Cpersp – en räknemodell för att ge perspektiv på kolet i marken, mullen.

Göte Bertilsson, juli 2008

Inledning.

Mullen, markens kol, har länge synts viktigt. Mull, själva ordet kommer en att tänka på bördighet. Den senaste tiden kommer en ny aspekt in – den roll markens kol spelar i den globala kolcykeln och sambandet med växthuseffekten.

Vi vet ganska mycket om vad som påverkar markens kol. Stallgödsel och vallar är positiva, överdriven bearbetning är negativ. Åtskilliga fältförsök har omsorgsfullt analyserats och rapporterats. Det finns mycket information i den vetenskapliga litteraturen.

Det är jordbrukaren som har hand om jordbruksmarkens kol. Det är hans ansvar, men ofta tänker han inte på det. De åtgärder han kan använda är en del av hans normala arbete för att driva jordbruket: val av grödor, hantering av skörderester, användning av fånggrödor, tid och metod för jordbearbetning. En nyckelfråga för att få med de långsiktiga aspekterna av mullhushållning är att förse honom med användbart underlag. Det är målet med detta arbete.

Tre viktiga bakgrundskällor för Cpersp (Carbon Perspectives):

1. Diskussioner inom projektet Odling i Balans. Mullhushållning bör vara en aspekt av projektets förbättringsarbete.
2. Det tyska systemet ”Humusbilanzierung” lanserat av jordbruksforskningsorganisationen VDLUFA.
3. Arbetet vid Sveriges Lantbruksuniversitet, särskilt utvecklingen av processmodellen ICBM.

Varför ett ”nytt” system?

Det finns dels flera stora vetenskapligt genomarbetade modeller för bl a markens kolomsättning, det finns också som nämnts enklare processmodeller som ICBM. Men om man ska kunna direkt diskutera med jordbrukare om hur just hans drift kan påverka mullhaltsutvecklingen behövs indata som han har direkt tillgängliga. Han kan ta fram data om skördar och jordbruksåtgärder men kan inte kvantifiera markfuktighet, eller omsättningskonstanter eller ens mängden organiskt material som återgår. Och han arbetar med ett system med flera grödor.

Den tyska ”Humusbilanzierung” kommer långt här, men man summerar bara odlingen som sådan och tar inte hänsyn till marken. När programmet tillämpas på svenska försök leder i många fall ”bra mullbalans enligt Humusbilanzierung” till stadigt sjunkande mullhalter. Kombination med processkonceptet i ICBM ledde till en dynamisk modell som baseras på direkt tillgängliga data från jordbruksdriften, Cpersp. Men det behöver betonas: Cpersp ger perspektiv i en diskussion med jordbrukaren men den ger inte vetenskaplig förutsägelse av framtida mullhalter.

Den grundläggande principen.

Cpersp räknar på balanser av ”stabilt humuskol” precis som Humusbilanzierung. Det betyder att omkring 80% av kolomsättningen i marken ligger utanför beräkningen.

Ett exempel:

Vi har en mark med 2% organiskt kol 3 miljoner kg matjord per hektar. Det betyder 60000 kg stabilt kol per hektar. Om vi antar att 1,5% mineraliseras årligen har vi en årlig förlust av 900 kg kol.

Men vi har också tillskott. Vi antar en spannmålsodling med en skörd av 5000 kg per hektar. Halmen plöjes ner och i tillägg har vi stubb, rötter och rotzonsdeposition på tillsammans 7500 kg organiskt material. Med en kolhalt på 40% betyder det 3000 kg kol. Men det omsätts i marken och bara 20% blir kvar som stabilt humuskol, alltså 600 kg.

Eftersom 900 kg kol försvann som mineralisering blir det en nettoförlust av 300 kg kol. Mullhalten kommer att sjunka, men då kommer också mineraliseringen att minska. Till slut nås ett jämviktsvärde vid 1,3% organiskt kol flera decennier framöver.

Beräkningsprogrammet beskrives både med siffror och diagram. Eftersom målet med arbetet är att ge perspektiv på jordbruksdriften bör tidsramen inte överstiga 30 år.

Kvantifiering av faktorer.

Bildning av stabilt humuskol.

Där finns sammanfallande resultat från långsiktigt arbete i Sverige (Persson) och den tyska Humusbilanzierung: ungefär 20% av kolet i växtmaterial och 30% från stallgödsel kommer att bilda stabilt humuskol. Det kan dock noteras att ett lägre värde, 12%, rapporteras för majsskörderester i USA (Puget et al).

Tillförsel till marken av organiskt material från grödor.

