A A R H U S U N I V E R S I T E T

Faculty of Agricultural Sciences

Dokumentation for klimaeffekter

Jørgen E. Olesen

Landbrugets udledninger drivhusgasser (2006)

Metan Husdyr: 2,6 Mt CO2-ækv (3,7 %) Lagring af husdyrgødning: 1,1 Mt CO2-ækv (1,5 %)

Lattergas Lagring af husdyrgødning: 0,5 Mt CO2-ækv (0,7 %) Handels og husdyrgødning: 2,5 Mt CO2-ækv (3,5 %) Tab af kvælstof, især ved udvaskning: 2,2 Mt CO2-ækv (3,1 %) Afgrøderester og organiske jorder: 0,4 Mt CO2-ækv (0,6 %)

CO2 Dyrkning af organiske jorder: 1,1 Mt CO2-ækv (1,6 %) Kalkning: 0,2 Mt CO2-ækv (0,3 %) Mineraljord: -0,4 Mt CO2-ækv (-0,6 %)

Tallene i parentes angiver andel af samlede danske udledninger

Forventede reduktioner i drivhusgas-udledninger fra dansk landbrug i Kyoto-perioden (1990 til 2010)

Samlet forventes dansk landbrug under Kyoto-protokollen at bidrage til reduktioner på 5,1 mio. ton CO2/år, eller ca. 35% af den samlede reduktionsforpligtelse.

Kilde mio. ton CO2 Metan 0,3 Lattergas 2,9 Kulstof i mineraljord 1,5 Kulstof i lavbundsjord 0,1 Mindsket kalkning 0,3 I alt 5,1

Carbon and nitrogen flows on farms

Feed

Livestock

Soil/crops

Manure Import(CO2, N2O)

Export in meat/milk

Treatment(bioenergy)

Emissions (CH4, NH3, NO3, N2O)

Emissions (CO2, NH3, NO3, N2O)

Fertilis(CO2, N2O)

Emissions (CH4)

Forudsætninger for dannelse af metan

• Tilstedeværelse af metandannende bakterier

• Anaerobe (iltfrie) forhold

• Kulstofkilde (kulhydrater / organisk stof)

• Passende temperaturer

Betingelserne er opfyldt:• I vommen hos drøvtyggere,• I endetarmen hos enmavede dyr • I gødningslagre (især i gyllebeholdere)• På humusjorde og andre jordtyper afhængig af vandstand

og geo-kemiske betingelser

Metandannelse i vommen

Eddikesyre

C6H12O6 + 2H2O 2CH3COOH + 2CO2 + 4H2

Propionsyre

C6H12O6 + 2H2 2CH3CH2COOH + 2H2O

Smørsyre

C6H12O6 CH3CH2CH2 COOH + 2CO2 + 2H2

Metan

4H2 + CO2 CH4 + 2H2O

Fodringens betydning

Øget foderoptagelse og produktion fortynder vedligehold

Øget produktionsniveau/foderniveau

foderoptagelse

kraftfoder/grovfoder forhold

propionsyre

eddike- og smørsyre

fordøjelighed i vommen

metan i % af bruttoenergi

Fodringens betydning

Mælkeydelse (kg/dag)

Metan emission per kg mælk (g/kg)

Kirchgessner et al., 1995

Fodring med fedt

Fedtsyrer forgæres ikke i vommen i modsætning til kulhydrater Fedtsyrer påvirker vomomsætningen

propionsyre metanogene bakterier protozoer i vommen

metanogene bakterier smørsyre

Umættede fedtsyrer mættes i vommen, bruger brint

Effekt af foderrationer

Foder Standard Kraftf./grovfoder forhold

Grovfoder type Kulhydrat kilde Fedtniveau Fordøjelighed grovfoder

50% grovfoder

43% grovfoder

58%grovfoder

Majs ensilag

e

Byghelsæds ensilage

Foder roer

Cellevægge roepiller

Sukker melasse

400 g fedttilsku

d

800 g fedttilsku

d

Høj FK Lav FK Meget lav FK

Ration nr. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13Arealkrav1

Græs (ha) 0,354 0,321 0,387 0,179 0,354 0,354 0,354 0,354 0,354 0,354 0,354Andet grovfoder (ha) 0,354 0,354 0,179 0,201 0,102Korn (ha) 0,287 0,344 0,229 0,287 0,287 0,287 0,146 0,235 0,183 0,287 0,287 0,287Oliefrø (ha) 0,307 0,365 0,248 0,307 0,307 0,307 0,307 0,307 0,336 0,365 0,307 0,307 0,307I alt (ha) 0,95 1,03 0,86 0,95 0,95 0,95 0,86 0,91 0,93 0,90 0,95 0,95 0,95

Metan (kg)1) IPCC 138 146 130 138 138 136 135 136 136 134 138 138 1372) Kirchgessner et al. (1995) 135 137 134 134 138 123 160 137 101 67 129 142 150

