz megfigyelő állomáson már működő, szén-dioxid fluxust mérő rendszerhez. A felszín felett 82 m-es magasságban elhelyezett, ennél fogva nagy területi reprezentativitású, több légköri komponens mérésére alkalmas rendszer világviszonylatban is egyedi, és potenciálisan példaértékű. Újdonság jellege miatt ki kellett dolgoznunk az adatkiértékelés és minőségbiztosítás metodikáját is. A mérések operatívan 2015 nyarán indulhattak meg, és a projekt zárásakor megjelentetett tudományos publikációban (Haszpra et al., 2018) kétéves mérési adatsort értékelhettünk ki. Megállapítottuk, hogy a vizsgált terület minden négyzetméteréről két év alatt 440 mg nitrogén jutott N2O formájában a levegőbe. Ennek a mennyiségnek a nagy része tavaszi-nyári rövid időszakok során kerül a levegőbe, részben a mezőgazdasági munkák, részben az extrém nagy csapadékokkal összefüggésben.
Results in English
The aim of the research project was the construction of a measuring system capable of the continuous monitoring of nitrous oxide (N2O) emission of a typical Hungarian agricultural region. For the project, a Model 913-0014 Enhanced Performance fast-response N2O/CO/H2O gas analyzer (Los Gatos Research Ltd., San Jose, CA, U.S.A.) was purchased along with calibration gases, and a gas distribution system was also built. The measuring system was combined with the carbon dioxide flux monitoring system already operational at Hegyhátsál tall tower greenhouse gas monitoring site. The measuring system mounted at 82 m above the ground having extended spatial representativeness and being capable of multispecies measurements is unique in the world, and it is potentially exemplary for the similar systems in the future. For this innovative system the complete methodology including data quality control also had to be developed. The operative measurement started in summer, 2015, and in the scientific publication (Haszpra et al., 2018) at the end of the project, a two-year data series could be evaluated. It was found that during the two years every square meter of the studied territory released 440 mg nitrogen into the atmosphere in the form of N2O. Much of this amount was emitted during short periods in spring-summer, partly due to the agricultural activities, partly to extreme precipitation events.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=109764
Decision
Yes





 

List of publications

 
Haszpra L, Hidy D, Taligás T, Barcza Z: First results of tall tower based nitrous oxide flux monitoring over an agricultural region in Central Europe, ATMOS ENVIRON 176: 240-251, 2018
Haszpra L, Barcza Z, Hidy D: First results of tall tower surface-atmosphere N2O measurements over a mixed agricultural region in Central Europe, 45th NOAA Global Monitoring Annual Conference, Boulder, Colorado, U.S.A., 23-24 May, 2017, 2017
Haszpra L, Barcza Z, Hidy D: First results of tall tower surface-atmosphere N2O flux measurements over a mixed agricultural region in Central Europe, 19th WMO/IAEA Meeting on Carbon Dioxide, Other Greenhouse Gases, and Related Measurement Techniques (GGMT-2017)”, Duebendorf, Switzerland, August 27–31, 2017, 2017
Haszpra L, Barcza Z, Hidy D: A bioszféra és a légkör közötti dinitrogén-oxid forgalom meghatározása magas mérőtornyos eddy-kovariancia méréstechnikával, 43. Meteorológiai Tudományos Napok, Budapest, 2017. november 23-24., 2017
Haszpra, L., Barcza, Z., Hidy, D., Taligás, T.: Dual purpose N2O monitoring at a tall tower site in Central Europe., 2nd ICOS Science Conference, Helsinki, Finland, 27-29 September 2016 (poszter, poster id: 33), 2016
Haszpra L, Barcza Z, Haszpra T, Pátkai Zs, Davis K J: How well do tall-tower measurements characterize the CO2 mole fraction distribution in the planetary boundary layer?, ATMOS MEAS TECH 8: (4) 1657-1671, 2015
Haszpra L, Barcza Z, Hidy D, Major I, Molnár M, Taligás T: Complex greenhouse gas monitoring and research programs at a WMO GAW tall tower site in Central Europe, In: 13th IGAC Science Conference on Atmospheric Chemistry . Natal, Brazília, 2014.09.22-2014.09.26. Kiadvány: 2014. pp. 167-168. Paper P2.27., 2014
Haszpra L, Barcza Z, Hidy D, Major I, Molnár M, Taligás T: Complex greenhouse gas monitoring and research programs at a WMO GAW tall tower site in Central Europe, In: 13th IGAC Science Conference on Atmospheric Chemistry . Natal, Brazília, 2014.09.22-2014.09.26. Kiadvány: 2014. pp. 167-168. Paper P2.27. , 2014
Bergamaschi, P., Corazza, M., Karstens, U., Athanassiadou, M., Thompson, R. L., Pison, I., Manning, A. J., Bousquet, P., Segers, A., Vermeulen, A. T., Janssens-Maenhout, G., Schmidt, M., Ramonet, M., Meinhardt, F., Aalto, T., Haszpra, L., Moncrieff, J., Popa, M. E., Lowry, D., Steinbacher, M., Jordan, A., O'Doherty, S., Piacentino, S., and Dlugokencky, E.: Top-down estimates of European CH4 and N2O emissions based on four different inverse models., Atmospheric Chemistry & Physics, 15. 715-736. doi:10.5194/acp-15-715-2015, 2015
Haszpra, L., Barcza, Z., Hidy, D., Taligás, T.: Dual purpose N2O monitoring at a tall tower site in Central Europe., 2nd ICOS Science Conference, Helsinki, Finland, 27-29 September 2016 (poszter, poster id: 33), 2016





 

Events of the project

 
2016-01-22 11:25:00
Résztvevők változása




Back »