Odlingssystemets effekt på mullförråd och kolinlagring i jordbruksmark Thomas Kätterer Sveriges Lantbruksuniversitet
Disposition Markens roll i den globala kolcykeln Hur mäter man kolinlagring Kolbalanser i svensk jordbruksmark Resultat från långliggande försök Hur vi kan påverka kolinlagringen
Att höja kolhalten i marken är en kostnadseffektiv klimatåtgärd ökar bördigheten (produktionen) fastlägger kol i marken som växterna fixerar övriga N H O C Växtmaterial Mull innehåller ca. 58% kol (42% i växter) Matjorden innehåller 5-10 kg C per m 2 (0-25 cm) 1 kg C motsvarar 3,67 kg CO 2 (molvikt CO 2 vs. C; 44/12)
Marken spelar en central roll i den globala kolcykeln (Pg C; miljarder ton) 750 +4.4 per year 550 1 500 (1m depth) 40 000 Sediments, coal, gas, oil Kätterer, 1998 4
Antropogenic CO 2 emissions and sinks (2005-2014) 3,4 Pg/yr 16 Pg/yr Deforestation 44% 33 Pg/yr + 10,9 Pg/yr 30% C sequestration 9,5 Pg/yr 26% Source: CDIAC; NOAA-ESRL; Houghton et al 2012; Giglio et al 2013; Le Quéré et al 2015; Global Carbon Budget 2015 5
Svenska skogar är en kolsänka Skogen 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 skog: 10 Mton C Som motsvarar cirka 37 Mton CO 2 -ekv. (varierade mellan 31-45 Mton under de senaste 20 åren) Åkermark (ungefär i balans) Utsläpp från dränerade organogena marker kompenseras av fastläggning i mineraljordar : ca 2,4 Mton CO 2 -ekv.
Nationell inventering av åkermark visar ökande kolhalter i mineraljordar C% i marken 2,4 2,5 2,6 2,7 Kol % i marken 30% 40% 50% Andel vall C% i marken 2015 2 3 4 Rel. ökning vallareal Markinventering: I (1988-97), II (2001-07), III (2010-17) Sverige medeltal 2 3 4 C% i marken 1995 2.4 Mton CO 2 /år 1980 2000 2020 Rel. ökning antal hästar Poeplau et al. 2015 Biogeosciences 12: 3241 3251
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
Harbo, Uppland 2D Graph 1 800 600 Cultivated Set aside CO2 Cultivated F CO2 (g m -2 ) 400 200 0-200 -400-600 jan jul jan jul jan jul jan jul jan jul jan 2012 2013 2014 2015 2016 Set aside 0-5 CH4 uptake > 200 kg CO 2 eq yr -1 F CH4 (g m -2 ) -10-15 -20-25 maj sep jan maj sep jan maj 2012-2014
Kol i matjorden C (ton ha -1 ) Kätterer et al. 2004. NCAE 70:179-187 Hur mäter man förändringar i kolförråd? 2) Förändringar i förråd - långliggande försök eller åtkommande inventeringar Kungsängen 90 80 70 ΔC=30% 60 50 Ökning = ej sign. Ökning =0.4 ton C /ha och år Ökning = ej sign. 40 1930 1950 1970 1990 2010 Betesmark Åker fram till 1970, sedan betesmark Åker sedan 1860
Grönytor i städer och golfbanor kan lagra in kol Projekt i 3 svenska städer: 55% högre kolförråd i gräsmattor, 35% högre i ängsmarker jämfört med närliggande jordbruksmark.
Soil organic C% (0-20 cm) 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 5 4,5 4 5 år vall 3 år vall 2 år vall 1 år vall Diff: 0,4-0,8 ton C/ha/år 3,5 3 2,5 2 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 Foto: L Andersson Ericson & Mattsson, 2000; Bolinder et al., 2010, 2012
SOC (Mg C ha -1 yr -1 20cm -1 depth) 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 0.33cropping 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) 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
Effektiva åtgärder mot näringsläckage: Fånggrödor och bevuxna åkerkanter minskar näringsläckage och leder till kolfastläggning i marken Resultat från 4 långliggande svenska försök visar en kolinbindning på 0,3 ton C per hektar för varje år fånggrödor odlas Poeplau et al. (2015) Geoderma Regional Sandjord i södra Sverige Bergström & Jokela (2001) J Environ Qual 30, 1659-1667 Photo: Gunnar Torstensson. Timothy and English Ryegrass
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) kunde öka förråden men har negativa effekter på biodiversitet
Markvård i Island Restauration of degraded grassland resulted in soil sequestration of 0.6 Mg C /ha /year in average during 50 years (Arnalds et al., 2000)
Undvik bar mark
Ultuna Ramförsök, sedan 1956 Samma mängd kol tillförsel i olika material vartannat år +/- N gödsling 15 behandlingar x 4 block
C % (0-20cm) Markkol i ramförsöket 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 kvantifiera effekterna
Markkol från majsrötter (ton/ha) 13 C signalen från majs följs i ramförsöket 4-8% av markkolet kommer från majsrötter efter 10 år 30% av C tillfört via majsrötterna finns kvar Bekräftar tidigare resultat från massbalansstudier att rötterna bygger mera mull än ovanjordiska växtdelar Menichetti et al., 2015. AGEE 200, 79 87; Kätterer et al., AGEE 2011 Ovanjordisk majsskörd (ton/ha)
Volymvikt (g/cm 3 ) Mullen påverkar markens fysikaliska egenskaper pf-kurva, Ultuna (Kirchmann & Gerzabek, 1999) Volymvikt/porositet Ultuna Kätterer et al., 2011 1,50 1,40 1,30 1,20 1,10 1,00 0,90 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
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 drygt 1 kg C i matjorden (0-20 cm) Tillkommer: kolfastläggning i alven: cirka 0.5 kg C kg -1 N Total kolfastläggning : 1.5 kg C kg -1 N (5,5 kg CO 2 -equ.)
