Växthusgasernas kemi och biologi

Transkript

1 Växthusgasernas kemi och biologi När och hur bildas växthusgaser och vad kan vi göra för att minska jordbrukets utsläpp av koldioxid, metan och lustgas? Fil.Dr. Åsa Kasimir Klemedtsson Inst. För Växt- och Miljövetenskaper, Göteborgs Universitet

2 Ökning av Växthusgaser i atmosfären Koncentration i atmosfären Koldioxid Metan Lustgas CO 2 (GWP 1) CH 4 (GWP 23) N 2 O CO 2, från Förbränning av kol och olja, samt från jordbruksmark CH 4, från risodling, idisslande husdjur och stallgödsel N 2 O, från (GWP 296) jordbruksmark och stallgödsel År

3 Carbon emissions and uptakes since 1800 (Gt C) 140 Land use change 265 Fossil emissions 115 Oceans 110 Terrestrial 180 At mosphere

4

5 Jordbruket släpper främst ut tre växthusgaser; metangas (CH 4 ) från husdjur (främst idisslare), lustgas (N 2 O) från åkermark koldioxid (CO 2 ) från förbränning av olja och diesel. Utsläpp från förbränning, som. oljepannor, arbetsmaskiner o.dyl. är medräknade. Upptag och avgång av koldioxid från mark är inte inräknade. CO2 från mark är i storleksordningen 5% av totala emissioner. Historiskt är förändrad markanvändning en avgörande faktor för tillskott av växthusgaser.

6 10% av Sveriges åkermark uppskattas vara Organogen Stora mängder CO 2 och N 2 O avges motsvarande 10% av totala antropogena emissioner från Sverige

7 Kg CO2-eqv. m-2 år-1

8 Anaerob nedbrytning av organiskt material frigör metan, CH 4 Bakterier bryter ner organiskt material (till exempel gödsel eller matrester) i syrefri miljö = rötning. Kolhydrater, fetter och proteiner bryts stegvis ner till koldioxid, vatten och metan Processen sker i: Sjöbotten Våtmarker Risodling Avfallstippar I magen hos framförallt idisslande djur Lagring av stallgödsel Biogastank I en kompost bryts organiskt material idealt ner m.hj.a. syre vilket gör att det inte bildas metan

9 Rapporterade utsläpp av CH 4 från Sverige

10 Nötkreatur i Sverige antal Kalvar under 1 år Övriga nöt 1 år och däröver Kor för uppfödning av kalvar Kor för mjölkproduktion Källa: SCB

11 Totalkonsumtion av kött, kg per person och år Källa: Jordbruksverkets statistik

12 Bakterier i marken bildar också N 2 O NO N 2 O NO N 2 O NO 3 - NH 4 + N 2 Nitrifikation Denitrifikation Efter Firestone & Davidson 1989 Nitrifikation Kemoautotrofa bakterier av två slag: Ammoniumoxiderare oxiderar NH 4+ till NO 2 - Nitritoxiderare oxiderar nitrit till NO 3 - Kräver O 2 Autotrofa, fixerar CO 2 Utlakning Denitrifikation Heterotrofa nedbrytande bakterier Energi tillförs genom nedbrytning av organiska föreningar Vid syrebrist kan NO 3 - ersätta O 2 N 2 O bildas vid små mängder O 2

13 Bakterier i marken bildar N 2 O när det är blött och det finns tillgängligt kväve (N) Uppsamling av gas i fält Av global N 2 O tillförsel till atmosfären bildas ca 65% i mark

14 Var finns kväve? Stratosfär 20 km Troposfär 90% av atmosfärens massa N 2 78% O 2 21% Ar 0,9% N-fixering Uppbundet i humus och levande organismer Växthusgaser: H 2 O CO 2 CH 4 N 2 O Dipolkaraktär-Vibrationsenergi Infraröd strålning absorberas Jordens medeltemperatur är nu 15 C Om ej växthuseffekt så -17 C Jorden N 2 Denitrifikation

15 Kvävefixering Biologisk kvävefixering Bakterier som kan ta N 2 ur luften för att bygga livets molekyler Frilevande eller Symbios med t.ex. ärtväxter Industriell kvävefixering I fabrik, fossil energi används för att omvandla luftens N 2 till ammoniak NH 3 Från 1950-talet, stadigt ökad global produktion och användning

