Tillgång och efterfrågan av växtnäring nu och i framtiden Sverige i ett globalt perspektiv Holger Kirchmann, Thomas Kätterer, Gunnar Börjseson och Yariv Cohen Avdelningen för växtnäring/markbiologi Institutionen för mark och miljö Sveriges Lantbruksuniversitet Box 7014, SE 75007 Uppsala, Sweden holger.kirchmann@slu.se Innehåll Förutsättningar Kalium och fosfatfyndigheter samt kväveproduktion Recirkulation av växtnäring i tätortsavfall Kan Sverige bli självförsörjande på växtnäring? 1
Framtida villkor för livsmedelsproduktionen Befolkningstillväxt på jorden miljarder Åkermark per capita hektar FAO, 2008 Slutsats Mer livsmedel måste produceras på åkerarealen. Större skördar förutsätter bl.a. större tillförsel av växtnäringsämnen. Skördeökning och minskning av åkerareal i Sverige 8000 5000 Skörd (kg ha -1 ) 7000 6000 5000 Höstvete Skörd (kg ha -1 ) 4500 4000 3500 3000 2500 Havre Skörd (kg ha -1 ) 4000 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 5000 År 4500 4000 3500 3000 2500 Vårkorn 2000 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 År Åkerareal (ha) 2000 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 3,0e+6 År 2,9e+6 Åkerareal 2,8e+6 2,7e+6 2,6e+6 Total minskning 31235 ha (-10%) Årlig minskning 1156 ha 2,5e+6 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 År Jordbruksstatistisk Årsbok, 1982-2010 2
Effektiviteten i Svensk växtodling ökar Gröda Medelskörd 1980 90 Medelskörd 2000 10 Skördeökning under 20 år Skörd per hektar (kg) Kilogram skörd per kg kväve Skörd per hektar (kg) Kilogram skörd per kg kväve Effektivitetsökning under 20 år (%) (%) Höstvete 5500 50 6200 56 11 11 Korn 3600 45 4200 52 14 13 Havre 3600 45 3900 49 7 8 Data från SCB 2010, MI 30 SM Jordbruksstatistisk Årsbok, 1982-2010 Sveriges växtproduktion och behov Förändringar över ca 30 år % Arealminskning - 10 (från 3 till 2,7 miljoner hektar) Produktionsökning per hektar + 15 Nettoproduktionsökning + 3,5 (Produktionökning x areal) Ökning av matbehovet + 10 (befolkningstillväxt från 8 till 9 miljoner invånare) Försörjningsnetto - 6,5 3
Användningen av mineralgödsel minskar i Sverige Mineralgödsel (kg ha -1 ) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Kväve 14 12 Summan 10 8 Fosforgödsel 6 Kalium 4 Import av foder och fodermineral 2 Fosfor 0 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 År År Fosforimport (kg ha -1 ) 16 Data från SCB 2010, MI 30 SM Kalium- och fosfatfyndigheter samt kväveproduktion 4
Kaliumfyndigheter Lätt utvinningsbara reserver 1000 ton K 2 O Totala reserver 1000 ton K 2 O 1. Saskatchewan 2. Ryssland 3. Tyskland, Vitryssland, Isreal, Brasilien 4. USA, Chile, England, Spanien U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries and Potash, 2008 Kaliumutvinning med vatten (solution mining) Brytning dvs upplösning med vatten som avdunstar i bassänger Bassänger nära Colorado floden Foton Planktonlab.com 5
Kaliumbrytning i gruva, Saskatchewan, Kanada Foto: Mosaic company Kaliumfyndigheternas livslängd Livslängden enligt uppgifter 2008 - lätt utvinningsbara reserver ca 250 år - totala utvinningsbara reserver ca 500 år - Lätt utvinningsbara reserver uppgår till 8,3 miljarder ton (K 2 O). - Totala utvinningsbara reserver uppgår till 18 miljarder ton (K 2 O). - Årlig världsproduktion är 33 miljoner ton (K 2 O). International Plant Nutrition Institute, 2008 6