Hög produktion leder till hög kolförråd och vice versa
Låga skördar (t.ex. ekologisk odling) ökar arealbehovet -> avskogning -> lägre kolförråd i marken även någon annanstans Arealbehov för att producera en viss mängd Intensiv produktion Bioenergi Skog/Natur Extensiv produktion Skog/Natur Mark C Mark C Produktionen per yta måsta öka för att försörja en växande befolkning
Hög mullhalt har mest fördelar men inte bara Hoosfield Continuous Barely, Rothamsted 35 Mg FTM yr -1 since 1852 35 Mg FYM yr -1, 1852-1871 Mineral fertilizer only 3 x SOC > 3 x nitrat under höst/vinter > 3 x risk för N-läckage Johnston m.fl., 2009; Powlson et al, 1989
Depth (cm) Försök med rötslam 4 platser (13-53 år) Depth (cm) A 0-10 -20-30 -40-50 -60-70 -80 SOC (mg g -1 ) 0 5 10 15 B 0-10 -20-30 No sludge -N -40-50 No sludge +N -60 High sludge -N -70 High sludge +N -80 SOC (mg g -1 ) 0 10 20 30 N fertil. SS no N 16 and 32% av tillfört slam har stabiliserats i marken Om man skulle sprida all rötslam som produceras i Sverige (214 000 ton/år) jämt över all åkermark (24 kg C/ha/år), skulle kolförrådet öka med 4-8 kg C ha -1 Kirchmann et al. Ambio 2016
Organiska gödselmedel ökar risken för utlakning (slamförsök i Skåne) Per-Göran Andersson, slamrapport 2012
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
I genomsnitt - ingen effect av reducerad bearbetning (enligt 25 långliggande fältförsök i tempererat klimat) Δ SOC (Mg ha-1) 10 RT-CT (0-30 cm); n=25 5 0-5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25-10 Effekten av plöjningsfri styrs delvis av klimatet
Djupplöjning till 1 meter i östra Tyskland 42% högre kolförråd efter 45 ner till 1 m djup. 15% lägre C% i matjorden potential för att lagra mera C finna alltså. Alcantara et al., GCB 2016
Framtid: Förbättrade jordbruksmetoder uthållig intensifiering Photo: Johan Arvidsson Matjord Växtanpassad placering av grön mineralgödsel Alvluckring och injicering av organiskt material för bättre markstruktur, genomrotning, effektivare upptag av vatten och näring, kolfastläggning Alv Biokolfilter som fälla för fosfor och bekämpningsmedel Sedimentering och N-reduktion i våtmarker
Framtid: Växtförädling flerårigt vete, bra näringsinnehåll, resistent mot sjukdomar Vete Wheatgrass Jerry Glover (Land Institute, Kansas) visar rotsystemet av intermediate wheatgrass Problem: lägre skörd, ogräs, växtskydd Glover et al. 2010. AGEE 137: 3 12
Framtid: Ett fossilfritt jordbruk Fånggrödor råvara för biogas Energin i halmen från ett hektar höstvete räcker till för att producera 1600 kg kväve. Motsvarande energi från en hektar salix ger 3900 kg kväve. Förgasning av skörderester ersätter diesel och restprodukten (biokol) används t.ex. för vattenrening. Fleråriga energigrödor ökar kolförrådet i marken Flera buskar och träd i träd i jordbrukslandskapet (kolsänka, biologisk mångfald)
Sammanfattning: Hur kan öka kolförrådet 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)? Nettoeffekten beror på alternativanvändning. Stallgödsel leder inte till kolfastläggning eftersom nästan 100% används redan idag. Växtförädling större rotbiomassa, svårnedbrytbara skörderester, flerårig stråsäd Minskad jordbearbetning? Marginell effekt i Sverige men minskad dieselförbrukning kanske ökade lustgasutsläpp? Djupplöjning eller pumpa ner skörderester i alven? Stoppa avskogningen på södra halvkoltet Forskning, teknikutveckling, rådgivning och utbildning
Foto: Igelösa, G Börjesson Tack för din uppmärksamhet!