CO2 ækvivalenter fra metan (kg)4

1) IPCC 2898 3058 2729 2905 2897 2859 2844 2851 2951 3005 2905 2898 28772) Kirchgessner et al. (1995) 2835 2867 2813 2813 2890 2583 3365 2867 2121 1407 2706 2982 3150

CO2 i jord2 (kg) 656 594 716 331 656 656 656 656 656 656 656

Kg N i foder 224 241 206 181 190 198 219 226 217 210 229 215 200Kg N2O3 7,03 7,57 6,49 5,68 5,98 6,24 6,90 7,12 6,82 6,62 7,19 6,76 6,30CO2 ækv. fra N2O (kg)4 2179 2348 2011 1760 1854 1933 2139 2206 2116 2052 2229 2096 1953

CO2 ækv. i alt (tons)1) IPCC 4,4 4,8 4,0 4,7 4,8 4,5 4,3 4,4 4,4 4,3 4,5 4,3 4,22) Kirchgessner et al. (1995) 4,4 4,6 4,1 4,6 4,7 4,2 4,8 4,4 3,6 2,9 4,3 4,4 4,4

CH4 og N2O fra slurry stores

The methane production depends strongly on temperature. More methane from pig slurry than from cattle slurry (more VS) Methane oxidation in surface crust can reduce emissions No nitrous oxide from the slurry itself Nitrous oxide may be formed in the surface crust (in particular under

dry conditions).

80% of carbon release (CO2)

Low temperatureHigh oxygen

20% of carbonrelease

(CO2 and CH4)

CH4 (5-15% of total carbon release)

High temperatureLow oxygen

Varying N2O emissions have been measured

CH4 og N2O fra deep litter mats

Temperature of a compost heap

70°C 65°C 60°C 50°C 30°C

Airflow Airflow

CH4 og N2O fra stores of solid manures

Large differences between composting and non-composting manures The metane emissionen may constitute 0.01 to 0.2% of C-content Nitrous oxide emissions mainly originate from layers close to the

surface Both methane and nitrous oxide emissions will be increase by

compression of the manure

Biogas

Energy production (substitution of fossile energy sources – depends on addition of other organic energy sources)

Reduced methane emissions (requires collection of methane after the biogas reactor)

Reduced nitrous oxide from the manure after field application

Hvordan reduceres udledningerne af metan?

Ændret mikrobiologi Mere fedt i foder i kvægfoder Stivelse i stedet for sukker i kvægfoder Metanhæmmende stoffer i kvægfoder Forsuring af gylle

Opsamle metan Biogas

Lavere temperatur Lagring af gylle udendørs Lufttæt overdækning af faste gødningslagre

Metanoxidation Flydelag og låg på gyllebeholdere

Dannelse af lattergas (N2O)

• N2O kan stamme fra både nitrifikation og denitrifikation

• N2O dannes især under suboptimale forhold for mikro-organismerne (f.eks. lav ilt eller lav pH) eller i overgange mellem iltrige (aerob) og iltfattige (anaerobe) forhold.

• Er i praksis ofte knyttet sammen med ”overgødskning” og/eller uhensigtsmæssig timing af gødskningen

NH3NO2

N2O

NO3

N2

Nitrifikation (aerob)

Denitrifikation(anaerob)

Nitrifikationsinhibitorer

Planteoptag

Crop rotation experiment at Foulum

Lattergas fra vinterhvede ved AU-DJF Foulum

Dato

01-09 01-11 01-01 01-03 01-05

Latte

rgas

udl

edni

ng (

g N

2O

-N/h

a/da

g)

-5

0

5

10

15

KonventionelØkologisk, ingen gødningØkologisk, med gødning

Reduktionsmuligheder:- Efterafgrøder- Mere N-effektive afgrøder- Timing af gødskning

Lattergas fra vinterhvede ved Foulum (FO) + Flakkebjerg (FL)

Total N applied in fertilizer and manure (kg N ha-1)

80 100 120 140 160 180

Nitr

ou

s o

xide

em

issi

on

s (k

g N

2O

-N h

a-1 a

-1)

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

FO; conventional

FO; organic

FL; conventional

FL; organic

Hvordan reduceres udledningerne af lattergas?

Undgå dannelse og ophobning af nitrat i jordenVedvarende plantedække (efterafgrøder)Delt gødskningEffektiv optag og udnyttelse af N i afgrøderneBiologisk N-fiksering i stedet for gødskning

Reducere nedmuldning af plantemasse med højt N-indholdHøste plantemassen (efterafgrøder, grøngødning) til

brug i biogasanlæg

SOC

Crop

Roots

SoilDissolved and particulate organic carbon

Soil C cycle

Root respiration -CO2

Microbial respiration - CO2

Decomposition - CO2

Litter /debris

Microbes

Root turnover &rhizodeposition

temperature, moisture, pH, nature & quantity of C inputtillage etc.

