Sunday, 11 November 2018

Kolbindarskolan - del 3


Nu tar vi oss an den tredje delen i kolbindarskolan. Turen har kommit till samspelet mellan kol (C) och kväve (N).

Låt mig först berätta att jag har uppdaterat del 2 med lite nyare data om hur mycket kol som binds i olika typer av ekosystem (de nyanserar min bild en del).

Varför bry sig om samspelet mellan kol och kväve? För den som inte är så insatt i jordbruksfrågorna kanske det verkar lite väl inkrökt att tala om det. Men det går inte att komma runt frågan. Användning av kväve i form av konstgödsel är en av de absolut största förändringarna av jordbruket de senaste hundra åren. En del hävdar att konstgödseln föder halva jordens befolkning. Det är i och för sig nonsens, men det går inte att bortse från konstgödselns effekt på jordbruket och hela livsmedelssystemet. Det är också uppenbart att kvävegödslingen påverkar det biologiska systemen i jorden, och därigenom också kolbindning. Men hur?

Växterna omvandlar koldioxid till sockerarter via fotosyntesen. För det behöver de vatten som de får från marken i huvudsak. Utöver det behöver växterna andra byggstenar, näringsämnen, för att växa och sätta frö. De flesta näringsämnen finns i jorden och kommer från vittring av mineraler. Kväve är ett av de allra viktigaste näringsämnena och finns inte i mineraler i någon särskild utsträckning, däremot finns det bundet i organiskt material i jorden. Atmosfären innehåller ”bara” 0,04 procent koldioxid men hela 72 procent kväve, så man kunde tro att kväve inte skulle vara en begränsning över huvud taget. Men kvävet i luften är i molekylform vilket växter inte kan ta upp. Huvudvägen för växterna att ta upp kväve är från marken.

Det är välkänt att baljväxter (bönor, ärtor, klöver m.fl.) och bakterier har ett välutvecklat samarbete där växterna levererar kolhydrater och annat till bakterierna som i sin tur levererar kväve till växterna, kväve som de själva kan utvinna från luften. Senare tids forskning har visat att större delen av växternas näringsförsörjning sker genom olika typer av utbyten mellan växt och bakterier, svampar (framför allt mykorrhiza) och annat mikroliv. Växterna använder stora delar av det kol de bundit från atmosfären i detta utbyte och får olika näringsämnen från mikroorganismerna. Större delen av markkolet har gått från växterna till mikroorganismer för att sedan blir mer stabila former. Relationen mellan växt och mikroorganismer är därför också av mycket stor betydelse för kolbindningen.

Oenighet om kvävets funktion

I diskussionen nedan fokuserar jag på konstgödselkväve. Vissa av effekterna som diskuteras är kanske oberoende av om kvävet är i form av konstgödsel eller är om det är av biologiskt ursprung, t.ex. i form av hönsgödsel eller kväve fixerat av baljväxter. Jordbrukssystem som inte använder kvävegödsel är i mycket stor utsträckning kvävebegränsade, dvs systemen präglas av kvävebrist. Den typ av kvävegivor som är aktuella i konventionellt jordbruk kan därför bara förekomma i intensiv grönsaksodling eller andra grödor i liten skala.

Det råder rätt stor oenighet om effekten av konstgödselkväve på det organiska materialet. I ena hörnan står huvuddelen av den traditionella jordbruksforskningen som hävdar att konstgödsel ökar inte bara skörden utan också skörderesterna och därigenom tillförs jorden mer kolhaltigt material.  Detta leder i sin tur till ökade lager av kol i jorden.

I andra hörnet står de (och jag) om anser att god tillgång på reaktivt kväve i jorden kan leda till att organiskt material bryts ned snabbare, och att tillförsel av konstgödselkväve stör det utbyte av kolhydrater mot andra näringsämnen som ständigt pågår mellan växterna och mikroorganismer. Några exempel på forskning som tyder på sådant:

- ett långliggande försök sedan 1941 i Tyskland med kontinuerlig höproduktion visar att mycket mer kol lagrats in i de led som inte gödslats än de som gödslats och kalkats. (länk)

- i ett långliggande försök i USA minskade kolförråden i de led som konstgödslats trots att mycket stora mängder skörderester plöjdes ned.

