A négyéves kutatási program célja a műtrágyázásból származó nitrogénveszteség fizikai mérési módszerekkel történő meghatározása volt. A munka három, egymásra épülő területet fogott át: terepi alkalmazásra alkalmas fotoakusztikus NH₃– és N₂O-mérőműszerek fejlesztését; a szántóföldi gázkicserélődés mérését és modellezését; valamint a ¹⁴N/¹⁵N izotópjelölésen alapuló, talaj- és növényi kibocsátásokat elkülönítő vizsgálati módszer kialakítását. A négy év során a műszerfejlesztés teljesült, a terepi ammóniafluxus-mérés megbízható módszertani alapokra került, az izotopológ-szelektív rendszer pedig laboratóriumi kísérletben igazolta alkalmazhatóságát.

A fejlesztést úgy szerveztük, hogy a műszerfejlesztés és alkalmazás műszakilag és tudományosan egymásra épüljön. A laboratóriumban meghatározott érzékenység és szelektivitás alapozta meg a terepi méréseket; a szántóföldi kampányok tapasztalatai visszacsatoltak a műszer- és mintavételi rendszer továbbfejlesztéséhez; a talaj-, növény- és meteorológiai kísérőadatok pedig lehetővé tették a mechanisztikus és adatvezérelt modellezést. Az izotópjelölt vizsgálatok ehhez olyan forrásazonosítási lehetőséget adtak, amellyel elkülöníthetővé válhat a műtrágya eredetű és a talaj természetes nitrogénkészletéből származó gázkibocsátás.

Középinfravörös kvantumkaszkád-lézereken alapuló, rövid válaszidejű fotoakusztikus mérőrendszereket fejlesztettünk. Az NH₃-mérés 10,39 µm, az N₂O-mérés 7,7 µm körüli hullámhosszon történik. A lézer modulációs paramétereinek optimalizálásával csökkentettük a légköri komponensekkel szembeni keresztérzékenységet. A kezdeti rendszerek 10 s-os mérési időnél NH₃-ra 5 ppb, N₂O-ra 6 ppb kimutatási határt értek el. A műszereket terepi használatra alkalmas műszerdobozba építettük, automatizáltuk, és több helyszínen, hosszú távú üzemben teszteltük. A fejlesztés eredményeként létrejött, szántóföldi koncentráció- és fluxusmérésre használható műszertechnika teljesítményét és módszertani sajátosságait a 2026-ban az Atmospheric Measurement Techniques folyóiratban megjelent közlemény mutatta be.

A fejlesztés első évében az NH₃– és N₂O-rendszerek spektroszkópiai és elektronikai alapjait, valamint a gázkezelést alakítottuk ki. Az N₂O-mérőt már 2023-ban terepi használatra alkalmas kivitelbe építettük, majd az NH₃-rendszerrel együtt több mérési kampányban vizsgáltuk a hosszú idejű stabilitást, a vízgőz és más légköri komponensek hatását, valamint az automatikus működés megbízhatóságát (1. ábra). A műszerek két egységben történő megvalósítása eltért a közös műszerre vonatkozó tervtől, de csökkentette a két eltérő hullámhossztartományból és üzemeltetési feltételekből adódó technikai kockázatot.

1. ábra: Fotoakusztikus NH₃ és N₂O mérő műszerek terepi alkalmazása.

A talaj-növény-légkör rendszer ammónia kicserélődésének leírására olyan mechanisztikus modellt dolgoztunk ki, amely figyelembe veszi a sztómákon és a levélfelszínen zajló kicserélődést, a talajkibocsátást, továbbá a talajból származó és a növényzet által újra felvett ammóniát. A modellkoncepciót és paraméterezési lehetőségeit összefoglaló tanulmány 2024-ben Q1 besorolású folyóiratban jelent meg. A terepi módszerfejlesztés során az örvény-kovariancia, majd a késleltetett örvényakkumuláció alkalmazhatóságát vizsgáltuk. Ezek a megoldások a rendelkezésre álló műszerrel és a szántóföldi koncentrációtartományban nem bizonyultak megfelelőnek, ezért áttértünk az aerodinamikai gradiens módszerre. A 2025. augusztus-szeptemberi kampány már kimutatta a műtrágyázást követő, fokozatosan lecsengő NH₃-kibocsátást; a módszer teljesítményértékelése 2026-ban Q1-es közleményként jelent meg.

