Land use effects on nitrous oxide emission from drained organic soils Land use effects on nitrous oxide emission from drained organic soils

Abstract Since industrialisation, the atmospheric concentration of greenhouse gases (GHG) has increased significantly. The most important anthropogenic GHGs are carbon dioxide (CO 2 ), methane (CH 4 ) and nitrous oxide (N 2 O). N 2 O is of major concern for two reasons; i) it is a potent GHG responsible for 6.2% of the observed anthropogenic radiative forcing and ii) it plays a major role in the destruction of stratospheric ozone. Soil processes are the largest contributor to the atmospheric N 2 O, with agriculture as the largest anthropogenic source, accounting for 65% to 80% of total emission. The N 2 O emissions are largely influenced by the land use and, due to the long half life time of N 2 O in the atmosphere, is it important to find mitigation options that will reduce N 2 O from agriculture. This is particularly important for drained organic soils, which are emitting large amounts of N 2 O and CO 2 . The main processes that produce N 2 O in soil are nitrification and denitrification. Several interacting factors control these processes and the magnitude of N 2 O emission, such as site fertility, ground water level, pH and competition from vegetation. Thus, because of the complexity of the driving variables, it is difficult to predict N 2 O emission from environmental factors. The articles in this thesis deals with measurements of N 2 O, CH 4 and CO 2 fluxes, although I in my summary of these, focus on mitigation options for N 2 O emissions from organic soils, as these are largely increased after drainage and have a large impact on the national GHG budget for Sweden. Main findings of my work are that cereals, row sown crops (e.g. vegetables) and forest emit larger amounts of N 2 O than pastures. However, due to the many controlling factors, the different soil properties as well as measurement periods it is difficult to generalise the findings for all peat soils. Soil pH was found to be a driving factor for N 2 O emission from the forest site, with enhanced N 2 O emission from low pH. Increased soil pH due to wood ash addition was found to reduce N 2 O emission at a spruce forest site, which might provide a mitigation option for organic forest soils. Based on the results from the thesis, a suggested mitigation strategy for N 2 O emission from drained agricultural peat soils is to avoid cereal and vegetable cultivation in favour of permanent meadows or pastures. Increasing pH by wood ash or lime can decrease N 2 O emission from forest soils. Although not a result in this thesis, liming of agricultural drained peat soils could also be an option. 1 Land use effects on nitrous oxide emissions… Sammanfattning Koncentration av växthusgaser i atmosfären har sedan industrialiseringen ökat kraftigt. De viktigaste antropogena växthusgaserna är koldioxid (CO 2 ), metan (CH 4 ) och lustgas (N 2 O). Lustgas är av stor betydelse av två skäl, dels för att det är en potent växthusgas som uppskattas stå för 6,2% av den antropogena växthuseffekten och dels för att det har en avgörande roll vid nedbrytningen av stratosfärisk ozon. Markprocesser är den största källan till atmosfärisk N 2 O, varav jordbruket är den största antropogena källan och står för 65% till 80% av de totala utsläppen. Då markanvändning i hög grad påverkar N 2 O-emissionerna är det viktigt att hitta begränsningsalternativ som kan minska lustgasutsläppen. Särskilt viktigt är det hitta metoder för att minska växthusgasutsläppen från åker och skogsmark på näringsrika dränerade torvjordar då dessa är stora punktkällor av såväl CO 2 som N 2 O. De viktigaste processerna som producerar N 2 O i jord är nitrifikation och denitrifikation. Flera samverkande faktorer såsom som bördighet, grundvattennivå, pH och konkurrens från vegetation påverkar båda processerna och därmed storleken på lustgasemissionerna. Det är således svårt att förutsäga storleken på lustgasemissionerna på grund av komplexiteten av de drivande variablerna. Trots att artiklarna i denna avhandling beskriver mätningar av både metan, koldioxid och lustgas, har jag i sammanställningen av dessa valt att fokusera på att hitta alternativ för att minska N 2 O-utsläppen från dränerade torvjordar, eftersom dessa har en stor inverkan på den nationella växthusgasbudgeten för Sverige. Viktigaste resultaten från mina undersökningar är att spannmål, radsådda grödor, såsom morötter och potatis, samt skog släpper ut mer N 2 O än betesvall på dränerade näringsrika torvjordar. Eftersom det finns många faktorer som styr emissionerna och att markegenskaperna och mätperioderna var olika för mätytorna, kan jag inte dra slutsatsen att detta gäller för alla dränerade torvjordar. pH visade sig vara en drivande variabel för lustgasemissionerna från björkskogen, med ökade lustgasemissioner vid lägre pH. Vidare fann vi att askåterföring till dränerad organogen granskog minskade lustgasemissionerna samtidigt som mark-pH ökade. Baserat på resultaten från undersökningarna i denna avhandling, föreslår jag att en strategi för att minska N 2 O utsläppen från organogen dränerad jordbruksmark skulle vara att undvika spannmål och grönsaker till förmån för permanent ängsmark eller betesmark. Emissionerna från dränerad organogen skogsmark kan minskas med askåterföring. Huruvida kalkning av organogen jordbruksmark kan minska lustgasemissionerna är inte ett resultat av mina undersökningar, men det skulle kunna vara en möjlighet. LIST OF PAPERS This thesis is based on the following papers, which are referred to as Paper I-V in the text