De flesta mätningar i försök ger lägre värden än de ”1,5 gånger spannmålsskörden” som Cpersp landade i. Men mer kompletta mätningar av kolomsättning som inkluderar rotzonen ger stöd åt detta högre värde (Johnson et al 2006). Franko (1997) har angett skörderelaterade siffror för kolinput från grödor. Hans värden är något lägre än de som preliminärt används i Cpersp men stöder ändå användningen av ett ganska högt värde. Om Frankos värden används i Cpersp förklaras inte resultaten av halmförsök.

Kolinnehåll i organisk substans: siffran 40% används.

Markvila.

Det ”normala” värdet för mineralisering gäller för höstplöjd och bearbetad mark. När marken störs befordras mineralisering. Om vi har vallar eller övervintrande fånggrödor får marken vara i fred och kolförlusten minskar. På något sätt måste detta tas hänsyn till i en beräkningsmodell för försenad bearbetning och fånggrödor är viktiga praktiska åtgärder i dagens jordbruk. Därför introduceades begreppen ”markvila” och ”vilomånad”. Det antas att mineraliseringen normalt pågår 9 månader om året under våra förhållanden. En övervintrande vall eller fånggröda antas ge 6 vilomånader vilket reducerar mineraliseringen med 6/9, alltså till en tredjedel.

Reducerad bearbetning eller plogfri odling.

Ett flertal rapporter visar att reducerad bearbetning sparar kol i marken, men de senaste åren har mer fullständiga analyser gett vissa tvivel om totaleffekten. Klart är att det är positivt för mullhalten i ytlagret och det kan vara viktigt nog. Cpersp ger en möjlighet att inkludera bearbetningsdjupet i beräkningarna, men denna möjlighet bör användas med stor försiktighet.

Mineraliseringen.

Nedbrytningen av humuskol är självklart mer komplex än som kan beskrivas med en enkel enstegsberäkning som i Cpersp. Olika fraktioner av markens kol har olika nedbrytningshastighet och nedbrytningen kan påverkas av faktorer som inte kan tas hänsyn till i Cpersp. Cpersp är inte avsedd för långsiktiga beräkningar. För det får man använda vetenskapliga modeller. Mineraliseringen antas vara 1-2% per år (Persson 2003) men det verkliga värdet på en specifik plats är okänt. När man använder Cpersp kan olika mineraliseringsvärden mellan 1 och 2% användas för att rama in perspektivet.

Kalibrering och validering.

Det säkraste värdet av de som nämnt ovan är bildningen av stabilt humuskol, 20% av input. De övriga har successivt utvecklats och testats mot resultaten i långvariga försök. Det ska observeras att dessa parametrar (tillskott av organiskt material, vilomånader) till stor del hänger ihop med varandra och det hela ska ses som ett paket inom systemet. Om tillskottet av organiskt material skulle vara överskattat kan det kompenseras av att vilomånaders effekt underskattas eller att mineraliseringsprocenten blir överskattad. Två sätt har använts för att reducera detta problem:

1. Oberoende forskningsdata har använts så mycket som möjligt.
2. Ett brett spektrum av försök med olika behandlingar och grödor har använts vid utvecklingen.

En bas för det första steget av kalibreringen var data över grödvisa effekter från Humusbilanzierung. Den övrig experimentella basen är främst skandinavisk.

Också långvariga försök från övriga Europa och USA har använts men den bakgrunden presenteras inte här. Cpersp ger resultat som väl kan beskriva utvecklingen i de minst extrema behandlingarna i mycket långvariga försök (utom platser där erosionen är stor) men mycket gamla försök har nackdelar för validering av Cpersp:

1. Utgångsvärdet för 100 –150 år sedan är inte känt och skördar och total input av organiskt material (inklusive skörderester, ogräsväxt etc) är i högsta grad osäkert.
2. Utarmningen av humuskol kan ha gått så långt att mineraliseringen avsevärt har påverkats.

Cpersp är tänkt som ett verktyg för dagens jordbruk, med jordar i full produktion och i viss jämvikt. När man prövar och vidareutvecklar Cpersp bör försöksbasen inte avvika för mycket från denna målgrupp. Men det ligger ett problem och en motsättning i att kvantifiering av trender i mullhalt kräver flera decennier.

Figur 1.

Exempel på diagram från Cpersp.

Prickar: jordanalyser. Linjer: Cpersp beräkning.

För kalibrering/validering används normalt två försöksled i samma försök, vilket betyder att det förutsätts att behandlingarna inte påverkar mineraliseringen. För att få ett mått på mineraliseringssiffran har gjorts på följande sätt: för de faktiska jordanalyser som finns beräknas en logaritmisk regression över tiden och mineraliseringssiffran anpassas så att bästa överensstämmelse mellan beräkning och analyser erhålles för 30 år. Alla andra parametrar är enligt riktlinjerna i Cpersp. På detta sätt har mineraliseringsvärdena i följande lista erhållits.