Fosfatfyndigheter Fosfor en begränsad resurs Låg kadmiumhalt < 10 mg Cd kg -1 P Medelhalt 10-50 mg Cd kg -1 P Hög halt >50 mg Cd kg -1 P USGS, 2009 McLaughlin et al., 1996 Fosfatbrytning i Khouribga, Marocko 7
Dagbrott av fosfor Foto: Forkning och Framsteg Rangordning av länder med apatitreserver Fosfatreserver Totala exploaterbara reserver Miljarder ton apatit Andel av reserver (%) Andel av världsproduktionen (%) 1. Marocko + Väst Sahara 50 77 15 2. Kina 3,7 5,6 37 3. Algeriet 2,2 3,4 1 4. Syrien 1,8 2,8 1,6 5. Sydafrica 1,5 2,3 1,3 5. Jordanien 1,5 2,3 3,4 6. USA 1,4 2,1 15 7. Ryssland 1,3 2,0 5,7 8. Brasilien 0,34 0,5 0,3 9. Israel 0,18 0,3 1,7 9. Senegal 0,18 0,3 0,04 10. Tunisien 0,1 0,2 4,3 10. Egypten 0,1 0,2 1,7 11. Australien 0,08 0,1 1,6 12. Togo 0,06 0,1 0,04 Övriga länder 0,62 0,9 10 Totalt 65 100 100 USGS, 2011 8
Fosfatfyndigheternas livslängd Livslängd enligt uppgifter 2009 - lätt utvinningsbara reserver ca 80 år ( peak -fosfor) - totala utvinningsbara reserver ca 280 år Livslängd enligt uppgifter 2011 - totala utvinningsbara reserver ca 369 år Beräkningar av livslängder är baserad på en total årlig produktion av 176 miljoner ton apatit (2010). USGS, 2009; 2011 Tillgång till kadmiumfattiga fosforreserver - ett hot mot folkhälsan? Europeiska livsmedelmyndigheten (EFSA) skrev en rekommendation 2009. Det tillåtna veckointaget för kadmium (TWI tolerable weekly intake) behöver sänkas från 7 till 2,5 mikrogram kadmium per kilogram kroppsvikt. Européernas exponering idag är på en sådan nivå att den kan orsaka effekter på njurarna hos delar av befolkningen. EFSA, 2009 KEMI skriver i sin rapport 2011... delar av befolkningen har halter av kadmium i urin som ligger vid eller över de nivåer som kan relateras till påverkan på skelett och njurar. Därför behöver den generella kadmiumexponeringen till befolkningen minska. Kemikalieinspektionen anser att det, mot bakgrund av risken för hälsoeffekter, finns behov av att väsentligt sänka det nationella gränsvärdet för kadmium i mineralgödsel. KEMI, Rapport 1, 2011 9
Kadmiumhalter i fosfatfyndigheter Ursprungsland Cd concentration (mg Cd kg -1 P) Ryssland (Kola), Finnland (Sillinjärvi) 1.0 Sydafrika (Phalaborwa) 23 Kina (Yunan) 35 Syrien (Eastern and Khneifiss) 35 Australien (Duchess) 50 Egypten (Quseir) 61 Marocko (Khouribga) 80 Israel (Arad) 85 Tunesien (Gafsa) 108 Israel (Zin) 228 Marocko (Boucraa) 240 Christmas Island 275 USA (North Carolina) 311 McLaughlin et al., 1996 Kadmiumhalter i mineralgödselmedel för att undvika anrikning i svensk åkermark Nedfall 450 mg Cd ha -1 år -1 Tillförsel med fosforgödselmedel Åkermark Bortförsel med skörd 220-280 mg Cd ha -1 år -1 Utlakning 400 mg Cd ha -1 år -1 Balansberäkningen visar att kadmiumhalten i gödselmedel inte bör överstiga 10 mg Cd kg -1 P för att undvika anrikning i marken vid tillförsel av 22 kg P ha -1 Data från Eriksson (2009) 10
