Växtföljdens långsiktiga effekter på skörd och kolinlagring. Thomas Kätterer Inst. för mark och miljö

Transkript

1 Växtföljdens långsiktiga effekter på skörd och kolinlagring Thomas Kätterer Inst. för

2 Disposition Markens roll i den globala kolcykeln Hur mäter man kolinlagring Nedbrytning och humifiering Kolbalanser i svensk jordbruksmark Resultat från långliggande försök: växtföljder, stallgödsel, skörderesthantering och N-gödsling Hur vi kan påverka kolinlagringen

3 Kol är huvudbyggstenen i all organisk material H other N C C% ökar i regel under nedbrytning i marken, från ca. 40% i växtrester till ca. 60%. O Organiskt material i marken (mull) har en genomsnittlig kolhalt på drygt 50%. Mullen påverkar många markegenskaper och är den enskilt viktigaste bördighetsfaktorn

4 Marken spelar en central roll i den globala kolcykeln (Pg C) per år organiskt kol i sediment, våtmarker, kol, gas, olja Kätterer,

5 Antropogena CO 2 -utsläpp ( ) Vart tar de vägen? 1.4 Pg C år Pg C år -1 45% avskogning 3.0 Pg C + år Pg C år 29% -1 kolinlagring 26% 2.3 Pg C år -1 Le Quéré et al. 2009, Nature-geoscience; Canadell et al. 2007, PNAS, updated 5

6 Hur mäter man kolbalansen? 1. Mikrometeorologiska metoder (eddy flux) Ett dygn Ett år Mäter hela ekosystemet Bra för förståelse av ekosystem Bara korta tidsserier tillgängliga Norunda; SLU Fakta Skog nr 2, 2000

7 Kätterer et al NCAE 70: Hur mäter man kolbalansen? 2. Förändringar i kolförråd i långliggande försök eller återkommande karteringar Kungsängen Kol i matjorden C (ton ha -1 ) ΔC=30% Ökning =0.1 ton C /ha och år Ökning =0.4 ton C /ha och år Ökning =0.2 ton C /ha och år Betesmark Åker fram till 1970, sedan betesmark Åker sedan 1860

8 Sker det en kolfastläggning i svenska betesmarker? Nationell markinventering permanenta rutor 383 rutor på betesmark Förändringar i kolförråd (Karltun et al., 2010) Kolfastläggning i svenska betesmarker förmodligen försumbar Högre intensitet (gödsling, betestryck) kunde öka förråden men negativa effekter på biodiversitet

9 Potential för minskad klimatpåverkan inom jordbruket Cropland management Grassland management Cultivated organic soils Restoration of degraded land IPCC assessment report 4, wg3

10 Åkermark i den nationella klimatrapporteringen: Kolbalanser i mineraljordar beräknas med en dynamisk modell, ICBM Bygger på: Heltäckande markinventering 1990-talet SMHI-klimatstationer Jordbruksstatistik Modellen körs för 864 kombinationer : 8 produktionsområden; 9 grödtyper; 12 jordarter PO 5,7,8 Resultat Kolförråden ökar från syd till norr Mineraljordar nära balans Organogena jordar stor källa för CO 2 och N 2 O Andrén et al NCAE 81: PO 1

11 Cropland remaining cropland 2013 Soil organic carbon 0,5 0-0,5 M ton CO ,5-2 -2, Net carbon change in mineral soils Subm 2013 Net carbon change in organic soils Subm 2013 Net carbon change in mineral soils Subm 2012 Net carbon change in organic soils Subm 2012 Net carbon change in mineral soils Subm 2011 Net carbon change in organic soils Subm 2011

12 Kolhalten i marken styrs av fotosyntes och nedbrytning Nedbrytningshastighet CO 2 Fotosyntes Nedbrytning styrs främst av Styrs av jordbrukarens beslut Skörd Till marken temperatur vattenhalt ph Svårare att påverka foto: Erik Sindhoj Nedbrytningshastighet

13 Nedbrytningsprocessen Tid Dag 0 Växt- eller djurrester 3 mån Lättnedbrytbara föreningar är borta MB CO 2 1 år Svårnedbrytbara för. kvar MB H CO 2 2 år Svårn. för. M H CO 2 6 år H CO 2 30 år CO 2 MB= mikrobiell biomassa; H=humus

14 Nedbrytning och humusbildning 120 Nedbrytning av olika jorförättringsmedel (Kolenbrander, 1974) Kvarvarande massa (%) Torv 1 Torv 2 Torv 3 Sågspån Stallgödsel Halm Gröngödsel År 14