- en översiktsartikel om jordkolets ekologi konstaterar att det inte finns någon linjär relation mellan växternas biologiska produktion (Net Primary Productivity) på en mark och storleken på kolförråden.  

- en stor jämförelse mellan jordprover från ekologiskt odlade jordar och konventionellt odlade jordar i USA visade på genomsnittligt högre halt av organiskt material i de ekologiska jordarna och också på en högre andel av svårnedbrytbart organiskt material. De ekologiska gårdarna hade genomsnittligt lägre skörd och betydligt lägre tillförsel av kväve (eftersom konstgödsel inte får användas).

- en metaanalys av 151 studier visar att ökad tillförsel av kväve minskar den mikrobiella biomassan i jorden påtagligt.

Den som har gjort en kompost vet att balansen mellan kol och kväve, den så kallade C:N kvoten, har stor betydelse för hur den uppför sig. Vid höga kvoter, ca 24 och högre, är konkurrensen om kväve stor med påföljd att nedbrytningshastigheten avtar. Vid låga kvoter, dvs en högre andel kväve, finns det så gott om kväve att risken för att det läcker ut eller avgår som lustgas ökar. Hög andel kväve leder till snabbare nedbrytning av organiskt material, men det är nog inte helt klarlagt om det också gäller de mer stabila formerna som är mest intressanta för kolbindning, dvs om kvävetillförsel i sig riskerar att motverka kolinlagringen.

Ett problem i sammanhanget är att så gott som alla forskningsresultat gäller de allra översta jordlagren, medan vi sett tidigare att det C som lagras länge finns djupare ned, och det är inte självklart att det som gäller matjorden också gäller för alven.

Det beror på

Som så ofta i jordbruket kan det kanske vara så att det ”beror på”. Om tillgång på kväve är en starkt begränsande faktor är det inte osannolikt att tillförsel av kväve kan leda till bättre växt och mer skörderester.  Man skulle kanske kunna se en parallell med tillgången på vatten. Genom konstbevattning kan man höja skördarna i många olika typer av klimat, inte bara i de torraste. Och det verkar som att bevattning i torra klimat leder till ökad inlagring av kol, men i fuktigare klimat sker ingen sådan inlagring (lustgasutsläppen ökar dock med bättre tillgång på vatten).  

Samtidigt är det också sannolikt att jorden ”vänjer sig” vid tillförsel av lättillgängligt kväve, vilket betyder att samspelet mellan växter och mikroorganismer ändras och andra mekanismer undertrycks. Om växtens utbyte med mikroorganismer är central också för kolbindningen, vilket det mesta tyder på, och detta utbyte förändras av kvävegödslingen kan den leda till minskad kolinlagring.

En annan faktor att ta hänsyn till i sammanhanget är att modernt växtmaterial har förädlats för att öka andelen användbar skörd på bekostnad av de delar av växten som vi inte använder (det kallas för skördeindex). Dessa nya sorter är anpassade till god tillgång på växtnäringsämnen och har oftast mindre utvecklade rotsystem (eftersom växten inte behöver så mycket rötter om näringen finns i överflöd). Det betyder samtidigt att rotmassan blir mindre och att utbytet med mikroorganismer i jorden minskar. Båda dessa är mycket viktiga för kolinlagring. Exemplet visar också hur olika saker hänger ihop i jordbrukssystemet, vi kan aldrig bara ändra en sak.

Konstgödsling är ingen kolbindningsstrategi

Även om ökad tillförsel av kväve skulle kunna leda till ökad inlagring av kol (vilket alltså kan ifrågasättas enligt ovan) så innebär tillverkningen av konstgödsel stora utsläpp av koldioxid och lustgas, användningen av konstgödsel är också den främsta källan till lustgasutsläpp från mark, så som kolinlagringmetod är kvävegödsling definitivt inte någon vettig strategi.

