Hur påverkas marken av växtföljd, tillförsel av organiskt material och jordbearbetning - förfruktseffekter - mullhalt - struktur - växthusgaser Thomas Kätterer
Vad är en bördig jord? En bördig åkerjord är en jord som långsiktigt ger höga skördar av god kvalitet. Den skall helst vara stenfri, ogräsfri, lättbrukad, sjukdomsfri och ge god bärighet för fordon. Bördigheten måste sättas i relation till grödan. Bördigheten beror på biologiska, kemiska och fysikaliska faktorer.
Kan vi påverka bördigheten? En del bördighetsfaktorer är icke påverkbara (stenighet, textur, mineralsammansättning), andra kan mer eller mindre påverkas (struktur/packning, mullhalt, ph, näringstillstånd, dränering, ogräsfröbank, sjukdomstryck). Mullhalten påverkar många biologiska, kemiska och fysikaliska markegenskaper. Jag kommer att belysa mullhaltens betydelse för bördighet utifrån resultat från långliggande fältförsök.
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 30 ton stallg i vf1, före höstvete; Skörderester lämnas kvar Försöksupplägg 2 block x 2 växtföljder x 4 PK-nivåer x 4 N-nivåer = 64 rutor
Höstvete skörd (kg ha -1 ) Höstvete skörd (kg ha -1 ) Förfruktseffekt, bördighet, produktionspotential 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Höstvete utan N-gödsling, hög PK 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Höstvete, hög N-gödsling, hög PK Förfrukt Vf 1, Vall Vf 1, Havre Vf 2, Oljeväxter Vf 2, Havre Ler% C%_start Högåsa 7 2.4 Klosterg. 48 2.1 Bjertorp 30 2.2 Kungsängen 56 2.1 Fors 18 2.2 Fjärdingslöv 14 1.4 Örja 23 1.1 Västraby 26 2.1 Ugglarp 12 1.5 Ekebo 18 3.1 Orup 12 2.4 Växtföljd 1 Växtföljd 2 Vårkorn ins. Vall Höstvete Sockerbetor Skåne stallgödsel Vårkorn Oljeväxter Höstvete Sockerbetor Vid hög N: 700 kg högre hv-skörd efter havre i vf1 jämfört med vf2. Skillnad i markkol = 0.14% Förfruktseffekten beror på växtföljden som helhet Växtföljd 1 Växtföljd 2 Vårkorn ins. Vårkorn Vall Havre Vall Mellersta Sverige stallgödsel Höstvete Havre Höstvete Oljeväxter Höstvete Havre Höstvete
Gradering av platserna efter produktionsförmåga (vid högsta NPK-nivå) Fjärd. Örja Västraby Ekebo Ugglarp Orup Höstvete 1.13 1.16 1.02 0.91 0.87 0.91 Vårkorn 1.12 1.10 0.91 1.00 0.96 0.91 Oljeväxter 1.05 1.15 1.05 0.95 0.90 0.90 Sockerbetor 1.20 1.03 1.01 0.88 0.97 0.90 Medel 1.12 1.11 1.00 0.94 0.92 0.91 Fjärd. Ekebo Örja Ugglarp Orup Västraby Höstvete 1.09 1.22 1.09 0.87 0.96 0.78 Vårkorn 1.06 1.12 1.01 1.12 0.96 0.74 Oljeväxter 1.00 1.20 1.20 1.00 1.00 0.60 Sockerbetor 1.48 0.99 1.11 1.11 0.43 0.87 Medel 1.16 1.13 1.10 1.02 0.84 0.75 Gradering av bördighet enligt skörd utan NPK-gödsling
Vilken plats är bördigast? Fjärdingslöv? Högst produktionspotential i genomsnitt över alla grödor Örja? Högst produktionspotential för höstvete och oljeväxter Ekebo? Högst avkastning i ogödslade nollrutor för höstvete, oljeväxter och vårkorn (främst pga. hög mullhalt) Fysikaliska (kompakt alv) eller kemiska (e.g. sulfid i alven) kan begränsa rotdjupet och därmed leda till vatten/näringsbrist
Skrymdensitet och rotdjup Vreta Kloster Ekebo 1.48 1.44 1.46 1.47 1.55 1.70 1.71 1.72 1.73 1.81 Rotdjup 60 cm 1.54 1.65 Rotdjup 100 cm 1.85 1.83 Kirchmann et al.
