Växtföljdens roll långsiktigt - för skördenivå, utsläpp av växthusgaser och kolinlagring i åkermark Thomas Kätterer
Disposition Markens roll i den globala kolcykeln Hur mäter man kolinlagring Nedbrytning och humifiering Kolbalanser i svensk jordbruksmark Resultat från långliggande försök Hur vi kan påverka kolinlagringen
Kol är huvudbyggstenen i all organisk material H other N O C C% ökar i regel under nedbrytning i marken, från ca. 40% i växtrester till ca. 60%. Organiskt material i marken (mull) har en genomsnittlig kolhalt på drygt 50%. Mullhalten påverkar många markegenskaper och är den enskilt viktigaste bördighetsfaktorn
Marken spelar en central roll i den globala kolcykeln (Pg C) 750 +4.1 per år 550 1 500 40 000 organiskt kol i sediment, våtmarker, kol, gas, olja Kätterer, 1998 4
Antropogena CO 2 -utsläpp (2000-2008) Vart tar de vägen? 1.4 Pg C år -1 avskogning 4.1 Pg C år -1 45% 3.0 Pg C + år-1 7.7 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
Den svenska skogen är en kolsänka Årlig tillväxt: 110 Mm 3 42 Mton C Årlig avverkning: 90 Mm 3 35 Mton C Ökad skogsvolym: 20 Mm 3 7 Mton C Inlagring i skogsmark: 3 Mton C Total fastläggning: Som motsvarar cirka 10 Mton C 37 Mton CO 2 -ekv. Hur ser kolbalansen ut för åkermark?
Global metanbudget CH4 Emission Origin Mass Total (%/a) (Tg/a) Natural Emissions Wetlands (incl. Rice agriculture) 225 37 Termites 20 3 Ocean 15 3 Hydrates 10 2 Natural Total 270 45 Anthropogenic Emissions Energy 110 18 Landfills 40 7 Ruminants (Livestock) 115 19 Waste treatment 25 4 Biomass burning 40 7 Anthropogenic Total 330 55 Sinks Soils -30-5 Tropospheric OH -510-85 Stratospheric loss -40-7 Sink Total -580-97 Emissions + Sinks Imbalance (trend) +20 +7.19 (nmol/mol)/a Metan bildas vid nedbrytning av organiskt material under syrefria förhållanden Metanotrofa bakterier nära markytan oxiderar metan till koldioxid och vatten. Fastmarksjordar är en sänka för metan.
Norunda; SLU Fakta Skog nr 2, 2000 Hur mäter man förändringar i kolförråd? 1) Flöden: Mikrometeorologiska metoder (eddy flux) eller kammare 2) Förändringar i förråd - långliggande försök eller åtkommande inventeringar Eddy-flux mäter hela ekosystemet Bra för förståelsen hög tidsupplösning. Relativ korta tidsserier tillgängliga Achim Grelle Ett dygn
Kätterer et al. 2004. NCAE 70:179-187 Hur mäter man förändringar i kolförråd? 2) Förändringar i förråd - långliggande försök eller åtkommande inventeringar Kungsängen Kol i matjorden C (ton ha -1 ) 90 80 70 ΔC=30% 60 50 Ökning =0.1 ton C /ha och år Ökning =0.4 ton C /ha och år Ökning =0.2 ton C /ha och år 40 1930 1950 1970 1990 2010 Betesmark Åker fram till 1970, sedan betesmark Åker sedan 1860
Gödsling och restaurering av eroderad gräsmark ökar kolhalten i marken Exempel från Island N-gödslingsförsök på 4 platser under 42-62 år: 0.4-3.4 kg C kg -1 N i genomsnitt (Guðmundsson et al., 2004, 2008, 2011) Restaurening av eroderad gräsmark: 0.6 Mg C ha -1 år -1 i genomsnitt under 50 år (Arnalds et al., 2000).