Men med det börjar jag komma in på diskussion om det som många gärna börjar med: olika metoder att öka kolinlagringen i jordbruket, och det får vänta till del 4 i kolbindarskolan. Hoppas du hänger med.



Frågelåda
Inför den fjärde och femte delen av kolbindarskolan tar jag gärna emot dina frågor om kolbindning i åker och betesmark. Skriv in dem i kommentarsfältet. Ingen fråga är för dum, ingen fråga är för smart (hoppas jag).  

Wednesday, 31 October 2018

Visste du det om kor och bufflar

Jag gör en lite paus i kolbindarskolan för att dela resultatet av lite statistikkörningar avseende kor och bufflar i världen. Resultaten var intressanta och ger en snabb bild av den olika omfattningen och inriktningen på uppfödningen av nötkreatur i världen. 

Några observationer: 

- Flest nötkreatur finns i Asien, följt av Nord och Sydamerika tillsammans. Indien ensamt har två och en halv gång så många kor som Europa.
- Nötkreaturen i Nord och Sydamerika producerar betydligt mer kött än genomsnittet, men mindre mjölk (många kor hålls enbart för kött således), i Asien är förhållandet det omvända. 
- De europeiska korna producerar betydligt högre andel kött och mjölk än de på de andra kontinenterna i förhållande till deras antal, dvs produktionen är mycket intensiv. Allra tydligast är det för mjölken, där de europeiska korna producerar 28% av all mjölk i världen, trots att andelen nötkreatur är bara 7 %. 
- I Afrika är förhållandena de motsatta, många kor med låg produktion av kött och ännu lägre produktion av mjölk. 

Det hade varit roligt att få siffror på användningen av kor och bufflar som dragdjur uppdelat på samma sätt, men jag har inte hittat sådan statistik.
Många undersökningar från Afrika och delar av Asien bekräftar att produktion av kött och mjölk inte är huvudorsaken till att man har djur. Utan man har djur för dragkraft, som försäkring och sparkapital, status och mening. Att reducera dessa kulturers syfte med att hålla djur till att de producerar "kött" eller "mjölk" är ett mycket inskränkt perspektiv (som jag i värsta fall bidrar till med tabellen...).




OBS: siffrorna avser "cattle" och "buffalo" enligt FAOs statistik, dvs också ungdjur, oxar osv. 
 

Tuesday, 30 October 2018

Kolbindarskolan - lektion 2, vad påverkar kolbindning?


Jag fick mycket bra återkoppling på del 1 i kolbindarskolan. Någon tyckte dock att jag borde sätta mig på skolbänken innan jag sätter mig i katedern. Det var säkert elakt menat, men jag tar det inte så illa. Jag skrev väldigt tydligt i mitt förra inlägg att ingen egentligen vet allt om detta ämne och att vi behöver vara ödmjuka. Senare tids forskning har förkastat tidigare väldigt mekanistiska perspektiv på kolbindningens mekanismer. Om det hade funnits ett bra material om kolbindning i jordbruk hade jag inte brytt mig om att skriva detta.  

Många ville också styra diskussionen till vilka metoder som är bäst och om betesmark är bättre än skog eller tvärtom. Jag kommer dit i sinom tid. En huvudanledning till att jag skriver det här är att debatten alltför ofta handlar just om tillämpningar utan att de underliggande förhållandena och antagandena är klarlagda.

Spelar det någon roll?

Kanske var jag inte tydlig nog om varför vi behöver binda kol i jorden.