A gradiens módszerhez két mérési magasság koncentráció különbségét, valamint a turbulens diffúziós együtthatót határoztuk meg a Monin-Obukhov hasonlósági elmélet alapján. A két mintavételi csatorna együttfutását külön inlet-összehasonlítással ellenőriztük; a közleményben bemutatott mérésben a csatornák szoros egyezést mutattak (r = 0,97; n = 3610), az átlagos különbség +0,28 ppb volt. A kidolgozott minőség-ellenőrzési eljárás a kedvezőtlen turbulencia, a nem megfelelő stabilitási feltételek és a fizikailag nem értelmezhető diffúziós együtthatók kiszűrését is tartalmazta.

A Kartalon végzett, 20 mérőpontra kiterjedő 2024-2025. évi vizsgálatokban a talaj NH₃-, N₂O- és CO₂-fluxusát talaj-, növény- és meteorológiai mérésekkel kapcsoltuk össze. A 2024. évi napraforgó-állományban az átlagos talajeredetű NH₃-fluxus 4,94 ± 5,87 nmol m⁻² s⁻¹ volt; a vegetációs időszak becsült kumulatív vesztesége mintegy 10 kg N/ha, vagyis a kijuttatott 54 kg N/ha közel 20%-a. A Random Forest elemzések az emissziós potenciált, a talajnedvességet, a talajhőmérsékletet és a nitráttartalmat azonosították a legfontosabb prediktorok között. A növényi kompenzációs pont meghatározásához fontos apoplasztikus pH hígításos becslésére külön módszert dolgoztunk ki, amelyet 2025-ben az ACS Omega folyóiratban közöltünk. A mélységi talajjellemzők és az NH₃-emisszió kapcsolatát vizsgáló eredmények 2026-ban a Nitrogen, illetve az Atmospheric Pollution Research folyóiratokban jelentek meg. Ezzel a program a műszeres megfigyelést, a folyamatértelmezést és az adatvezérelt előrejelzést egységes kutatási rendszerbe kapcsolta.

A kamrás adatsorok alapján a vegetációs időszak alatti N₂O-veszteséget is megbecsültük: a 13 mérési napra illesztett görbék 0,54-0,57 kg N₂O/ha, azaz 0,34-0,36 kg N/ha kumulatív kibocsátást adtak. A talaj NH₃-emissziója ennél lényegesen nagyobb nitrogénveszteséget képviselt. A mélységi mintavétel megmutatta, hogy az emissziót nem egyetlen talajparaméter szabályozza: a felszín közeli nedvesség és hőmérséklet mellett a pH, a humusztartalom, a nitrogénformák mélységi eloszlása és kölcsönhatásai is fontosak. Az egynapos, 20 parcellára épülő Random Forest modell keresztvalidált R²-értéke 0,418 volt; a teljes vegetációs idősor több mérési napját felhasználó modellek ennél nagyobb magyarázóerőt értek el. Az eredmények ezért nem egyszerű oksági állításként, hanem a releváns talajfolyamatok és indikátorváltozók azonosításaként értelmezhetők.

2026 február-július között a korábban alkalmazott aerodinamikai gradiens módszerrel vizsgáltuk a műtrágyázott talaj-növény rendszer ammónia kibocsátását. A mérési eredmények feldolgozása és publikálása folyamatban van.