Perspektiv på fosfatfyndigheter Kadmium- Innehåll mg Cd kg -1 P Andel av totala utvinningsbara reserver % > 50 ~ 85 10-50 ~ 10 < 10 ~ 5 Slutsatser Det kommer inte att bli brist på fosfor för kommande generationer Tillgången på kadmiumfattiga fosforgödselmedel är dock begränsad Kadmiumrelaterade hälsoproblem kan vara ett större bekymmer än brist på resurser Kvävegödselmedel - produktion genom ammoniaksyntesen Kvävgas + Vätgas Ammoniakgas N 2 + 3 H 2 2 NH 3 Kvävgas tas från luften Vätgas produceras från metan (idag naturgas) CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2 CO + H 2 O CO 2 + H 2 Fritz Haber (1868-1934) fick Nobelpriset i kemi 1918: for the synthesis of ammonia from its elements Carl Bosch (1874-1940) fick Nobelpriset i kemi 1931: invention and development of chemical high pressure methods 11
Några fakta kring ammoniakproduktionen I världen produceras 131 miljoner ton ammoniak baserad på naturgas (69%), kol och petroleum koks (29%) samt hydroelektriska anläggningar (1,5%) Cirka 90% av ammoniak används för tillverkning av kvävegödsel Utan gödsling med mineralkväve minskar växtproduktionen med ca 50% utom för kvävefixerande baljväxter såsom ärtor, bönor och klöver Utan produktion av mineralkväve skulle merparten av människor på jorden svälta Kvävegödsling ger ett positivt energiutbyte Utan mineralkväve Med mineralkväve 55 GJ ha -1 Energi i merskörd pga kvävegödsling 71 GJ ha -1 71 GJ ha -1 Energi i skörd utan kvävegödsel - 7.5 GJ ha -1-7.5 GJ ha -1 0 GJ ha -1-8.0 GJ ha -1 Energi för jordbearbetning mm Energi för produktion av kvävegödsel Bertilsson et al., 2008 12
Produktion av ammoniak - förnyelsebar energi istället för fossila källor Eftersom luftens kvävgas är råvaran för produktionen, behövs enbart energi för tillverkningen Eftersom energibalansen är positiv behövs bara en del av energin i merskörden för att tillverka kvävegödsel Kvävegödsel kan tillverkas genom förgasning av organiskt material För 1 kg N behövs ca 2,7 kg halm - halm från 1 ha räcker för produktionen av 1615 kg N dvs för 20 ha Ahlgren et al., 2009 Recirkulation av växtnäring i tätortsavfall... det krävs en stor förbättring och ett förändrat angreppssätt 13
Växtnäringsflöden i samhälle Människor Livsmedelsindustri Djur Grödor Toalettavfall Stallgödsel Livsmedelsavfall Matavfall Åkermark Foderkretslopp Livsmedelskretslopp Lammel and Kirchmann, 1995 Potential för fosforrecirkulation från livsmedelskretsloppet Mängden fosfor i olika avfall - avloppsslam 6500 ton P år -1 - slakteriavfall 3000 ton P år -1 Totalt skall 9500 ton fördelas på 2,7 miljoner hektar åkermark Mängden motsvarar ca 3,5 kg P ha -1 år -1, vilket är bara något mindre än bortförsel 14
Kretslopp stad-land - Årliga fosforflöden i Stockholmsregionen Urbant avfall återförs enligt svensk lagstiftning (22 kg P ha -1 år -1 ) Forsforflöden Livsmedel 1237 ton P Åkermark 310 000 ha Östersjö Antal anslutna till reningsverk Mängd per person Utsläpp till recipient 1 700 000 personer Ca 0,6 kg P år -1 39,2 ton P år -1 Stockholm Renat avloppsvatten 39 t P Återvinningsgrad 98 % Avfall 1187 t P 54 000 ha Kirchmann et al. 2005 Konsekvens: ingen verklig recirkulation P anrikas resp utarmas i marken Kriterier för att uppnå fungerande och effektiva kretslopp Recirkulationskriterier Ingen negativ inverkan på livsmedelskvaliten och miljön Låga halter av - Oönskade metaller - Organiska miljöföroreningar - Medicinrester - Patogener Effektiva växtnäringskällor - Hög växttillgänglighet - Låga förluster Återdistribution till all åkermark - Koncentrerade gödselmedel som möjliggör långväga transporter - Lägre energiåtgång för återförsel än för nytillverkning av gödselmedel Cohen et al., 2011 15