15 Ultuna Ramförsök Samma mängd kol tillförsel i olika material vartannat år +/- N gödsling 15 behandlingar x 4 block

16 Markkol i ramförsöket C % (0-20cm) Kätterer et al. (2011) Agriculture, Ecosystem and Environment 141, Torv+ M N Torv I ORötslam Stallgödsel+ K P Stallgödsel J NSågspån + N Halm+ G N LSågspån Gröngödsel H Halm F Cyanamid E C Kalksalpeter Ammoniumsulfat D BKontroll ASvartträda

17 2.5 Gröngödsel 2.5 Stallgödsel 2.5 Rötslam Relativ skörd F irst y ear Second year after applicati on F irst y ear Second year after applicati on Skörd i N gödslad Halm +N Sågspån +N Torv +N Relativ skörd F irst y ear Second year after applicati on F irst y ear Second year after applicati on Skörd i N gödslad Halm -N Sågspån -N Torv -N Relativ skörd F irst y ear Second year after applicati on F irst y ear Second year after applicati on Skörd i ogödslad Öppna symboler: Fyllda symboler: Första året efter organiska tillsatser Andra året efter organiska tillsatser

18 Hur stor andel av tillfört material finns kvar i marken? Tillfört C input org. mat. (Mg ha (ton/ha) -1 yr -1 ) Tillförd mängd C av olika kvalitet A B C D E F G H I J K L M N O Treatment Humifiering Gröngödsel 12% Halm 15% Sågspån 25% Stallgödsel 27% Rötter 35% Rötslam 41% Torv 59% Rötternas effekt på mullen är 2,3 gånger större jämfört med halm Illustration: Kent Simmons, University of Winnipeg Kätterer et al., 2011

19 Tillförsel av organiskt material och kvävegödsling leder till högre kolförråd i marken Kvävegödsling leder till högre rotproduktion Detta leder till kolinlagring ( kg C per kg N)

20 Resultat från Lanna ( ) bekräftar betydelsen av rötter för mullbildning C tillfört (kg ha-1 yr-1) Kol till marken Kompost Rötslam Stallgödsel Gröngödsel Rötter Stubb Djup (cm) 0,0 1,0 2,0 3, C% i marken Svart träda Ogödslat Nitrat Ammonium Gröngödsel Rötslam Stallgödsel Rötslam+metaller Kompost Humifiering Stubb 0.12 Rötter 0.31 Gröngödsel 0.12 Stallgödsel 0.22 Rötslam 0.16 Kompost 0.47

21 Mullen påverkar markens fysikaliska egenskaper pf-kurva, Ultuna (Kirchmann & Gerzabek, 1999) Volymvikt (g/cm 3 ) 1,50 1,40 1,30 1,20 1,10 1,00 Volymvikt/porositet Ultuna Kätterer et al., , Kolhalt % En fördubbling av mullhalten ökar mängden växttillgänglig vatten med ca. 10% minskar volymvikten med ca. 10% påverkar markens hydrauliska egenskaper effekten är större i grövre jordar

22 De svenska Bördighetsförsöken Försöken i Skåne 12 platser Växtföljd 1 Växtföljd 2 Vårkorn Vall Höstvete Sockerbetor Vårkorn Oljeväxter Höstvete Sockerbetor 20 ton stallg/vf Försöksupplägg 2 block x 2 växtföljder x 4 PK-nivåer x 4 N-nivåer = 64 rutor

23 Skördar och mullhalter i Bördighetsförsöken t.ex. Örja

24 Växtföljden med vall och stallgödsel höjer kolhalten i bördighetsförsöken Växtföljd 1 Växtföljd 2 Vårkorn Vall Höstvete Vårkorn Oljeväxter Höstvete Sockerbetor Sockerbetor 20 ton stallg/vf Försöken i Skåne Årlig kolinlagring I vf1 jämfört med vf2 (kg C/ha) Kvävenivå Skörderester /rötter Stallgödsel Högre kolhalter i vf1 (130 kg C per ha och år i genomsnitt i Skåne) Kolinlagringen beror på stallgödsel och skörderester/rötter Vf-effekten minskar med ökande N-givor

25 Kvävegödslingens effekt på markens kolhalt (efter 50 år i Bördighetsförsöken, vf. 2) Högre produktion pga. N-gödsling höjer kolförrådet i marken på alla platser

26 Kolfastläggning i Bördighetsförsöken 1 kg N resulterar i 1 kg kolfastläggning i matjorden (10 Bördighetsförsök)

27 Gödsling med rötslam (4 eller 12 ton ts vart fjärde år) Djup (cm) C% Petersborg 0 0,5 1 1,5 Inget slam -N Inget slam +N Hög slam -N Hög slam +N 6% högre skröd i Slam+N Låg N-effekt av slam Högst C-förråd i Slam+N Lägst: utan slam utan N Liknande C-förråd i Slam-N och Inget slam+n visar betydelsen av skörderester främst rötter