Relativ skörd Kan vi förklara skillnaderna i bördighet mellan platserna? Starka korrelationer finns men att avgöra vilka samband som är kausala är inte trivialt
Årlig Kolinlagring (kg C/ha) Högre mullhalt i växtföljden med stallgödsel och vall i bördighetsförsöken Växtföljd 1 Växtföljd 2 Vårkorn Vårkorn Vall Oljeväxter 200 150 Bördighetsförsök (södra o mellersta) Höstvete Höstvete 100 Sockerbetor Sockerbetor 50 Halm och blast förs bort; 20 ton stallg/vf före höstvete Halm och blast lämnas 0 1 2 3 4 Kvävenivå Högre mullhalter i vf1 (130 kg C per ha och år i genomsnitt) Kolinlagringen beror på stallgödsel och skörderester/rötter Vf-effekten minskar med ökande N-givor
Skördar och mullhalter i Bördighetsförsöken t.ex. Örja
Kävegödslingens effekt på markens kolhalt (efter ca. 50 år i bördighetsförsöken) Större mängd skörderester och framförallt högre rotproduktion höjer mullhalten
Humusbalansförsöken > 30 år Kol i matjorden Skördar (medel 30 år) Skördat biomassa kornskörd 0,1% C motsvarar 3,8 ton C/ha eller 130 kg C per ha och år Andel klöver (%), 30 år, 4 platser Effekter på markkol Högst kolhalt med vall Halmbortförsel minskar kolförrådet Markkolet visar samma dynamik som produktionen i spannmål men inte i en blandvall
Två långliggande försök med fokus på organiskt material: Ultuna och Lanna Samma mängd kol tillförs vartannat som gröngödsel, halm, stallgödsel, sågspån, hushållskompost, torv och rötslam (med eller utan N-gödsel) Ultuna sedan 1956, mellanlera, 1,5 C vid start 15 behandlingar i 4 block, 60 rutor á 4 m 2 Ultuna Grödor: Mest vårstråsäd och Mais sedan år 2000 Lanna Lanna sedan 1996, styv lera, 2% C vid start 9 behandlingar i 4 block, 36 rutor á 100 m 2 Grödor: Mest vårstråsäd
Ultuna Ramförsök, sedan 1956
Relativ skörd Relativ skörd Relativ skörd 2.5 Gröngödsel 2.5 Stallgödsel 2.5 Rötslam 2.0 2.0 2.0 1.5 1.0 0.5 1.5 1.0 0.5 First year Second year after application 1.5 1.0 0.5 First year Second year after application 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 2.0 2.0 2.0 1.5 1.0 0.5 1.5 1.0 0.5 First year Second year after application 1.5 1.0 0.5 First year Second year after application Skörd i N-gödslad 0.0 0.0 0.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Halm -N Sågspån -N Torv -N 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 First year Second year after application 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 First year Second year after application Öppna symboler: Första året efter organiska tillsatser Fyllda symboler: Andra året efter organiska tillsatser Skörd i ogödslad
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
ph Relativ skörd Effekten av ph på bördigheten Ultuna Ramförsök: Jämförelse av led gödslat med samma mängd ammoniumsulfat respektive kalksalpeter Skördar i led gödslat med ammoniumsulfat / calciumnitrat 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Drastiska skördesänkningar < ph 4,5 7,5 6,5 5,5 4,5 3,5 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Växttillgänglig vatten (mm; 0-25cm) Volymvikt (g/cm 3 ) Mullen påverkar markens fysikaliska egenskaper 90 80 70 60 Växttillgänglig vatten >100 svenska markprofiler (Kätterer et al., 2006) pf-kurva, Ultuna (Kirchmann & Gerzabek, 1999) 1,50 1,40 Volymvikt/porositet Ultuna Kätterer et al., 2011 50 40 30 20 10 40% ler; 30% sand 20% ler; 30% sand 1,30 1,20 1,10 1,00 0 0 2 4 6 Kolhalt % 0,90 0 1 2 3 4 Kolhalt % En fördubbling av mullhalten Ökar mängden växttillgänglig vatten med ca. 10% Minskar volymvikten med ca. 10% Ökar markens vattenhållandeförmåga Effekten är större i sandjordar än i lerjordar
