Det store nitrogen-kretsløpet

Nitrogen bidrar til den globale oppvarminga og nitrogenavsetninger i naturlige økosystem reduserer det biologiske mangfoldet. Menneskelig aktivitet det siste hundreåret har gitt stor ubalanse i nitrogenkretsløpet og mulighet for økt forurensning. Vi må derfor kontrollere nitrogenstrømmene bedre for å unngå større problemer i framtida.

Livsnødvendig næringsstoff

Nitrogen fins i aminosyrer, proteiner og i DNA, og er et helt nødvendig næringsstoff for planter, dyr og mennesker. Nitrogen fins i store mengder i naturen, men mesteparten forekommer i en form som de fleste levende organismer ikke kan nyttiggjøre seg, nemlig som inaktivt, molekylært N₂ i lufta. Nitrogen fins også i biologisk tilgjengelige/reaktive former, noe som betyr at organismer kan benytte det i sin vekst. Dette er livsnødvendige forbindelser, men samtidig kan slike stoffer forårsake store problemer lokalt og globalt, ved at de kan forurense luft og vann, forårsake ukontrollert vekst, gi skader på ulike organismer og bidra til global oppvarming.

Stor menneskelig påvirkning

Fra naturens side kan luftas nitrogen bli biologisk tilgjengelig/reaktivt ved hjelp av lynutladninger eller ved hjelp av mikroorganismer. De mest kjente av disse mikroorganismene for jordbruket er Rhizobium-bakteriene, som lever i symbiose med belgvekster. Økt dyrking av belgvekster øker derfor mengden biologisk tilgjengelig/reaktivt nitrogen globalt. Annen menneskelig aktivitet som bidrar til å frigjøre og øke mengden nitrogen i omløp, er avskoging og oppdyrking og forbrenning av fossilt drivstoff.  Dessuten har produksjonen av kunstgjødsel økt mengden av slik nitrogen kraftig i løpet av de siste 100 årene.

Det er beregnet at omdanning av luftas nitrogen til biologisk aktivt nitrogen på grunn av slik menneskelig aktivitet globalt utgjør 150 mill tonn årlig. Av dette står kunstgjødsel for 80 og biologisk nitrogenfiksering i landbruk for 40 mill tonn nitrogen per år, forbrenning av fossilt brensel 20 og brenning av biomasse 10 mill tonn årlig.  Dette er mer enn alle naturlige prosesser til sammen. Danning av biologisk tilgjengelig nitrogen utenom menneskelig aktivitet er beregnet til 140 mill tonn årlig, 120 av disse dannes ved biologisk nitrogenfiksering. I Europa (EU) produseres det nå 15 mill tonn reaktivt nitrogen årlig gjennom energiproduksjon, transport, avfallshandtering og jordbruk. Det er 4 ganger så mye som rundt 1900.  Mengden reaktivt nitrogen fra kunstgjødsel øker stadig, mer enn halvparten av all kunstgjødsel som er produsert, er framstilt etter 1985.  

Hva skjer i jorda?

Omdanningsprosessene i jorda er viktig for å forstå nitrogenets kretsløp. Når plantemateriale brytes ned, dannes blant annet ammonium. Ammonium dannes også når belgvekstene binder nitrogen fra lufta. I jorda kan ammonium (NH₄⁺) bli omdanna til nitrat (NO₃^-). Dette kalles nitrifikasjon og er en viktig del av nitrogenkretsløpet. Plantene tar lettest opp nitrat, men tar også opp ammonium og enkle organiske molekyler. Nitrat binder seg dårlig i jorda og kan lett vaskes ut fra jordsmonnet.  Det kan også tapes ved denitrifikasjon. Nitrogen blir da redusert fra nitrat (NO₃^-) og nitritt (NO₂^--) til nitrogenoksid (NO), lystgass (N₂O) eller molekylært nitrogen (N₂), avhengig blant annet av hvor mye oksygen som er til stede. Denitrifikasjon kan skje overalt der det er tilgjengelig nitrat og mangel på oksygen, og er hovedkilden til utslipp av lystgass fra jordbruket. Mange menneskeskapte faktorer påvirker disse prosessene, blant annet drenering, jordpakking, kalking og nitrogengjødsling.

Dårlig effektivitet

Biologisk fiksert og industrielt framstilt nitrogen er biologisk tilgjengelig, men av ulike årsaker er det bare en del av dette nitrogenet som brukes som byggestein i plante- og husdyrprodukter. For hvert ledd i produksjonsprosessen forsvinner en del av næringsstoffet. Nitrogeneffektiviteten (andel av tilført nitrogen som finnes igjen i jordbruksproduktene) avtar med økende tilførsel av nitrogen. På verdensbasis er det antatt at bare mellom 40 og 60 % av tilført nitrogen som gjødsel tas opp av kulturplantene, resten lagres i jord eller tapes til vann eller luft. Effektiviteten er mindre enn 50 % i land hvor nitrogenoverskuddet er mer enn 8 kg per daa og mer enn 70 % i land hvor nitrogenoverskuddet er mindre enn 5 kg per daa.