Kretsloppsbaserade gödselmedel 1. För att uppnå kriterierna krävs att koncentrerade gödselmedel framställs av avfall i stället för att direkt recirkulera avfallet 2. Alla ämnen i avfall bör extraheras och återanvänds förutom oönskade ämnen som deponeras 3. Inga nya avfallsströmmar bör skapas 4. Avfallet blir råvaran för kretsloppsbaserade gödselmedel Sverige kan bli självförsörjande på fosforgödsel 16
Fosfor i gruvavfall från Kiruna Gråberg och anrikningssand blir kvar när järnmalm processas Foto: LKAB Anrikningssanden innehåller följande mineral: magnetit, aktinolit, hornblende samt apatit motsvarande ca 5 miljoner ton fosfor Flera malmfyndigheter i Kirunaområdet är fosforrika Kirunamalmen (Kirunavaara) är en blandning av magnetit (hematit) apatitaktinolit med en låg fosforhalt om ca 1 % och ca 60 % järninnehåll Flera andra järnmalmsfyndigheter (Haukivaara, Henry, Lappmalmen, Nukutus och Rektorn) är fosforrika och av typen hematit (magnetit) apatitkvarts kalcit med en genomsnittlig fosforhalt av 2 5 % och en järnhalt av ca 50 % Karta: Lantmäteriet 17
Fosforreserverna i Kiruna är de största i Västeuropa I Kiruna avskiljs årligen ca 100 000 ton fosfor från järnmalm Foto: LKAB Cirka 10 000 ton fosfor sprids årligen med mineralgödsel i Sverige Det totala innehållet av fosfor i anrikningssanden är ca 5 miljoner ton fosfor, som kan försörja Sverige med fosforgödsel i 500 år Dessutom finns fyndigheter innehållande 15 20 miljoner ton fosfor Fosfor i svenska och finska fyndigheter Fosforhalterna är betydligt högre i svensk järnmalm än i finska fosforfyndigheter 3.5 % P (2-5% ) 2.75 % P (2.5-3% ) 1.5 % P (1.3-1.7% ) Kiruna - fosforrik järnmalm Kiruna - anrikningssand Siilinjärvi - Kemira GrowHow 18
Gruvavfall en värdefull fosforråvara Att använda LKABs gruvavfall som råvara för fosforproduktion har flera fördelar i jämförelse med befintlig fosforproduktion i Siilinjärvi, Finland: Malmen är redan bruten och mald Materialet är lättillgängligt Högt P innehåll Enkel flotationsprocess (lågt karbonatinnehåll) Möjlighet att använda existerande miljötillstånd Perspektiv på Sveriges växtnäringsförsörjning Kvävegödsel kan produceras i Sverige då det endast krävs energi, som kan komma från förnyelsebara källor Ny teknik möjliggör att ca 80% av fosfor från samhällets organiska avfall kan återföras till åkermark via kretsloppsbaserade mineralgödsel (Utvinning av kalium från olika askor kan förmodligen täcka en stor del av det nationella behovet) 19
Slutsatser Fortsatt teknisk utveckling kommer att möjliggöra uthållig recirkulation av växtnäring i samhälle. Effektiva processer och produkter av hög kvalitet kommer att vara kännetecken Sverige har förutsättningar för att producera och exportera kadmiumfattiga fosforgödsel och kan bidra till en större livsmedelssäkerhet i Europa 20