Mullhalten påverkar markens organismer 120 0,8 PLFAs (nmol g dry mass soil-1) 100 80 60 40 20 Ultuna Lanna Petersborg Igelösa 1 3 2 13 4 5 14 9 6 7 10 8 11 12 15 0,6 0,4 0,2 0 Igelösa Petersborg RAM-56 Lanna 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Total C (% of dry mass soil) -0,2 0,16 0,17 0,18 0,19 0,2 0,21 0,22 PC 1 Mikrobiell biomassa ökar med mullhalt Mikrobsamhällets sammansättning styrs mera av plats (mineralogi) än av odlingsåtgärder Börjesson et al, 2013
Ramförsöket: Effekten av N-gödsling och tillfört organiskt material på markens kolförråd kan kvantifieras
Andel Markens kolbalans styrs av koltillförsel och nedbrytning Grödval och odlingsåtgärder 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Andelen tillförd kol som stabiliseras C i mark Nedbrytningen styrs främst av klimat, jordart, dränering, ph Exempel Ultuna ramförsök Rötternas effekt är minst 2,3 gånger större jämfört med halm
Depth (cm) Signifikanta förändringen i markens kolhalt ner till ca. 40 cm p.g.a. kvävegödsling och organiska tillsatser SOC (mg g -1 ) 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Ultuna, 53 år -10-20 -30 Bare fallow Effekter på alven är inte försumbara -40-50 -60 Unfertilized Fertilized Sewage sludge Menichetti et al., 2013 Kirchmann et al., 2012; Kätterer et al., 2013 Bördighetsförsök 50 år
Djup (cm) Gödsling med rötslam (4 eller 12 ton ts vart fjärde år) 1982-2010 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 Liknande C-förråd i Slam- N och Inget slam+n visar betydelsen av skörderester främst rötter
Resultat från 16 långliggande försök (4 serier): Varje kilo N höjer kolförrådet i marken med 1.15 kg C i matjorden (0-20 cm) 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.)
Leder reducerad jordbearbetning till högre kolförråd i marken? Etana, et al., 2013. SCS Island Grund bearbetning jämfört med plöjning leder till högre kolhalt i översta lagret. Inga skillnader i hela kolförrådet efter 35 år på Ultuna (1974-2009)
Leder minskad jordbearbetning till kolfastläggning? Effekten beror på Skördar Klimat (främst i torra områden) Virto et al. 2012 Biogeochem. 108:17-26 Tidigare uppskattningar av effekten var för optimistiska Fördelar: Minskad dieselförbrukning Minskad erosion Nackdelar: Risk för högre N 2 O-emissioner Ogle et al. 2012. AGEE 149, 37 49
Soil organic C% (0-20 cm) Perenner i växtföljden höjer mullhalten Försök i Röbäcksdalen, Ås och Offer, med 6-åriga växtföljder 5 4,5 4 5 år vall 3 är vall 2 år vall 1 år vall 3,5 3 2,5 2 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 Bolinder et al. 2010, AGEE138: 335 342
Ett system med ettåriga växter + fånggröda liknar vall Fånggrödor minskar erosion och näringsläckage och höjer kolhalten i marken SLF-project 2013-2015 Photo: Gunnar Torstensson. Timothy and English Ryegrass
Kol i matjorden C (ton ha -1 ) Landanvändning och kol i mark Kungsängen 90 80 70 60 50 ΔC=30% Ökning =0.1 ton C /ha och år ej sign. 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 Foto: L Andersson Kätterer et al. 2004. NCAE 70:179-187