Det absoluta största förrådet av kol i biosfären finns oceanerna med cirka 37 000 gigaton (Gt). I atmosfären finns ”endast” cirka 830 Gt, medan växtligheten och djuren innehåller drygt 600 Gt. I jordarna lagras ungefär 2500 Gt kol totalt, men sannolikt runt 1500 Gt om man räknar enbart på den översta metern. För att sätta dessa siffror i ett sammanhang så uppgår de beräknade sammanlagda utsläppen av cementtillverkningen och all användning av fossila bränslen fram till och med 2013 till 390 Gt kol. ”Utsläppen” orsakade av avskogning och förlust av kol från mark uppgår till och med 2013 till 160 Gt. (I förra inlägget skrev jag 130 Gt ton och länkade till en forskningsartikel, här länkar jag till en annan källa. Ni får leva med att det inte blir exaktare än så. De där siffrorna med många decimaler som man kan se har ingen täckning i verkligheten.)  

En knappt tredjedel av alla koldioxidutsläpp sedan 1870 orsakades således av det som brukar kallas förändrad markanvändning. Kan vi vända den utvecklingen kan det vara av stor betydelse. 
Det är bakgrunden till initiativet 4 per 1000; om vi kan öka kolhalten i de övre jordlagren med 4‰ per år motsvarar det hela de årliga utsläppen av koldioxid. Vissa går ännu längre och hävdar att vi med kolbindning i mark kan kompensera också för alla historiska utsläpp. I det femte inlägget kommer jag tillbaks till det.

Att öka kolinnehållet i jorden kan också bidra till bördigare jordar, bättre motståndskraft mot torka, lättare jordbearbetning med mera. Det kan således också ge oss högre skörd. Men som jag kommer visa kan det också finnas en viss motsättning mellan vår önskan att binda mer kol och att samtidigt föra bort kol i form av ökade skördar, oavsett om de används för mat, foder, industriråvaror eller biobränslen. Vi kan nog inte både äta kakan och ha den kvar.  

*

De viktigaste slutsatserna i första lektionen var att kol kan ackumuleras på flera olika sätt. Dels kan jordlagret bli tjockare genom att växa uppåt på ytan (A) eller nedåt (D) genom att rötter löser upp modermaterialet. Organiskt material binds också i matjorden (B) och i alven (C), det mindre näringsrika jordlagret under matjorden. Mycket av mätningarna och forskningen runt kolbindning har skett på djupen 0-10 cm eller 0-30 cm. Även om kolhalten normal sett är störts där är det också minst stabilt närmast ytan. Kolet längre ned i profilen är normalt sett mer stabilt. Genom mätning av kolhalt i ett visst djupintervall missar man den totala kolbindningen som kan ske.



Genom att studera olika naturtyper och andra platsbundna förhållanden kan vi få mycket information. Exemplet med mossar visar också att kolbindning inte nödvändigtvis har en mättnadsgrad utan den kan pågå under mycket lång tid.


Ett annat exempel är de mycket bördiga jordbruksmarker som etablerats på tidigare stäppmarker som Pampas, Nordamerikas prärier och den pontiska stäppen som sträcker sig från Rumänien till Uralbergen. Dessa tidigare gräsbeväxta stäppmarker har ett mycket tjockt och bördigt jordlager. De visar att kolbindning i gräsmark kan vara mycket effektiv och pågå under lång tid. När marken plöjs till åker inleds vanligen en massiv nedbrytning av kolförråden och omfattande erosion.

[Uppdatering 4 november]



1. C-innehåll
kg/m2
2. Årlig C-tillförsel
Kg/m2/år
3. Omsättningstid organiskt kol
0-20 cm
4. Omsättningstid organiskt kol
0-300 cm
Tropisk skog
12
2,0
5
22
Tempererad skog
9
0,8
10
26
Boreal skog
16
0,5
10
27
Tropisk savann
5
0,5
6
30
Tempererade gräsmark
13
0,3
15
63
Medelhavsskog
8
0,5
17
70
Öken
3
0,1
25
144
Tundra
20
0,1
52
165
Åker
8
0,5
6
24
Våtmarker
72
0,2
150
945

1 anger det totala innehållet av kol per kvadratmeter mätt ned till 3 m djup, 2.anger hur mycket kol som tillförs årligen, 3 och 4 anger omsättningstiden för det organiska kolet i jorden på olika djup.