Tabell 1.

Experimentell bas för kalibrering/validering. ”Mineralisering” är värdet som i Cpersp ger bäst anpassning till den experimentella bakgrunden. Summa avvikelser från de två regressionslinjerna vid 30 år är alltid <0,3% C, oftast <0,1%. Normala riktlinjer för tillskott av organiskt material och markvila har följts.

Källor till variation och fel.

Jordens volymvikt, matjordens djup och provtagningsdjupet påverkar värdena.

Tillskott av organiskt material från grödor beror av arter och sorter. Svårt att specificera i detalj.

Tillskott från ogräs etc är oftast inte specificerad.

Tillskott eller förluster genom erosion stör bilden.

Variationer i plöjningsdjup ger ostabila värden på halten organiskt kol.

Jordprovtagning och analys ger ofta rätt stora variationer trots att en liten parcell har provtagits. Särskilt när få analyser är tillgängliga blir det en stor slumpeffekt i regressionen,

Men trots allt blir bilden ganska klar. Det går att förklara alla försök med en mineralisering på mellan 0,9 och 2% mineralisering.

Mineralisering.

Alla värden hamnar i intervallet 0,9 – 2%. Av 29 platser är fem under 1,1 och en över 1,8. Ett område 1,5 +-0,3 täcker mer än 80% av fallen.

I listan finns fyra försök med långsiktig svart träda. De är av speciellt intresse eftersom beräkningen då inte påverkas av tillskott från grödor eller vilomånader. Deras mineraliseringsvärden blir 1,0, 1,2, 1,3 respektive 1,5%.

Det går inte att hitta någon systematisk påverkan av mullhalt, lerhalt eller geografisk belägenhet.

Arbete med Cpersp.

Två exempel.

1. Spannmål 3 år, sockerbetor 1 år. Högproducerande lerjord, 7-9 ton spannmål, 55 betor. Ganska låg mullhalt, 1,7% organiskt kol. All halm plöjs ned. Vi börjar med en antagen mineralisering av 1,5%.

På grund av den höga produktionen blir det mycket skörderester och kolbalansen blir nästan jämn och läget stabilt. Men efterfrågan på halm för bioenergi ökar.

Om halmen först bort blir kolbalansen minus 215 kg kol per år. Det är ogynnsamt på denna mark (under 2% kol och högproducerande) och en negativ trend i bördighet introduceras.

En motverkande åtgärd: en fånggröda rajgräs insättes före en vårsädesgröda, den får övervintra så jorden får var ostörd. Detta nästan återställer kolbalansen .

Hur blir då läget om mineraliseringen skulle vara 1,8%? Då har vi en negativ balans från början. Att ta bort halmen gör läget mera kritiskt och bör begränsas till 1 – 2 år i växtföljden. Om mineraliseringen skulle vara 1,2% har vi en positiv kolbalans från början men om halmen förs bort blir den negativ.

För att summera: halm kan föras bort men man får kompensera med fånggröda och senarelagd bearbetning.

2. Sockerbetor, korn. potatis, ärter, råg. Sandjord. 5 ton råg, 50 betor och potatis. Hög halt organiskt kol, 3.9%. Halm plöjes ned, 3 fånggrödor används.

Kolbalansen blir minus 650 kg kol. Observera den höga siffran. Detta är ett försök och analyser verifierar trenden. Den höga kolförlusten utgör inget problem för jordbruksdriften på flera decennier men den kan noteras i ljuset av dagens klimatdiskussion.

Vad kan göras? En möjlighet: sluta med sockerbetor, ersätt rågen med vårsäd och sätt in en fånggröda till. Då blir kolbalansen minus 65, inte långt ifrån jämvikt. Och kostnaden? Det blir faktiskt en vinst på 1000 kr per hektar och år med de priser som gällde hösten 2007.

Varför bekymra sig om markens mull?

(Detta behandlas i ”Mullen i marken” och utelämnas här)

Några allmänna kommentarer och observationer.

Höga skördar är positiva för mullhalten. Det betyder att kvävegödsling är positiv så länge den ökar skörden.

Höga mullhalter (över 3% C) fordrar speciella åtgärder för att bibehållas. Å andra sidan kan de få sjunka för jordbruksdriftens skull, men så finns klimataspekten.

Beräkningarna ger en viss osäkerhet vad gäller absoluta nivåer för markens kol. Men det finns mycket större säkerhet när man jämför en åtgärd med en annan. Konsekvenser av olika åtgärder kan bedömas med större säkerhet.

Markens kolhalt ändras långsamt. Ändå behöver den tas hänsyn till.