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 N other 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%. 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
Risksskogstaxering och markinventering används för LULUCFrapportering Permanenta rutor Sedan 1923 30 000 permanenta rutor 5-åriga omdrev (10 år for mark) 6 000 rutor per year lämplig för data-baserad rapportering
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.
Norunda; SLU Fakta Skog nr 2, 2000 Hur mäter man förändringar i kolförråd? 1) Flöden: Mikrometeorologiska metoder (eddy flux) 2) Förändringar i förråd - långliggande försök eller åtkommande inventeringar Mäter hela ekosystemet Bra för förståelsen hög tidsupplösning. Relativ korta tidsserier tillgängliga Achim Grelle Ett dygn
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 =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 är förmodligen försumbar Högre intensitet (gödsling, betestryck) kunde öka förråden men har 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 Långliggande försök (för modellkalibrering) Modellen körs för 864 kombinationer : 8 produktionsområden; 9 grödtyper; 12 jordarter 0,5 0 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 Mton CO 2 M ton CO 2-0,5-1 -1,5 Mineraljordar -2 Organogena jordar -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
Nedbrytningshastighet Nedbrytningshastighet Kolbalansen i marken styrs av fotosyntes och nedbrytning CO 2 Fotosyntes Nedbrytning styrs främst av Styrs av jordbrukarens beslut Skörd Till marken temperatur vattenhalt ph Svårare att påverka foto: Erik Sindhoj
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
Stabilisering av organsikt material Biokemiskt recalcitrant Bläää, va äckligt! Kemiskt stabiliserat x Fe Ca Det känns som klister! Jag får inte bort det! Fysiskt oåtkomligt Anke Herrmann Jag kommer inte åt! Det finns mat därinne! 15
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
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 Halm -N Sågspån -N Torv -N 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 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 Skörd i ogödslad Öppna symboler: Fyllda symboler: Första året efter organiska tillsatser Andra året efter organiska tillsatser
Tillförsel av organiskt material och kvävegödsling leder till högre kolförråd i marken Kvävegödsling leder till högre rotproduktion Detta leder till kolinlagring
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
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 mullhalter i Bördighetsförsöken t.ex. Örja
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 (Mellersta): 700 kg högre hv-skörd efter havre i vf1 jämfört med vf2. Förfruktseffekten beror på växtföljden som helhet (kolhalt 0,14% enheter., men kan även vara relaterad till skörderesthanteringen Växtföljd 1 Växtföljd 2 Vårkorn ins. Vårkorn Vall Havre Vall Mellersta Sverige Höstvete Havre Höstvete stallgödsel Oljeväxter Höstvete Havre Höstvete
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.)
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 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
Fånggrödor och kantzoner fångar kväve och kol Photo: Gunnar Torstensson. Timothy and English Ryegrass
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 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? Effekten beror på: Hur skörden påverkas Klimat större effektiv i torra områden A Etana (submitted) Grund bearbetning jämfört med plöjning leder till högre kolhalt i översta lagret. Inga skillnader i hela kolförrådet efter 35 år på Ultuna (1974-2009) Men Dieselanvändningen minskar Erosionen minskar (P-förluster) Däremot Lustgasemissioner kan bli högre
Hur kan markens kolbalans påverkas Vallar Fånggrödor Gödsling Fotosyntes Skörd Produkter Nedbrytning Jordbearbetning Skörderester? Rötter Skörderester Rötter Lagring Behandling Bioenergiprocesser Kol i marken Stallgödsel bidrar vanligtvis inte till kolfastläggning Effekten av återförde produkter beror på behandling (biokol, rötrester etc.) Fotosyntesen driver kolfastläggning
Intensiv eller extensiv produktion Current agriculture Sufficient crop production Agricultural land High input agriculture Intensified crop production Bioenergy 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 Natural land converted into agricultural land (Norman E. Borlaug & Christopher R. Dowswell, 1994
Strategier för att 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 import av foder och livsmedel Minskad jordbearbetning? Marginell effekt i Sverige men minskad dieselförbrukning dock förmodligen ökade lustgasutsläpp Stoppa avskogningen på södra halvkoltet! Lägre lustgasutsläpp Effektivare utnyttjande av kväve
Foto: Igelösa, G Börjesson Tack för din uppmärksamhet!