MAGGE Mitigating Agricultural Greenhouse Gas Emissions by improved pH management of soils

Direkte utslipp av lystgass (N2O) fra dyrket jord utgjør den største andel av planteproduksjonens klimapådriv. FACCE ERA-GAS prosjektet ?Mitigating Agricultural Greenhouse Gas Emissions by improved pH management of soils (MAGGE-pH)? utforsket muligheter til å redusere N2O utslipp fra dyrket jord ved å kalke den utover det som er nødvendig for å sikre god plantevekst. Ideen baserer seg på kunnskap om at reduksjon av N2O til uskadelig N2 ved denitrifiserende bakterier fungerer dårlig ved lav pH. For å teste om pH effekten kan brukes for å redusere N2O utslipp under feltbetingelser ble det gjennomført utslippsmålinger gjennom to år i ulike kalkingsforsøk i Europa og Ny-Zealand. Effekten av kalking på enkeltprosesser og mikrobesamfunn ble studert på laboratoriet. Mens prosess-studiene bekreftet at kalking av sur jord fremmer bakteriell reduksjon av N2O til N2 under denitrifiserende betingelser (dvs. når oksygentilgjengelighet er lav), ble det også funnet at kalking øker N2O produksjon i nitrifikasjon, en prosess som oksiderer ammonium til nitrat når oksygen er tilgjengelig. Ny innsikt fra våre kalkingsfelt knytter dette til pH-drevne forandringer i samspill mellom nitrifiserende bakterier og arker. Nettoeffekten av kalking på N2O utslipp avhenger derfor på hvilke N2O dannende prosesser dominerer til hver tid. Dette vises også i utslippsdata fra ulike felt. MAGGE-pH har jobbet med å implementere forbedrete pH algoritmer i N2O utslippsmodeller som kan brukes til å anslå N2O avbøtingspotensial til kalking baserende på regionale jordkart. Akilleshælen til N2O utslipps-reduksjon gjennom kalking er frigjøring av CO2 fra karbonater. IPCC antar at 100% av karbonet i kalkingskarbonat tapes som CO2 til atmosfæren. Dette er imidlertid ikke tilfellet og våre data fra fersk pløyd jord viser at CO2 frigjøring fra kalk er neglisjerbart i moderat sur jord. Nylige data fra jordkartlegging i Tyskland, Irland og Storbritannia viser en graduell forsuring av dyrket jord i sentral og Nord-Europa, noe som tilsier økte N2O utslipp hvis trenden ikke reverseres. MAGGE-pH har derfor jobbet med bevisstgjøring av pH-gradens viktighet blant lokale og internasjonale stakeholdere og brukt sosio-økonomiske modeller for å demonstrere klimagevinsten av forbedret jord pH management.

We tested the hypothesis that liming acidic soils decreases N2O emissions. On the field level, N2O mitigation by liming depended on weather (drought, freeze-thaw) and time of liming. Rapid pH rise transiently increased N2O emissions, likely by changing the nitrifier community. Own incubation experiments and mesocosm experiments with Norwegian soil conducted at Thünen Institute using advanced 15N2 approaches revealed that the pH effect on N2O emissions strongly depended on the extent of denitrification induced by soil management. Hence, the liming effect should be seen dynamically in conjunction with, e.g., ammonium fertilization and crop residue incorporation, which first stimulate nitrification before inducing denitrification due to oxygen consumption. MAGGE-pH has risen the awareness of practitioners and extension service about the advantages of proper pH management in Norway, and has feed into follow up projects such as EarthResQue and GREENMOVE.

Climate forcing by crop production is dominated by N2O emissions. Although emissions can be marginally reduced by "good agronomic practice", we need novel approaches to make substantial progress. This is what MAGGE-pH is about, by deliberately targeting the microbial processes responsible for production and consumption of N2O in soils. Our proposed research is based on the emerging understanding of how soil pH controls the N2O/N2 product ratio of denitrification. This research has shown unequivocally that the ratio declines with increasing pH within the agronomically permissible range of 5.5 -7.0. We therefore see a possibility to mitigate N2O emissions by increasing the pH of moderately acidic soils beyond the threshold needed to secure adequate crop growth. This necessitates policy instruments to secure effective implementations, and MAGGE-pH will deliver socio-economic analyses to identify such instruments. The evidence for the pH effect on N2O emissions stems from laboratory experiments and a few field experiments. Now we need stringent testing of different liming strategies under realistic field conditions. This will be the core activity in MAGGE-pH and generate emission factors for a range of N fertilizers/manure/urine applications by pH. We will also draw on ongoing research which tests non-calcareous rock powder as a replacement for traditional lime (carbonates). This is highly relevant, because CO2 emissions from carbonates can negate their potential N2O reducing effect. MAGGE-pH will also explore a series of novel approaches to manage soil pH via carbonate amended fertilizers and not the least via manure, which hold the potential to reduce anthropogenic N2O emissions even further by minimizing NH3 volatilization. Thus, the project adds "blue sky? research to the core objectives, and puts it to a critically evaluation by a broad European consortium consisting of researchers, fertilizer companies and practitioners.