Växtföljdens långsiktiga effekter på skörd och kolinlagring Thomas Kätterer Inst. för
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
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
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 4.1 Pg C år -1 45% avskogning 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
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
Kätterer et al. 2004. NCAE 70:179-187 Hur mäter man kolbalansen? 2. Förändringar i kolförråd i långliggande försök eller återkommande karteringar 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
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 förmodligen försumbar Högre intensitet (gödsling, betestryck) kunde öka förråden men negativa effekter på biodiversitet
Potential för minskad klimatpåverkan inom jordbruket Cropland management Grassland management Cultivated organic soils Restoration of degraded land IPCC assessment report 4, wg3
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. 2008. NCAE 81:129 144 PO 1
Cropland remaining cropland 2013 Soil organic carbon 0,5 0-0,5 M ton CO 2-1 -1,5-2 -2,5 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 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
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
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
Nedbrytning och humusbildning 120 Nedbrytning av olika jorförättringsmedel (Kolenbrander, 1974) Kvarvarande massa (%) 100 80 60 40 20 0 Torv 1 Torv 2 Torv 3 Sågspån Stallgödsel Halm Gröngödsel 0 2 4 6 8 10 År 14
Ultuna Ramförsök 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
2.5 Gröngödsel 2.5 Stallgödsel 2.5 Rötslam 2.0 2.0 2.0 Relativ skörd 1.5 1.0 0.5 1.5 1.0 0.5 F irst y ear Second year after applicati on 1.5 1.0 0.5 F irst y ear Second year after applicati on Skörd i N gödslad 0.0 0.0 1940 1960 1980 2000 2020 1940 1960 1980 2000 2020 0.0 1940 1960 1980 2000 2020 Halm +N Sågspån +N Torv +N 3.0 3.0 3.0 2.5 2.5 2.5 Relativ skörd 2.0 1.5 1.0 0.5 2.0 1.5 1.0 0.5 F irst y ear Second year after applicati on 2.0 1.5 1.0 0.5 F irst y ear Second year after applicati on Skörd i N gödslad 0.0 0.0 0.0 Halm -N Sågspån -N Torv -N Relativ skörd 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 F irst y ear Second year after applicati on 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 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
Hur stor andel av tillfört material finns kvar i marken? Tillfört C input org. mat. (Mg ha (ton/ha) -1 yr -1 ) 4 3 2 1 0 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
Tillförsel av organiskt material och kvävegödsling leder till högre kolförråd i marken Kvävegödsling leder till högre rotproduktion Detta leder till kolinlagring (1.6-2.1 kg C per kg N)
Resultat från Lanna (1996-2009) bekräftar betydelsen av rötter för mullbildning C tillfört (kg ha-1 yr-1) 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Kol till marken Kompost Rötslam Stallgödsel Gröngödsel Rötter Stubb Djup (cm) 0,0 1,0 2,0 3,0 0-10 -20-30 -40-50 -60 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
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., 2011 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
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
Skördar och mullhalter i Bördighetsförsöken t.ex. Örja
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) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1 2 3 4 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
Kvävegödslingens effekt på markens kolhalt (efter 50 år i Bördighetsförsöken, vf. 2) Högre produktion pga. N-gödsling höjer kolförrådet i marken på alla platser
Kolfastläggning i Bördighetsförsöken 1 kg N resulterar i 1 kg kolfastläggning i matjorden (10 Bördighetsförsök)
Gödsling med rötslam (4 eller 12 ton ts vart fjärde år) 1982-2010 Djup (cm) 0-10 -20-30 -40-50 -60-70 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
Halmåterföring påverkar kolbalansen Humif iering % Försök Referens Humusbalansförsök 1980 12-24 Kärlförsök med olika mängder halm under 28 år 12-15 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; R3-0900 Persson, 1974 ~10 Fältförsök, 20 år Mattsson, 1992 <5 Borgeby, Petersborg, Hvilan Mattsson & Larsson, 2005 1981 1970 1980 Swedish University of Agricultural Sciences Soil Water Environment
Kolförrådet måste fyllas på varje år 29
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 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
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
Fånggrödor och kantzoner fångar kväve och kol Photo: Gunnar Torstensson. Timothy and English Ryegrass
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., 2003. Soil Use & Management,
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., 2011. J. Env. Qual.)
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
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
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
Tack för din uppmärksamhet! Foto: M Gerentz Swedish University of Agricultural Sciences Soil Water Environment