Sker det en kolfastläggning i svenska betesmarker? Nationell markinventering 30 000 permanenta rutor 383 rutor på betesmark Förändringar i kolförråd 1990-2006 (Karltun et al., 2010) Kolfastläggning i svenska betesmarker är förmodligen försumbar Högre intensitet (gödsling, betestryck) kunde öka förråden men har negativa effekter på biodiversitet
Nationell inventering av åkermark visar ökande kolhalter Vall (relativ ökning) Hästar (relativ ökning) Hela riket Inventeringar: I (1988-97), II (2001-07), III (2010-17) Poeplau et al. (submitted)
Kolbalansen 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 Nedbrytningshastighet foto: Erik Sindhoj
Ultuna Ramförsök, sedan 1956 Samma mängd kol tillförsel i olika material vartannat år +/- N gödsling 15 behandlingar x 4 block
Markkol i ramförsöket C % (0-20cm) 5 4 3 2 1 0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Kätterer et al. (2011) Agriculture, Ecosystem and Environment 141, 184-192 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
Tillförsel av organiskt material och kvävegödsling leder till högre kolförråd i marken ΣH j *I j C massa k*c Kolinlagringen skiljer sig mellan de tillförda organiska materialen Kvävegödsling leder till högre rotproduktion och därför till kolinlagring Rötter är effektivare att bygga kol jämfört med skörderester Långliggande försök är viktiga för modellkalibrering
Mullen påverkar markens fysikaliska egenskaper Växttillgänglig vatten (mm; 0-25cm) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Växttillgänglig vatten >100 svenska markprofiler (Kätterer et al., 2006) 40% ler; 30% sand 20% ler; 30% sand 0 2 4 6 Kolhalt % pf-kurva, Ultuna (Kirchmann & Gerzabek, 1999) Volymvikt (g/cm 3 ) 1,50 1,40 1,30 1,20 1,10 1,00 0,90 Volymvikt/porositet Ultuna Kätterer et al., 2011 0 1 2 3 4 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
12 platser De svenska Bördighetsförsöken Växtföljd 1 Växtföljd 2 Växtföljd 1 Växtföljd 2 Vårkorn ins. Vårkorn Vårkorn ins. Vårkorn Vall Oljeväxter Vall Havre Vall stallgödsel Oljeväxter Höstvete Höstvete Höstvete Höstvete stallgödsel Sockerbetor Skåne Mellersta Sverige Havre Havre Sockerbetor Höstvete Höstvete 20 ton stallg i vf1 efter höstvete; Skörderester tas bort i vf1 men lämnas kvar i vf2 30 ton stallg i vf1 före höstvete; Skörderester tas bort i vf1 men lämnas kvar i vf2 Försöksupplägg 2 block x 2 växtföljder x 4 PK-nivåer x 4 N-nivåer = 64 rutor
Skördar och markkol i Bördighetsförsöken t.ex. Örja
Kvävegödslingens effekt på markens kolhalt (efter 50 år i Bördighetsförsöken, vf. 2) N-gödsling höjer kolförrådet i marken på alla platser främst pga. högre (rot)produktion
Resultat från 16 långliggande försök (4 serier): Varje kilo N höjer kolförrådet i marken med 1.15 kg C i matjorden (0-20 cm) Tillkommer: kolfastläggning i alven: 0.55 kg C kg -1 N Total kolfastläggning : 1.7 kg C kg -1 N (6.2 kg CO 2 -equ.)
