Improved estimation and mitigation of nitrous oxide emissions and soil carbon storage from crop residues

Planterester som er igjen etter høsting av dyrkede planter bidrar til utslipp av klimagassen lystgass (N2O). Denne gassen er spesielt bekymringsfull på grunn av den lange halveringstiden (300 år). ResidueGas studerte utslipp av lystgass fra planterester, og i hvilken grad disse utslippene kan kompenseres ved at planterester øker innholdet av organisk karbon (SOC) i jord. Prosjektet var et internasjonalt samarbeid med Danmark, Frankrike, Tyskland, Sverige og Storbritannia. Resultatene av ResidueGas illustrerer hvor mye variasjon i sammensetningen av avlingsrester og behandlingen av disse betyr for utslipp av lystgass. Prosjektet har utviklet en stor database med informasjon om kvalitet på ulike typer plante og avlingsrester som er viktig for å kunne estimere deres påvirkning på utslipp av klimagasser (GHG) og på jordfruktbarhet. En omfattende innsamling og analyse (meta-analyse) av publiserte feltforsøk viste at effekt av planterester på N2O-utslipp ble best beregnet når kvaliteten på avlingsrester også ble tatt i betraktning framfor bare det totale N-innholdet i plantematerialet. Denne effekten av kvalitet var koblet til plantenes modenhet, slik at en modenhetsindeks ga en enkel men robust metode for å skille mellom planterester med lite eller stor potensiale for N2O utvikling. Umodent plantemateriale som ungt gras, fangvekster, ulike typer grønnsaker stimulerte N2O-utslipp, mens modne rester som halm hadde marginal effekt på N2O. Umodne rester er vegetative aktive og inneholder vanligvis grønne deler, mens en typisk moden rest vil være halm fra tresking av kornet. Disse funnene ble bekreftet av nye eksperimentelle data fra laboratorie- og feltforsøk. Resultatene viste at N2O-utslipp fra nitrogen i røtter var marginal sammenlignet med utslippene fra tilsvarende mengde nitrogen i overjordiske rester. Dette kunne ikke forklares ut av den biokjemiske sammensetningen av røttene og indikerer at røttenes nærkontakt med mineralpartikler i jorda gir en kjemisk og fysisk beskyttelse som nedsetter nedbryting av røttene. De eksperimentelle resultatene viste også et samspill mellom tilførsel av avlingsrester og innholdet av mineralnitrogen i jorda, noe som resulterte i større lystgassutslipp fra umodne planterester når innholdet av mineralnitrogen i jorda var høyt. Det bør derfor ikke gjødsles med nitrogen kort tid etter tilførsel av umodne planterester. Eksperimentene viste at fjerning av umodne planterester etter høsting er en effektiv måte å forebygge utslipp av lystgass, mens effekten for modne planterester var mindre og inkonsekvent. Norske feltstudier viste at høye N2O-utslipp kan oppstå fra frosset jord i snøsmeltingsperioden. Dermed kan høstpløying av levende planter som grønngjødsel og eng øke lystgassutslipp sammenlignet med vårpløying. En feltundersøkelse med nedpløying av eng viste at pH i jorda nær det nivået som generelt anbefales for avlingsproduksjon (pH ~6.0) kan halvere N2O-utslippene forbundet med tilførsel av umodne rester sammenlignet med en suboptimal pH (pH ~ 5.4). Modellering for ulike dyrkingssystemer over hele Europa, under både nåværende og forventet fremtidig klima, viser at langsiktige effekter av tilførsel av planterester på klimagassbalanser bestemmes av effekter på N2O-utslipp. Endring i hvor mye planterester som tilføres, fører til midlertidige endringer i SOC over 10-15 år. Imidlertid vedvarer effekten av endringene på N2O-utslipp og oppveier mulige effekter på mengden karbon som er lagret i jorda. Videre viser simuleringer at fjerning av rester har større effekt på N2O-utslipp enn metoden for påføring, dvs. tilførsel på overflaten eller innarbeiding i jorda. En spørreundersøkelse blant bønder i Danmark og Norge viste at tilbakeføring av avlingsrester til jorda var vanlig for å opprettholde eller forbedre SOC. Følgelig ble fjerning av planterester ansett som negativt for økosystemtjenester så vel som avlingsproduksjon. Konklusjoner: ResidueGas har foreslått et nytt konsept for kvantifisering av N2O-utslipp, hvor utslippsfaktoren bestemmes av type avlingsrester og skiller mellom modent og umodent plantemateriale. Fangvekster, gras og grønnsaker - er viktige for levering av flere økosystemtjenester. Dermed bør disse restene håndteres på en forsvarlig måte for samtidig å unngå høye N2O-utslipp. I jord med lav pH vil kalking redusere N2O utslipp. Våre resultater tyder på at røtter bidrar marginalt til N2O utslipp, men disse observasjonene trenger bekreftelse fra flere studier i ulike jordtyper og med ulike typer røtter.

ResidueGas has successfully reached the key objectives. This included the following aspects that would have not been possible without the intense collaboration among project partners: 1) We achieved to develop the scientific basis for a new method for quantifying N2O emissions from crop residues and assessed its value for mitigation efforts based on literature and new empirical studies, 2) we were able to compare parameterization and simulation results of two process oriented models on site and EU scale, 3) we propose practical mitigation strategies. These findings are likely to impact favourably the management of crops residues towards reduced N2O emissions without impairing other ecosystems services, and also contribute to the improvement of N2O accounting from agriculture in a simple and transparent way.

Crop residues provide large inputs of carbon (C) and nitrogen (N) to soils and contribute to the net GHG balance of soils in different ways. They are included as a key component in national emissions inventories for nitrous oxide (N2O) from agriculture. Residue are also a major contributor to sustaining or enhancing soil organic carbon (SOC) and N contents and thus soil fertility. Depending on the amount of C and N in crop residues and their contributions to N2O emissions or to the SOC balance residues might increase or decrease the GHG footprint of agroecosystems. Studies have shown that N2O emissions from N in crop residues vary considerably depending on residue quality, residue management and soils. This is currently not reflected in emissions inventories or likely not sufficiently in simulation models. This makes current emission inventories uncertain and in many cases biased. Lack of knowledge and precise model estimation of N2O emissions and SOC storage from crop residues limits the design of improved crop management systems for net GHG emissions reductions. ResidueGas will document an improved methodology to quantify N2O emissions from agricultural crop residues management, including standards for estimating the amount of N in residues and improved emission factors for crop residue that include effects of residue quality, management, soils and climate on emissions. ResidueGas will further identify and communicate best practice for crop residue management strategies with respect to their net greenhouse gas effect in terms of N2O emissions and SOC storage. The transnational team in ResidueGas has the necessary breadth of high-level expertise to undertake the task, covering knowledge on relevant cropping systems, measurements of GHG emissions (N2O and SOC) at both field and lab scales, access to existing data on crop residues and emissions, expertise in biogeochemical modelling of GHG emissions and knowledge on GHG inventory reporting at farm and national scale.