Effektiviteten i ulike produksjoner varierer. Nitrogeneffektiviteten i verdens kornproduksjon har sunket fra 80 til 30 % fra 1960 til 2000. For eksempel viser beregninger av svineproduksjon i USA at mindre enn 20 % av nitrogenet tilført jorda gjenfinnes i kjøttet som konsumeres. Forskere har regnet ut at rundt 1990 var nitrogeneffektiviteten for hele det norske jordbruket rundt 12 %.  Planteproduksjon direkte til menneskemat har bedre nitrogeneffektivitet enn animalsk produksjon. Det betyr at i et kosthold med mye animalske proteiner vil nitrogeneffektiviteten være lav. I USA er derfor nitrogeneffektiviteten i kostholdet bare 10 %, mens det i Kina er 28 %.

Mengden nitrogen og fosfor som tilføres norske gårder gjennom kraftfôr og gjødsel er betydelig større enn mengden som fjernes i solgte produkter. Norsk landbruk har et årlig overskudd av nitrogen på 12 - 13 kg per daa i gjennomsnitt, størst er dette overskuddet i husdyrområdene. Basert på dekningsbidragskalkyler fra NILF i 2007 har beregninger vist et gjennomsnittlig nitrogenoverskudd på melkeproduksjonsbruk i husdyrdistrikt på rundt 17 kg nitrogen per daa og år. På Jæren var overskuddet hele 26 kg per daa og år.

Hvor tar nitrogenet veien?

Nitrogen som ikke bindes inn i ulike organismer på landjorda kan tapes til vann eller luft. Landbrukets andel av det som samlet tilføres havet langs hele norskekysten er i underkant av 30 %. Kilder ellers er kommunalt avløp, industri og akvakultur. Om lag 13 400 tonn nitrogen rant ut i havet på strekningen fra Svenskegrensa til Lindesnes i 2013, 58 % av disse utslippene kom fra landbruket.

Nitrogen forsvinner til luft i form av ammoniakk, lystgass og nitrogenoksider. I 2014 ble de norske ammoniakkutslippene fra jordbruk beregnet til 23 000 tonn. Jordbruket er den helt dominerende kilden for utslipp av ammoniakk, og står for 90 % av samlete norske utslipp. Husdyrgjødsel står for mer enn 90 % av ammoniakkutslippene jordbruket, disse tapene stammer både fra lagring og spredning.

I 2014 stod jordbruket for rundt 68 % av lystgassutslippene i Norge. Kildene derfra er hovedsakelig kunstgjødsel og husdyrgjødsel, men også avrenning, dyrking av myr, biologisk nitrogenfiksering, kloakkslam og restavlinger gir utslipp. I tillegg slippes det ut lystgass fra fabrikkene som produserer kunstgjødsel-nitrogen. Utslippene per produsert kg nitrogen kan reduseres med ny renseteknologi. Yara garanterer nå at utslippene av karbondioksid og lystgass fra kunstgjødselproduksjonen beregnet på norsk landbruk ikke overstiger 4 kg CO₂-ekvivalenter per kg nitrogen produsert. Lystgass utgjør i underkant av halvdelen av dette.

Er det så farlig, da?

Biologisk aktivt nitrogen kan ha dramatiske konsekvenser for miljøet, både lokalt og globalt. Nitrogen er knytta til mange av de miljømessige hovedutfordringene menneskene står overfor. Stikkord er blant annet forsuring av jord og vann, økte ozonmengder i troposfæren (nær bakken) og nedbryting av ozon i stratosfæren, global oppvarming, redusert biodiversitet, eutrofiering av innsjøer og elver og økning av nitratinnhold i grunn- og overflatevann. Utslipp av lystgass har alvorlige konsekvenser for global oppvarming, med effekt av gassen omtrent 300 ganger sterkere enn CO₂. Et enkelt molekyl av reaktivt nitrogen kan gi ulike miljøproblemer fordi det veldig lett kan veksle mellom å være i jord, luft eller vann og kan inngå i mange reaksjoner som gir en kaskade av effekter. Dette gjør nitrogen til et mer komplekst miljøproblem enn mange andre forurensningskilder.

Mange landområder påvirkes av økt mengde reaktivt nitrogen, ved at nitrogen i forskjellige former fraktes med vind og vær og faller ned sammen med nedbør eller som del av gasser eller partikler. I dag avsettes årlig nær 1 kg nitrogen per dekar på Vestlandet gjennom nedbøren.  Med økende nedbør i årene som kommer kan avsetningene også øke. En kg nitrogen per dekar er mye i naturlige økosystemer, og dette vil påvirke den botaniske artssammensetningen negativt ved at noen få, nitrogenelskende arter vil utkonkurrere arter som trives best med lite nitrogen. Det øker også gjengroingen av landskapet ved at veksten øker.

