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]

En översiktsartikel av Eldor A. Paul. Från 2016 anger följande sammanställning av kolförråden i olika naturtyper.

	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

Kolbindarskolan del 1

Häromdagen lyssnade jag på ett radioinslag som berättade att mellangrödor kan binda betydande mängder kol – och därmed koldioxid — i matjorden. Det skulle ha varit klädsamt om det hade nämnt att mellangrödor är något som det ekologiska lantbruket har propagerat för och praktiserat i minst 40 år. Men jag skall inte vara grälsjuk: mellangrödor är otvivelaktigt bra för jorden och de kan binda kol!

Däremot gjorde inslaget inget försök att försöka förklara de mekanismer som leder till kolbindning i åkermark, annat än att man förlorar kol genom att jord spolas bort. Jag tänkte göra ett försök att ta mig an den uppgiften. Den som följer mig vet att jag normalt sett stödjer mina resonemang med hänvisning till forskning. Men jag skippar det den här gången. Det jag skriver går ifrån att vara mer eller mindre vetenskapligt fastställt, till mycket sannolikt, till mina hypoteser och slutligen till mina spekulationer. När det är det sistnämnda kommer jag skriva det. Det är viktigt att inse att vi inte känner till alla mekanismer som spelar roll för kolbindning i åkermark, hur de samverkar eller motverkar varandra. Den som uttalar sig med alltför stor säkerhet är nog lite väl kaxig.

På det stora hela har vi förlorat enorma mängder kol från åkerjordarna genom jordbruket. För något år sedan uppskattades att den historiska förlusten av kol från åkerjordar och betesmarker uppgick till 130 miljarder ton kol, eller lika mycket som orsakats av all avskogning, motsvarande en tredjedel av de ackumulerade utsläppen från de fossila bränslena. Och de största kolförlusterna har inträffat de senaste hundra åren. Nettoeffekten av jordbruk som vi känner det är således negativ.

Låt oss börja med lite termer. I jordbrukssammanhang pratar man om, levande organismer, organiskt material, mull och humus för att beskriva de fraktioner av jorden som har kolhaltigt innehåll och härstammar från biologiska processer. Men skulle kunna se det som att termerna går från ett lätt nedbrytbart material (organiskt material) till en relativt stabil fraktion, humus, men termerna används inte särskilt konsekvent och gränserna är inte klara. Vissa hävdar att ”humus” inte finns.

Utöver dessa former kan kol finnas som rent kol, rester från förbränt material. I viss form kallas det biokol. I den här artikeln går jag inte in på det, inte för att det är oväsentligt utan för att det är en rätt annorlunda diskussion om hur biokol skall produceras och tillföras jorden. En annan gång.

Det finns slutligen organiskt kol som är löst i vatten (dissolved organic carbon). Huvuddelen av detta finns in vattendrag och hav och det utgör en mycket stor pool av kol i biosfären. Mycket talar för att det spelar en förbisedd roll i jorden, och att jordar i en viss mening kan ”binda kol” men samtidigt släppa ut delar av det bundna kolet till vattendragen (jag antar att det är det vi kan se i de humusrika sjöarnas bruna vatten). Hursomhelst, detta är ett rätt nytt områden där vi vet ännu mindre än mullbildning och kolbindning i åkermark, och jag lämnar också det för denna gång.

Istället för att kasta sig in en diskussion om vilka metoder som kan användas för att binda kol är det viktigt att förstå mekanismerna. Det kan hjälpa att titta på de processer som leder till kolbindning eller kolförlust i mark.

Torvmossar är ett intressant exempel på kolbindning. Trots att det är rätt litet växtlighet på en torvmosse, ingen skog att tala om, inget kraftigt gräs utan bara oansenlig mossa, hjortron, tranbär osv så binder dessa mossar kol år efter år efter år. Inga enorma mängder, men heller inte oväsentligt. Kanske 300 kg kol per hektar och år, motsvarande drygt ett ton koldioxid (för att räkna om kol till koldioxid multiplicerar man kolmängden med 44/12= 3,67, där 44 är koldioxidens molekylvikt och 12 är kolets atomvikt). Det som är grunden för torvmossarnas kolbindning är att nedbrytningen blir mycket långsam. Dvs även om tillförseln av nytt kol till mossen är rätt liten bryts det ned mycket långsamt så att kol binds som torv. I kärr finns det mer näring (jämfört med mossar) vilken kommer via tillrinning och högre pH värde vilket innebär en mycket större årlig tillförsel av kol till systemet genom frodig växtlighet, medan nedbrytningen också är långsam även om den inte är lika långsam som i en mosse. Kärr och mossar visar tydligt att kolbindning kan pågå under mycket lång tid. Mossar visar också att kolbindning kan ske genom att lagret organiskt material blir tjockare och tjockare.

Slutsats 1: Kolbindning kan pågå under mycket lång tid.

Slutsats 2: Jord kan bildas genom att organiskt material ackumulerar på ytan.