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 2 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 Foto: L Andersson Ericson & Mattsson, 2000; Bolinder et al., 2010, 2012
Förändringar i markkol i växtföljder med eller utan vall I 15 långliggande försök (några med stallgödsel) Site Country Duration Depth ΔC a Reference (years) (cm) (Mg ha -1 Saint-Lambert Canada 10 SOC 20 affected by 0.8 rotations with Quenum ley vs. et al. annual (2004) Elora Canada 20 40 0.33 cropping Yang and Kay (2001) Woodslee Canada 35 0,9 70 1.1 VandenBygaart et al. (2003) Erika I Estonia 40 0,8 60 0.27 Reintam (2007) Erika II b Estonia 28 0,7 20 0.66 Viiralt (1998) Ås Norway 30 20 0.40 Uhlen y (1991) = -0,009x + 0,7204 0,6 Röbäck I c R² = 0,3072 Sweden 30 25 0.40 Bolinder et al. (2010) Offer c 0,5 Sweden 52 25 0.36 Bolinder et al. (2010) Ås c Sweden 0,4 30 25 0.87 Bolinder et al. (2010) Röbäck II Sweden 0,3 27 20 0.54 Unpublished data Lanna Sweden 27 0,2 20 0.42 Unpublished data Lönnstorp Sweden 27 0,1 20 0.60 Unpublished data Säby Sweden 37 0 20 0.45 Unpublished data Rothamsted UK 36 23 0.3 Johnston et al. (2009) Duriation (years) Woburn UK 58 25 0.3 Johnston et al. (2009) SOC (Mg C ha -1 yr -1 20cm -1 depth) a Only one or two figures are quoted indicating the uncertainty of the calculations b Difference between barley receiving no N fertilizer and grass/clover + faeces + green manure c Farmyard manure was applied in ley rotations but not in arable cropping system Kätterer et al. (EGF 2013) yr -1 ) 0 10 20 30 40 50 60 70 Median C = 0.4 ton ha -1 år -1
Fånggrödor och kantzoner fångar kväve och kol Resultat från långliggande försök (bl.a. 4 svenska) visar: 0.3 ton C ha -1 per fånggrödaår Photo: Gunnar Torstensson. Timothy and English Ryegrass
Fånggrödor (som ökar kolförrådet) kan öka lustgasutsläppen Mitchell el al. 2013. Soil Sci. Soc. Am. J. 77:1765 1773
Lustgastoppar under ett par veckor efter tillförsel av flytgödsel och gröngödsling Flytgödsel Gröngödsel Högre N-giva -> högre N 2 O-förluster N 2 O-toppar efter gröngödsling Möller & Stinner. Europ. J. Agronomy 30 (2009) 1 16
Effekten av åtgärder för kolfastläggning avtar med tiden Hoosfield Continuous Barely, Rothamsted (Johnston m.fl., 2009) 35 ton stg per år sedan 1852 35 ton stg per år 1852-1871 Enbart mineralgödsel För att hålla ett högt kolförråd krävs hög tillförsel alla år Ett jämvikt ställer in sig efter ca. 200 år i vårt klimat
Höga mullhalter ökar risken för utlakning Harvning och sådd Plöjning och stallg. 35 ton stallgödsel per år sedan 1852 Enbart mineralgödsel 3 gånger så hög mullhalt 3 ggr så höga mängder mineralkväve under vintern 3 ggr. större risk för utlakning och bildning av lustgas (Data från Hoosfield, Powlson et al, 1989)
Reducerad jordbearbetning? A Etana 2013 Grund bearbetning jämfört med plöjning leder till högre kolhalt i översta lagret. Inga skillnader i hela kolförrådet efter 35 år på Ultuna (1974-2009) Virto et al. 2012 Biogeochem. 108:17-26 Effekten beror på: Hur skörden påverkas Klimat större effekt i torra områden Men Dieselanvändningen minskar Erosionen minskar (P-förluster) Däremot Lustgasemissioner kan bli högre
Markens kolhalt kan påverkas C cycling in soil-plant-systems Land use options Plant species Management NPP Decomposition Feedback Residues Root systems Crop harvested Crop residues Rhizodeposition Products Manure treatment Waste treatment Bioenergi residues (biochar) Tillage Water managment Intensified agriculture Biofuel Forest Extensified agriculture Forest Soil C Soil C Kätterer et al., 2012. Acta Agric. Scand.
Framtid: Ett fossilfritt jordbruk Energin i halmen från ett hektar höstvete räcker till för att producera 1600 kg kväve. Motsvarande energi från ett hektar salix ger 3900 kg kväve. Förgasning av skörderester ersätter diesel och restprodukten (biokol) används för vattenrening Fleråriga energigrödor ökar kolförrådet i marken
Sammanfattning: Hur kan vi minska jordbrukets klimatpåverkan Mera kol i marken Hög produktion (1-2 kg C extra per kg N) Rötter är viktiga för kolinlagring Grön mark året om (fånggrödor, åkerkanter) Fleråriga växter (bioenergi), fånggrödor 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 jordbearbetning? Marginell effekt i Sverige men minskad dieselförbrukning dock förmodligen ökade lustgasutsläpp Stoppa avskogningen på södra halvkoltet genom minskad import av foder och mat Lägre lustgasutsläpp Effektivare utnyttjande av kväve
Foto: Igelösa, G Börjesson Tack för din uppmärksamhet!