28 Halmåterföring påverkar kolbalansen Humif iering % Försök Referens Humusbalansförsök Kärlförsök med olika mängder halm under 28 år Ramförsök; Lanna Persson et al., 2006 Kätterer et al., 2011 Kätterer et al., 2012 >10 Danmark Thomsen & Christensen, 2004; Schjønning, 1986; Christensen and Johnston, 1997 >10 Finland (Jokioinen) Erviö and Talvitie, 1995 >10 Norge (Ås) Uhlen, 1991 ~10 R3-0004; R Persson, 1974 ~10 Fältförsök, 20 år Mattsson, 1992 <5 Borgeby, Petersborg, Hvilan Mattsson & Larsson, Swedish University of Agricultural Sciences Soil Water Environment

29 Kolförrådet måste fyllas på varje år 29

30 Effekten av åtgärder för kolfastläggning avtar med tiden Hoosfield Continuous Barely, Rothamsted (Johnston m.fl., 2009) 35 ton stg per år sedan ton stg per år Enbart mineralgödsel Stallgödselns effekt på kolförrådet avtar med tiden Ett jämvikt ställer in sig efter ca. 200 år i vårt klimat Swedish University of Agricultural Sciences Soil Water Environment

31 Fleråriga växter satsar mera på rotsystemet och leder därför till mera positiva kolbalanser än ettåriga växter 3 platser i Norrland 6-åriga växtföljder: vall och ettåriga grödor Soil organic C% (0-20 cm) 5 4,5 4 3,5 3 2,5 5 år vall 3 år vall 2 år vall 1 år vall Foto: L Andersson Ericson & Mattsson, 2000; Bolinder et al., 2010, 2012

32 Fånggrödor och kantzoner fångar kväve och kol Photo: Gunnar Torstensson. Timothy and English Ryegrass

33 Reducerad jordbearbetning? Effekten beror på: Hur skörden påverkas Klimat mera effektiv i torra områden Men Dieselanvändningen minskar Erosionen minskar (P-förluster) Däremot Lustgasemissioner kan bli högre Machado, et al., Soil Use & Management,

34 Biokol till åkermark? Biokolets egenskaper styrs av tillverkningsprocessen (utgångsmaterial, temperatur, tryck, aktivering m.m.) Till åkermark eller biobränsle? För positiv klimateffekt krävs det additional benefits jämfört med användning som biobränsle Spokas, 2010 Bara 50% av försöken visar skördeökningar (Litteraturstudie: Spokas et al., J. Env. Qual.)

35 Hur kan markens kolbalans påverkas Vallar Fånggrödor Gödsling Fotosyntes Skörd Produkter Nedbrytning Jordbearbetning Dränering Skörderester? Rötter Skörderester Rötter Kol i marken Lagring Behandling Bioenergiprocesser Stallgödsel bidrar vanligtvis inte till kolfastläggning Effekten av produkter beror på behandling Fotosyntesen driver kolfastläggning

36 Intensiv eller extensiv produktion Current agriculture Sufficient crop production Agricultural land High input agriculture Intensified crop production Bioenerg y Increasing soil C Set-aside agricultural land Low input agriculture Extensive crop production + Ext. Crop production Decreasing soil C Growing less food per acre leaving less land for nature (Norman E. Borlaug & Christopher R. Dowswell, 1994 Natural land converted into agricultural land Kätterer et al., in press

37 Strategier för att minska jordbrukets klimatpåverkan Mera kol i marken Hög produktion (minst 1 kg C extra per kg N) Rötter är viktiga för kolinlagring Grön mark året om (fånggrödor, åkerkanter) Fleråriga växter (bioenergi) Rester från samhället (biokol, rötrester, kompost, slam)? Beror på alternativanvändning Stallgödsel leder inte till kolfastläggning i regional/global perspektiv Växtförädling större rotbiomassa, svårnedbrytbara skörderester, flerårig stråsäd Minskad import av foder och livsmedel Minskad jordbearbetning? Marginell effekt i Sverige men minskad dieselförbrukning Lägre lustgasutsläpp Effektivare utnyttjande av kväve (OBS! P-status, ph) Swedish University of Agricultural Sciences Soil Water Environment

38 Tack för din uppmärksamhet! Foto: M Gerentz Swedish University of Agricultural Sciences Soil Water Environment