Factors affecting SOC turnover:

Kulstof-input (mængde og kvalitet) (planterester, gødning)

Nedbrydningshastighed (jordens fugtighed, temperatur, jordbearbejdning)

Andre tab (erosion)

Faktorer der påvirker kulstofindhold i jorden

HUM ROMFOM

CO2 CO2 CO2

CO2CO2CO2

Subsoil

Topsoil

Flows (t C/ha/yr), stocks (t C/ha)

4.35.0

0.10.12

34.8 26.5

22.4 42.2

4.2 0.46 0.01

0.03 0.27 0.003

0.74 0.01

0.02 0.01

0.10 0.28 0.01

A vertically stratified model of soil carbon flows

0 20 40 60 80 100

Sub

soil

C (

t C/h

a)

50

60

70

80

90

100

Top

soil

C (

t C/h

a)

50

60

70

80

90

100

Wheat straw removalWheat, straw + manureGrassland

Development of soil carbon over time (100 years)

Soil respiration in winter wheat

Contribution of soil and root respiration to total CO2 efflux in various cropping systems

Cropping system

C4 O4M O4CC O2MCC O4MCC

kg C

O2-

C h

a-1 d

ay-1

0

1000

2000

3000

4000

5000

Soil respiration Root respiration

Wheat roots

Winter wheat root DM (0-30 cm depth)

Cropping system

C4 O4/M O2/M/CC O4/CC O4/M/CC

kg D

M h

a-1

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Winter wheat root DM (30-60 cm depth)

Cropping system

C4 O4/M O2/M/CC O4/CC O4/M/CC

kg D

M h

a-1

0

100

200

300

400

Muligheder for yderligere reduktion (nuværende teknologi)

Bioenergi Halm, biogas, afbrænding af gødning Energiafgrøder: pileflis, energimajs

Husdyr Øget fedtfodring til malkekøer

Forbedret håndtering af husdyrgødning Køling i stalde, overdækning af gødningslagre

Forbedret N-udnyttelse i marken Øget biologisk N-fiksering

Arealanvendelse Efterafgrøder, reduceret jordbearbejdning Udtagning af arealer på lavbund og højbund

Olesen et al. (2006)

Drivhusgasemissioner fra europæiske kvægbrug

N overskud (kg N ha-1)

0 100 200 300

Em

issi

on

er

(t C

O2-æ

kv h

a-1 å

r-1)

0

5

10

15

20

KonventionelØkologisk

N effektivitet, output/input (%)

10 15 20 25 30E

mis

sio

ne

r (t

CO

2-æ

kv M

J-1)

200

300

400

500

600a b

Øget N overskud (f.eks. flere dyr pr. ha) øger emissionerne per ha.Større effektivitet mindsker udledningerne per produceret enhed.

Grain and potato yield and carbon input

Simple soil carbon model

ddC hA kCt

C is the content of carbon in soil (t C ha-1)t is time (year)k is the turnover rate (yr-1)h is the humification constant (0.20 for residues, 0.35 for manure)A is the amount of crop residues (t C ha yr-1)

Crop residues

Manure

Soil C

CO2 CO2

humification

N2O emissions without and with BNF

GHG emissions (net CO2 and N2O)

GHG emissions decline with increasing N surplus

Nitrogen surplus (kg N/ha/year)

-20 0 20 40 60 80 100

GH

G e

mis

sio

ns

(Mg

CO

2-e

q/ha

/ye

ar)

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Increasing N surplus in this systems generally mean higher C storage

Org-GM

GHG emissions per unit product (grain and potato)

CO2 fodaftryk fra økologisk vs. konventionelt produceret mad (g CO2 per kg)

Kilde: ITC/FiBL 2007

Økologiske og konventionelle gulerødder

Input Gødning kg N Gødning kg P Husdyrgødning, kg N Electricitet, kWh Diesel, MJ

Udbytte Gulerødder , ton

Emissioner Nitrate-N, kg Ammoniak-N, kg Lattergas-N, kg

8348-

51814981

61,6

1782

--

270518

18758

52,8

150258

--

135518

15768

40,0

39158

KonventionelØkologiskintensiv

ØkologiskekstensivPer Ha

Livscyklusvurdering (LCA) af gulerødder

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Konv. gulerod Øko. gulerod (intensiv.) Øko. gulerod (ekstensiv)

Drivhuseffekt

Næringssalt-belastning

Forsuring Arealforbrug

Conv. carrot Org. carrot (intensive) Org. Carrot (extensive)

GHG emission

Eutrophi-cation

Acidifii-cation

Area

Hvad så nu?

Kort sigt Implenmentere de mest lovende tiltag til reduktion

Bedre udnyttelse af affaldsprodukter (halm og husdyrgødning) Fremme biogas Fremme flerårige energiafgrøder (pil, lucerne) Udtagning af lavbundsarealer

Bedre dokumentation af tiltagene Reducere omkostningerne ved implementering

Længere sigt (kræver forskning og udvikling) Nye sorter med bedre N-effektivitet og N-fiksering Dyrkningssystemer med permanent vegetationsdække Dyrkningssystemer uden jordbearbejdning Teknologiske systemer til behandling af husdyrgødning, hvor

kvælstof ikke giver anledning til metan og lattergas Nye fodringssystemer til kvæg med mindre metan