A ¹⁵N-jelzett műtrágyákkal végzett kísérletek lehetővé teszik a talajeredetű N-források elkülönítését, valamint betekintést nyújt a műtrágyázott növényekben lejátszódó nitrogéncsere-folyamatokhoz kapcsolódó kémiai reakciókba. A módszer alkalmazásához kidolgoztuk a ¹⁴NH₃ és ¹⁵NH₃, továbbá a ¹⁵N¹⁴NO és ¹⁴N¹⁵NO izotopológok fotoakusztikus mérésének spektroszkópiai alapjait. A 10,3 µm-es tartományban működő NH₃-rendszer egyedi izotopológokra 3,3 s integrációs idő mellett 10,5 ppb (¹⁴NH₃), illetve 3,8 ppb (¹⁵NH₃) kimutatási határt ért el; 2,9 perces átlagolással ezek 1,4 és 0,5 ppb-re csökkentek. A spektrális tartomány kiválasztásakor a HITRAN adatbázis számított spektrumait és saját referenciaméréseinket egyaránt felhasználtuk. A 10383-10394 nm közötti teljes spektrum kiértékelése azért vált szükségessé, mert a két izotopológ egyedi vonalai a középinfravörös tartományban erősen átfednek. A külön végzett kalibrációk kiváló linearitást adtak (R² = 0,9998 a ¹⁴NH₃ és R² = 0,99967 a ¹⁵NH₃ esetében). Az erősen átfedő spektrumok szétválasztására legkisebb négyzetes spektrális felbontási eljárást vezettünk be. Hasonló koncentrációjú izotopológok egyidejű jelenlétében a mennyiségi meghatározás pontossága néhány tized ppm, ezért a rendszer elsősorban izotópdúsításos nyomjelzésre alkalmas, természetes izotóparány pontos mérésére jelenlegi formájában nem.

2. ábra: Izotópjelölt műtrágya alkalmazása után felszabaduló ¹⁴NH₃ és ¹⁵NH₃ fotoakusztikus mérése.

A dinamikus kamrát és a rhizoboxos mintavételt magában foglaló protokollt a klímakamrás partner költözése miatt új együttműködésben alakítottuk tovább. A ¹⁵N-jelölt NH₄Cl-lal végzett, 104 órás talajkísérletben a fejlesztett műszer valós időben külön mérte a ¹⁴NH₃ és ¹⁵NH₃ felszabadulását (2. ábra). A koncentrációk rendre 0,10 és 2,07 ppm, illetve 0,04 és 0,47 ppm között változtak, a kibocsátás a második napon tetőzött, majd csökkent. A ¹⁵NH₃ részaránya 20,7 ± 4,4% volt, összhangban a műtrágya 25,1%-os ¹⁵N-részarányával, és a teljes NH₃-idősor jól egyezett a referencia-műszer eredményeivel. Egy elkészült, bírálat alatt lévő kézirat (ACS Omega) e fejlesztést és validálást foglalja össze. A növényi és talajeredetű kibocsátás teljes körű elkülönítéséhez további növénykísérletek szükségesek, de a szükséges mérőrendszer és protokoll létrejött.

3. ábra: Rhizoboxból kivett növény gázemissziójának mérése egyedi gázmintavevő kamrával.

A klímakamrás módszer megvalósítását a klímakamrát biztosító partner költözése átmenetileg hátráltatta. Erre válaszul új együttműködést alakítottunk ki a HUN-REN Szegedi Biológiai Kutatóközponttal. Emellett továbbfejlesztettük a dinamikus kamrát, és kidolgoztuk a háttérkoncentráció változásából eredő hibák korrekcióját. A rhizoboxos elrendezésben a növény a talajtól fizikailag elválasztható, így azonos műszerrel külön mérhető a talaj- és a növényi gázcsere (3. ábra). Kísérletileg igazoltuk a ¹⁵N¹⁴NO és ¹⁴N¹⁵NO izotopológok mérhetőségét is, de a növényen végzett teljes validálás és a természetes izotóparány meghatározása további fejlesztést igényel.

Összegzés

A program eredményeként terepi és laboratóriumi körülmények között használható fotoakusztikus mérőműszerek, validált ammóniafluxus-mérési eljárás, mechanisztikus és gépi tanulási modellek, valamint izotópjelölt nitrogénformák követésére alkalmas módszertan jött létre. A kutatásokhoz közvetlenül kapcsolódó eredményeket 2024-2026 között több lektorált közleményben publikáltuk, további egy izotopológ-mérési kézirat publikálása pedig folyamatban van. A munkába a projekt végére három PhD-hallgató kapcsolódott be, a mérések alapján egy disszertáció készült, és megerősödött az együttműködés az agrár-, talajtani, biológiai és légkörkutatási partnerekkel. Az eredmények olyan mérési és modellezési alapot teremtenek, amely műtrágyázási technológiák összehasonlítására, a nitrogénhasznosulás javítására és a környezeti nitrogénterhelés csökkentését célzó beavatkozások értékelésére is felhasználható.