Flere områder i verden har allerede nådd det stadiet da avsetning og lagring av nitrogen i jorda har stagnert fordi jorda er mettet, og tapet av det reaktive nitrogenet til luft og vann øker derfor tilsvarende.

Store kystnære havområder, gjerne nær utløpet av store elver, er ”døde”. Nesten alt liv er forsvunnet her på grunn av oksygenmangel, fordi tilførselen av nitrogen og andre næringsstoffer gir gode vilkår for algevekst. Til denne veksten trenger algene også oksygen.  En regner med at omtrent 245 000 km² havområder nå er slike døde soner.

Forskere har beregnet at Jordas tålegrense for menneskeskapt reaktivt nitrogen per år kanskje ikke er mer enn 25 % av dagens produksjon, dvs 35 mill tonn. Dette betyr at endringer må til, både lokalt, nasjonalt og internasjonalt, med både biologiske og politiske tiltak.

Definisjoner

Reaktivt nitrogen: omfatter alle biologisk og kjemisk aktive nitrogenforbindelser i atmosfæren og biosfæren. Omfatter former av nitrogen som ammonium og ammoniakk, nitrogenmonooksid, nitrogendioksid, lystgass, nitrat og organiske forbindelser som urea, aminer, aminosyrer og proteiner. I motsetning til molekylært nitrogen er disse forbindelsene kjemisk ustabile og kan reagere med andre emner, derav navnet. Disse nitrogenforbindelsene kan skape en rekke negative miljøeffekter i luft, jord og vann.

Nitrogensyklus: Omdanning av molekylært nitrogen, gjennom fiksering, til ulike former for reaktivt nitrogen, inkludert det som forsørger jordas biota, og tilbake til molekylær form gjennom denitrifikasjon. Nitrogensyklusens naturlige balanse har blitt forandret av menneskelig aktivitet og dannelsen av kunstige prosesser for å produsere mer reaktivt nitrogen for å fremme jordbruksproduksjonen.

Kilder

• Bleken, M.A. & L. R. Bakken 1997. The nitrogen cost of food production: Norwegian society. Ambio, Vol 26, no 3, pp. 134-142
• Braun, E. 2007. Reactive Nitrogen in the Environment. Too much or too little of a good thing. UNEP, WHRC. 
• Diaz, R.J. & R. Rosenberg 2008. Spreading Dead Zones and Consequences for Marine Ecosystems. Science, vol 321, no 5891, pp. 926-929
• Erisman, J. W. m.fl. 2015. Nitrogen: too much of a vital resource. Science Brief. WWF Netherlands, Zeist, NL.
• Erisman, J.W., H. van Grinsven, B. Grizzetti, F. Bouraoui, D. Pawlson, M.A. Sutton, A. Bleeker & S. Reis 2011. The European nitrogen problem in a global perspective. In: M.A. Sutton et al: The European Nitrogen Assessment, Cambridge University Press
• Erisman, J. W, M. A. Sutton, J. Galloway, Z. Klimont & W. Winiwater 2008. How a century of ammonia synthesis changed the world. Nature Geoscience, vol 1, s 636-639.
• Hansen, S., J. Morken, L. Nesheim, M. Koesling & G. Fystro 2009. Reduserte nitrogenutslipp gjennom bedre spredningsrutiner for husdyrgjødsel. Bioforsk Rapport 4 (188), 47 s.
• Lyche, A. 2010. Beregninger av nitrogenbalansen på 50 gårdsbruk i kommunene Midsund, Fræna, Gjemnes, Surnadal og Rindal. Rapport Landbruk Nordvest, Sunndalsøra, 15 s.
• NILF 2007. Driftsgranskinger i jordbruket 2007. Norsk institutt for landbruksøkonomisk forskning.
• Matson, P. A., W.J. Parton, A. G. Power & M. J. Swift 1997. Agricultural Intensification and Ecosystem Properties. Science, Vol 277, pp 504-509
• Rockström, J. et al. 2009. Planetary Boundaries: Exploring the safe operating space for humanity. Ecology and Society 14 (2):32
• SSB 2016. Jordbruk og miljø. Tilstand og utvikling 2015. Rapport 14
• Vitousek, P.M. et al. 1997. Human Alteration of the Global Nitrogen Cycle: Causes and Consequences. Issues in Ecology, no 1.

Les mer

Battye, W., V.P. Aneja & W.H. Schlesinger 2017. Is nitrogen the next carbon? Earth's Future 5, s. 894-904

Bechmann, M. m.fl. 2023. Tiltak for bedre nitrogenforvaltning i norsk jordbruk. NIBIO Rapport nr. 44, 2023

EPOK 2020. Ny studie sammanställer de globala lustgasutsläppen. www.slu.se 21.10.

Tian, H. m.fl. 2020. A comprehensive quantification of global nitous oxide sources and sinks. Nature, vol 586, s. 248-256