Hur mäter man förändringar i kolförråd? 1. Långliggande försök 2. Återkommande inventeringar 3. Mikrometeorologiska metoder (eddy flux) Ett dygn Ett år Achim Grelle Mäter hela ekosystemet Bra för förståelse av ekosystem Bara korta tidsserier tillgängliga Norunda; SLU Fakta Skog nr 2, 2000
Effekten av åtgärder för ökad kolinlagring minskar med tiden Hoosfield Continuous Barely, Rothamsted 35 ton stg per år sedan 1852 35 ton stg per år 1852-1871 Enbart mineralgödsel Ett jämvikt ställer in sig efter drygt 150 år. Ingen ökning av mullen trots stora mängder stallgödsel. Johnston et al., 2009
Höga mullhalter ökar risken för utlakning Plöjning och stallg. Harvning och sådd 35 ton stallgödsel per år sedan 1852 Enbart mineralgödsel 3 gånger så hög mullhalt 3 gånger så höga mängder mineralkväve under vintern - större risk för utlakning och bildning av lustgas (Data från Hoosfield, Powlson et al, 1989)
CO2-equivalents (Mton/år) Gaser CO 2 Jordbrukets växthusgasutsläpp Jordbrukets andel och källa 7% mulljordar, energi, kalk CH 4 50% djur 25 N 2 O 70% mark, gödsel 298 Uppvärmningspotential (100 år) 1 18 16 Förmodligen större non-eu area (0.35 Mha) fertilizer (NPK Euromix) 14 12 10 8 6 4 organic soils CO2 liming CO2 fossile engergi CH4 manure CH4 ruminants 2 N2O manure 0 Agriculture (national reporting) Agriculture incl. other sectors (national reporting) Agriculture total N2O soil
Bildning av lustgas NH 4 + N 2 O NH 3 NO 3 - N 2 Nitrifikation Denitrifikation Beräkning enligt IPCCs riktlinjer: Direkt emission 1% (0,3-3%) av tillfört N som oorganiskt, organiskt gödsel och skörderester Indirekt emission 0,75% (0,05-2,5%) av utlakat N 1% (0,2-5%) av NOx och NH 3 Svensk rapportering: 0,8% av mineralgödsel N och 2,5% av organisk N tillförd. Förutsättningar för denitrifikation: Nitrat Syrebrist Lättillgänglig organiskt material After Firestone and Davidson 1989
Lustgas metanalyser Spannmål och raps, norra Europa och Amerika Global Kasimir Klemedtsson & Smith 2011, Biogeosciences Van Groenigen et al. 2010, EJSS 61:903-913
Lustgasutsläppen ökar vid hög grundvattennivå Dobbie K. E. & Smith K. A. Soil Use and Management Vol. 22: 22-28
Lustgastoppar under ett par veckor efter tillförsel av flytgödsel och gröngödsling Flytgödsel Gröngödsel Högre N-giva -> högre N 2 O-flöden N 2 O-toppar efter gröngödsling Möller & Stinner. Europ. J. Agronomy 30 (2009) 1 16
Kan vi kontrollera N 2 O utsläppen? N 2 O Åkermark Skogsmark Lerhalt Temperatur Påverkbarhet Vattenhalt i marken (dränering, grundvatten) Lättomsättbar organsikt material Sjukande ph N överskott (för höga N givor, organiska gödselmedel särskilt om C/N är låg) Öka kväveeffektiviteten!
Sammanfattning Bördighet är långsiktig per definition och studeras bäst med hjälp av återkommande karteringar och långliggande försök Förfruktseffekter beror på växtföljden som helhet Landanvändning, växtföljder och odlingsåtgärder påverkar bördigheten även i alven Växtrötter är effektiva i att bygga mull Mullhalten är en av de viktigaste bördighetsfaktorerna Stor risk för lustgasutsläpp efter tillförsel av organiskt material med hög kväveinnehåll Hög kväveutnyttjande, fungerande dränering och högt ph minskar risken för lustgasavgång Långliggande försök behövs för kunna svara på frågor i framtiden som vi ännu inte har ställt.
Tack för din uppmärksamhet!