I Sverige är en mycket hög andel av jordarna, och särskilt de bästa, före detta våtmarker eller sjöar som antingen dikats eller försvunnit som ett led av landhöjningen.  Om man dikar torvmossar och kärr tillförs syre till systemet och kolet oxideras ungefär som om man eldar det (det är en grov förenkling, men nettoeffekten är densamma), dvs koldioxid avgår från jorden. Dikade torvjordar är Sveriges i särklass största bidrag till växthuseffekten och dikade åkerjordar ger de största årliga utsläppen från svenskt jordbruk. Man kan se dessa effekter tydligt genom så kallad bortodling där markytan sjunker år efter år. Ju mer jorden bearbetas, ju mer syre som tillförs desto snabbare går bortodlingen. Det går således mycket snabbare om man odlar morötter på den än om den används som permanent betesmark. Bortodlingen kan uppgå till flera centimeter per år, dvs markytan sjunker med flera meter på hundra år. Vid det laget är marken oftast försumpad och har återgått till att vara kärr. Om mossjorden var näringsrik sker det sannolikt också en betydande avgång av lustgas parallellt med kolförlusten. Däremot minskar metanavgången från kärr och mossar som dikas. Våtmarker är den största metankällan på jorden (våtmarkernas metanavgång räknas som biogen, ”dvs naturliga”, till skillnad från risodlingarnas och kornas utsläpp vilka räknas som antropogena, vilket gör att man inte diskuterar vårmarkernas metanutsläpp trots att de är de allra största). Men låt oss hålla oss till kolbindning just nu.    

Slutsats 3: Tillgång till syre skyndar på ”oxideringen” av kol till koldioxid.

”Jord” dvs matjord, den blandning av organismer och mineraler som är det vi odlar på och som täcker större delen av markytan skapas av geologiska, kemiska, fysikaliska och biologiska processer. Vulkanutbrott, vind, frostspräckning, vatten, syror osv bearbetar sten och grus till allt mindre partiklar. Men gruset kan bara bli ”jord” genom att växter och annat liv (svampar, maskar osv) etableras där. Och livet är i allra högsta grad delaktigt i jordmånsbildingen, det bidrar genom bearbetning och upplösning av mineraler och det bidrar genom att dö och brytas ned. Det växande skapar och vidareutvecklar sina egna förutsättningar. Livet skapar en rikare jord. Processerna sker i tre lager.

1. Genom att organiskt material ackumuleras på ytan. Jag minns att jag hjälpte en vän att plocka fram hans stensatta uteplats en gång. Den hade inte skötts på några tiotals år och hade helt försvunnit under flera centimeters grässvål. Hur hade den kommit dit? Jo gräset växte in via kanterna. Det band damm och vatten och varje år lades det till ett lager av växtdelar. Marken växer alltså uppåt. Det är motsatsen till det som kallas erosion.

2. Genom att halten organiskt material ökar i det existerande jordlagret. Döende rötter, maskar som drar ned förmultnande växtdelar mm bidrar till att öka halten organiskt material i jorden. Tänk dig grusgången som först sakta invaderas av maskrosor, men på några årtionden har den blivit  till gräs.

3. Genom att göra jorden djupare. Rötter av träd och fleråriga växter, i samverkan med svamphyfer och mikroorganismer bearbetar ständigt mineraljorden, berget eller gruset som ligger under matjorden, sakta men säkert växer jorden nedåt genom denna aktivitet.

Slutsats 4: Kolförrådet i marken ökar genom ackumulering på ytan, genom ökad kolhalt i jordprofilen och genom att jordlagret blir djupare. Livet självt är det som drar ned koldioxid i jorden och omvandlar det till kol.

Att kol binds på dessa nivåer är en komplikation för den som vill mäta kolbindning. Det mesta jordbruksforskning brukar mäta mullhalt i ett bestämt skikt, ofta 0-10 eller 0-30 cm, det är det skikt som varit viktigt för jordbruket. Men om jorden växer uppåt och neråt missar man mycket av den kolbindningen på detta sätt att mäta. I teorin kan man ha en konstant kolhalt 0-30 cm och antingen förlora en massa kol eller binda en massa kol.

Slutsats 5: För att veta om kol binds i jorden behöver man mäta hela jordprofilen.

Utöver det finns kolet i olika former och är olika stabilt på de olika nivåerna. För att upprätthålla en bördig jord spelar de mindre stabila formerna en mycket stor roll, för de kan frigöra näringsämnen till växtligheten. För kolbindning är det de riktigt stabila formerna som är intressanta. På det stora hela är de yngre och ytligare formerna av organiskt material mycket mer nedbrytbara och flyktiga än det kol som finns längre ned. Om man tillför en viss mängd kol till jorden genom organiskt material är det bara en del av detta som kommer att bidra till kolbindning. Hur stor del beror på ursprungsmaterialet, på jordart, klimat och odlingssystem.

Slutsats 6: Man kan inte sätta likhetstecken mellan tillförsel av kol och kolbindning. 
Slutsats 7: För kolbindningen är det de stabila formerna av kolhaltigt material som är avgörande.