Som sammanställningen visar skiljer det stort mellan naturtypernas ämne till att binda kol och det finns inget direkt samband mellan stora kolförråd och den årliga tillförseln av kol till systemet. Tundra har mycket stora förråd av kol trots att den årliga tillförseln är liten. Trots att tropisk skog drar in sju gånger mer kol än tempererade gräsmarker binds ungefär lika mycket kol i jordarna. Förklaringen till detta är den sista kolumnen som anger vilken omloppstid kolet har i jorden, dvs hur snabbt det bryts ned i genomsnitt.

[slut på uppdatering]
Kategorierna åker, skog och gräsmark är för övrigt konstlade, både vad gäller naturen och vad gäller historisk mänsklig markanvändning. Amazonas var befolkat av svedjebrukande bönder i stort antal för många tusen år sedan medan svenska skogar var glesa och betades av kreatur i större delen av landet långt in på 1900-talet.  

Men det finns många andra faktorer än naturtyp som påverkar kolförråden.

  • Temperatur: svala klimat är gynnsamt för kolbindning. Det finns en osäkerhet hur omväxlande frysning och upptining kan påverka kolinlagringen. Ett mycket påtagligt exempel är de stora förråd av kolhaltigt material som finns på tundran och vad som händer med dem om de tinar.
  • Nederbörd/fukt: ökad fuktighet är gynnsamt för kolbindning.
  • Jordart: Jordar med finare partiklar som lera tenderar till att lättare binda kol än grövre jordarter.
  • Kemi: förekomsten av aluminium, järnoxider och kalcium kan bidra till stabilisering av markkol.
  • Livet i jorden: Det är växterna som använder atmosfärens koldioxid för att bilda kolhaltiga föreningar som kolhydrater och cellulosa. Men när det väl skett så tar andra vid och använder sig av växternas bundna kol för sitt eget liv. Det gäller inte bara oss människor och våra husdjur utan också det enorma liv som finns i jorden. Det mesta kol som är stabilt i jorden har gått igenom en mikroorganism eller en mask i ett eller flera varv samt varit en del av svampars hyfer eller i samarbetet mellan växt och svamp (som mykorrhiza). Mycket talar för att livet i jorden är av avgörande betydelse.
  • Varierad vegetation: Om vegetationen är varierad kommer den totala biologiska produktionen att öka, över och under jord.
  • Tillgång på näringsämnen: Mängden kol som kan bindas beror till del på hur väl växterna växer. Förutom temperatur och vatten behövs en rad näringsämnen. Om något viktigt näringsämne saknas kan tillväxten sjunka och då binder växten också mindre kol. Särskilt viktigt är relationen mellan kol (C)  och kväve (N). Det är fokus för del tre i kolbindarskolan.
  • Brukningsmetoder och val av växter: Har helt klart påverkan, det blir fjärde lektionen.

Faktorerna samverkar på olika sätt eller motverkar varandra. Det är ofta en faktor som begränsar inlagring av nytt kol och en annan som begränsar nedbrytningshastigheten. Temperatur och nederbörd samvarierar också med vissa naturtyper och i slutänden också med jordarter. Jordarterna skapas både av modermaterialet, fysiska och kemiska processer och av det som växer där. Man skulle kunna hävda att det är klimatet som bestämt att stäppmarker varit gräsbeväxta och att de jordtyper som finns där är ett resultat av en kombination av klimatet och vegetationstypen. 
[Tillägg 4 november] För gräsmarker spelar också de betande djuren en mycket stor roll, både för att gynna gräset över andra arter och för hur betandet samspelar med gräset.
 

Slutsats: Samspelet mellan växter, mikroliv och omgivande miljöfaktorer är centrala för kolbindningen.


Kommande "lektioner"
Del 3: Kol och kväve

Del 4: Brukningsmetoder och odlingssystem.

Del 5: Potential och begränsningar

Del 6: Politik och andra vägar framåt