Mitigation of greenhouse gas emission from cropped soils by mafic mineral applications

MIGMIN-prosjektets mål er å utforske muligheten for å redusere utslipp av lystgass (N2O) fra landbruket ved å heve pH i jorden (motvirke forsuring). Dette vil senke klima-pådrivet fra matproduksjon fordi N2O er en kraftig klimagass som svarer for en stor andel av landbrukets totale klima-pådriv. Tradisjonelt anbefales regelmessig kalking av landbruksjord for å motvirke forsuring. Grunnen er at jordbruksvekster vokser dårlig hvis pH blir for lav. Det er imidlertid mulig å oppnå gode avlinger selv i ganske sur jord, fordi minimums-pH for mange jordbruksvekster ligger lavt (mellom 5.5 og 6). Den bærende ideen for MIGMIN-prosjektet er at pH i jord bør ligge over plantenes minimums-pH, for dermed å redusere lystgassutslippet. Bakgrunnen for dette er at N2O-emisjonen fra denitrifikasjon faller med økende pH i intervallet 4-7. Årsaken til dette har å gjøre med syntesen av enzymet N2O-reduktase. Dette er det eneste enzymet i naturen som kan redusere N2O til harmløst N2, og bakterienes evne til å syntetisere dette enzymet øker med pH i intervallet 4-7. Kalking har imidlertid en ulempe: det fører på kort sikt til økt utslipp av CO2. Vi har derfor undersøkt muligheten for å heve pH ved å bruke karbonat-frie mineraler. Vi har undersøkt en rekke slike mineraler fra norsk bergverksindustrier, bestemt hvor fort de oppløses (vitringshastighet), og hvordan de påvirker pH i jord. Resultatene viser at selv under gunstige forhold (høy mikrobiell aktivitet og lav pH) er vitringshastigheten så lav at vi oppnår helt marginal heving av pH i jord. Konklusjonen er at man må bruke karbonater for å oppnå den ønskede pH-heving, og bruk kolloidalt marmor fra OMYA har gitt svært gode resultater: N2O emisjon i feltforsøk ble redusert med 30-50%! Selv om denitrifikasjon er den viktigste kilden til N2O i jord, produseres det også mindre mengder via nitrifikasjon, nærmere bestemt ved oksidasjon av ammonium til nitritt. Vår forskning viser at kalking faktisk øker mengden N2O som produseres ved nitrifikasjon, fordi ammonum-oksiderende bakterier (AOB) favoriseres på bekostning av ammoniumoksiderende arker (AOA), og AOB lager med N2O enn AOA! Vår feltforsøk viser klart at heving av pH reduserer N2O-emisjonen, hvilket reflekterer at denitrifikasjon er den sterkeste kilden til lystgassutslipp. Det er derfor liten tvil om at intensivert kalking vil redusere N2O utslippet fra norsk landbruksjord, spesielt gjelder dette sure jordsmonn med grasdyrking. Kostnaden for dette i klimasammenheng er en kortsiktig økning av CO2-utslipet (karbonat-CO2). Klima-effekten av dette er imidlertid omstridt, fordi kalking på litt lengre sikt fører til økt karbonat-dannelse.

Styrket kobling mellom grunnleggende og agronomisk forskning: MIGMIN har styrket vårt agronomiske nedslag gjennom etablering av omfattende feltforsøk, og implementering av robot-teknologi for effektiv måling av N2O- og CO2- emisjon fra agronomiske feltforsøk. Styrket finansiering av forskning på nitrogen Forståelse av hvordan pH påvirker N2O emisjon har økt internasjonal interessen og resultert omfattende internasjonalt samarbeid, gjesteforskning ved NMBU, og etablering av et europeisk FACCE ERA-GAS prosjekt Nærmere samarbeid med næringslivet MIGMIN har bidratt til å etablere nært samarbeid med næringslivet Reduksjon av N2O emisjon fra landbruket MIGMIN har lagt et grunnlag for å lansere kalking som et probat tiltak for å redusere klimagassutslippet fra landbruket. Karbonat-frie bergarter har liten virkning Prosjektet har dokumentert at karbonatfrie avgangsmasser fra norsk bergverksindustri er ubrukelige som middel for å heve pH i landbruksjord.

Mitigation of N2O emission from cropped soils appears difficult; existing recommendations are limited to general optimization of nitrogen and soil management ("good agronomic practice"). We will explore a novel approach to reduce both N2O and CO2 emission s. By using powdered mafic rock as a replacement of lime to secure moderately high pH in cropped soils, we expect a triple effect on the greenhouse gas emissions: a. The emission of CO2 from lime is eliminated (mafic rocks do not contain carbonate) b. The weathering of the mafic rock material will result in CO2 sequestration as carbonate c. The emission of N2O will be reduced Effect a) is obvious, b) is questionable on a short time scale, and c (reduction of N2O) is based on recent research which has unr aveled a pervasive effect of soil pH on the N2O/(N2O+N2) product ratio of denitrification in soils sampled worldwide, AND a mechanistic understanding of the reasons for this. A first proof of concept (hypothesis c) has been provided in laboratory scale e xperiments as well as in preliminary field experiments. We will continue with laboratory experiments to compare the effect of different minerals and pretreatments on C- and N-transformations. Pretreatments of mafic minerals to enhance their reactivity hav e been developed for other purposes (one patented), and the knowhow and techniques developed will be a point of departure for designing pretreatments that enhance the reactivity of mafic mineral particles in soil. Field experiment will be established to e valuate the effects of mafic rocks versus lime on crop production and N2O emissions under realistic agronomic conditions. Effects on crop performance and trace metal uptake in plants will be studied in adjacent experiments in collaboration with other rese arch groups (Agropro). The project team includes expertise on mineralogy, industrial processing, geo/soil biology and microbial N-transformation.