16 The data on which the IPCC emission factor for direct emission from soil relies on, from Bowman (1996) 7 N 2 O emission, kg N ha -1 yr y = 0,0125x + 0,91 R 2 = 0, N application, kg N ha -1 yr -1

17 N2O emissions from drained organic forest soils are correlated to C/N 4 Annual N 2 O emission (g m -2 yr -1 ) C/N i soil organic matter (Klemedtsson et al., manuskript)

18 Nej Kan vi minska kvävecykeln? N är byggsten i: aminosyror som i sin tur bygger proteiner, som är byggmaterial för celler samt enzymer nukleinsyror som bygger DNA och RNA, arvets molekyler Utan N inget liv som vi känner det på jorden N är oftast begränsande för tillväxt i ekosystemen Vi ökar den

19 Global tillförsel av kväve från atmosfärens N 2 till reaktivt N, Tg N / år. T = År Naturligt: Åska 5,4 5,4 5,4 Biologisk N-fixering På land Biologisk N-fixering I hav Summa naturligt: Orsakad av människan: Haber-Bosch Biologisk N-fixering Odlade grödor 15 31,5 50 Förbränning av fossila bränslen 0,3 24,5 52,2 Summa antropogent: Total Summa: Efter Galloway et al i Biogeochemistry.

20 Mängden reaktivt kväve som finns i biosfären avgör tillförseln av N 2 O till atmosfären Ca 400 Tg N fixeras / år 16 Tg N / år tillförs atmosfären som N 2 O* ger 4% av global N-fixering * Prather et al. 2001

21 Fossila bränslen ger mer CO 2 i atmosfären och Biobränslen sägs vara kol i kretslopp, så ingen nettoökning

22 Crutzen P.J., Mosier A.R., Smith K.A. and Winiwarter W. : N 2 O release from agro-biofuel production negates global warming reduction by replacing fossil fuels In : Atmos. Chem. Phys. Discuss. 7: , 2007

23 Från abstract: When the extra N2O emission from biofuel production is calculated in "CO2-equivalent" global warming terms, and compared with the quasi-cooling effect of "saving" emissions of fossil fuel derived CO2, the outcome is that the production of commonly used biofuels, such as biodiesel from rapeseed and bioethanol from corn (maize), can contribute as much or more to global warming by N2O emissions than cooling by fossil fuel savings. Crops with less N demand, such as grasses and woody coppice species have more favourable climate impacts. This analysis only considers the conversion of biomass to biofuel. It does not take into account the use of fossil fuel on the farms and for fertilizer and pesticide production, but it also neglects the production of useful co-products. Both factors partially compensate each other. This needs to be analyzed in a full life cycle assessment.

24 3-5% av global N-fixering avgår som N 2 O Crop rn (gn / kg dry matter) Relative warming (Meq/M) Rapeseed 39 1,0-1,7 Wheat 22 1,3-2,1 Barley, Oat 19 1,1-1,9 Maize 15 0,9-1,5 Sugar cane 7,3 0,5-0,9 Relative warming means amount of N 2 O in CO 2 -eqv. compared to CO 2 in produced fuel. >1 no gain, due to N 2 O loss

25 Mellby, Sandy soil in south west Sweden. Calcium Ammonium Nitrate, 120 kg N ha-1 yr -1. Treatments, 2 kg N 2 O-N ha -1 yr Control Broadcasting Drilling 150 µg N 2 O-N m -2 h May June May June July August September October November December February March April May June The fertility and management history determines the emission.

26 N2O Emission, kg N hā 1 yr Sweden y = x R 2 = 0.08 Sweden Germany Fertiliser to cerals, north 50ºN in Europe, measurements at least 8 months duration Germany y = x R 2 = Denmark y = x + 1,0 R 2 = 0.65 UK y = x R 2 = Germany Denmark N application, kg N ha -1 yr -1 UK Finland Sweden UK Denmark

27 Vad som produceras i jordbruket styr hur mycket kväve som behöver cirkulera Mängd N som behöver tillsättas i primärproduktionen för att erhålla en produkt som innehåller 1 kg N: Produkter Grönsaker och spannmål Mjölkprodukter Köttprodukter, ätbara delar kväve tillsatt till åker: 3 kg N 14 kg N 21 kg N Bleken and Bakken, 1997

28 Vad göra Producera och Konsumera mindre mängd kött Organogena jordar, permanent gräsbevuxna med hög grundvattenyta Tro inte att jordbruket kan försörja samhällets gigantiska transportsystem med bränsle så att utsläpp av växthusgaser drastiskt minskas