Whole-farm modelling of greenhouse gas emissions from suckler cow beef production

Abstract

The main objective of this thesis was to develop a whole-farm model adapted to the various production systems and natural resources in Norway, estimate the level and variation in greenhouse gas (GHG) emission intensities among Norwegian sucker cow herds, and investigate the effect of various mitigation options among Norwegian farms. Data from the Norwegian Beef Cattle Recording System and Account Results in Agriculture and Forestry were used for estimating emission intensities from average farms and for investigating GHG emission mitigation strategies. In addition, the data for estimating variability in GHG emission intensities were provided by the ongoing project "Optibeef – Increased meat production from beef cattle herds" (2014 -2019; Grant 233683/E50, Agriculture and Food Industry Research Funds), and consisted of comprehensive information about farm structure, herd management, animal production, and economics in Norwegian suckler cow farms. The aim of paper I was 1) to develop a whole farm GHG model, including soil carbon (C) balance, adapted to the various production systems and natural resources in Norway, and 2) to use the model for estimating emission intensities from typical herds of sucker cow beef in two geographically distinct regions in Norway. HolosNorBeef is a deterministic model which considers direct emissions of methane (CH4) from enteric fermentation and manure, nitrous oxide (N2O) and carbon dioxide (CO2) from on-farm beef production, and indirect N2O and CO2 emissions associated with run-off, nitrate leaching, ammonia volatilization, and inputs (e.g. diesel fuel) used on the farm. Herds of British and Continental breeds were considered in the flatlands and mountains. The flatlands were located at a low altitude in an area suitable for grain production, and mountains were located at a high altitude in a mountainous area not suitable for grain production. The emission intensities were 29.5 and 32.0 kg CO2 equivalents (eq) (kg carcass)-1 for British breeds, and 27.5 and 29.6 CO2 eq (kg carcass)-1 for Continental breeds for flatlands and mountains, respectively. Enteric methane (CH4) was the largest source accounting for 44-48% of total GHG emissions and carbon (C) sequestration reduced the emissions by 3% on average. When excluding soil C balance, the difference between locations decreased in terms of GHG emission intensity, indicating that the inclusion of soil C change is important when estimating emission intensities. Variability in GHG emission intensity across Norwegian suckler cow herds was investigated in paper II. Emission intensities from 27 beef farms of Angus, Hereford, and Charolais breeds was estimated using the whole-farm model HolosNorBeef developed in paper I. The farms were distributed across Norway with varying climate and natural resource base, giving different feed resources and management practices. The emission intensities ranged from 20.9 to 44.2 CO2 eq (kg carcass)-1. Enteric CH4 was the largest source, accounting for 50% of the emissions across breeds and location. The largest source of variation was soil C, which accounted for 6% of the total emissions on average. Ignoring soil C balance led to re-ranking of the farms in terms of GHG emission intensities and reduced the differences in GHG emissions among farms, with a range in emission intensities of 20.5 to 30.3 CO2 eq (kg carcass)-1. The estimation of soil C balance is sensitive to initial SOC content, which may indicate that further improvements and calibration of the model for estimating soil C balance in permanent grasslands are necessary. Paper III investigated several mitigation strategies such as suckler cow efficiency (i.e. calf mortality rate and number of calves per cow per year), young bull beef production efficiency (i.e. age and weight at slaughter ), a combination of suckler cow efficiency and young bull beef production efficiency and the effect of the inhibitor 3-nitrooxypropanol (3-NOP), which provides a chemical inhibition of the methanogenesis (i.e. CH4 production). Herd size and structure (number of suckler cows constant and replacement heifers) were kept constant across scenarios, whereas the ley area and corresponding silage additives, N-fertilizer, and fuel varied across scenarios based on feed requirements. Improved suckler cow efficiency reduced the emission intensities by 3% on average. Continental breeds had a higher potential for reducing emission intensities from improved carcass production (-6.6%) compared with British breeds (-2.0%). Combining mitigation options in a best-case scenario reduced total emissions by 12% across breeds. At high supplementation rate, the inhibitor 3-NOP offset more than half the increase in emission intensities from low production and reduced the emission intensities 8.3% in the best case scenario.

Hovedformålet med dette doktorgradsarbeidet var å utvikle en gårdsmodell for estimering av klimagassutslipp tilpasset de varierende produksjonssystemene og ressursgrunnlaget i Norge, estimere nivå og variasjon i klimagassutslipp fra norske ammekubesetninger, samt undersøke ulike tiltak for å redusere klimagassutslipp. Data fra Storfekjøttkontrollen og Driftsgranskningene i jordbruket ble benyttet både ved beregning av klimagassutslipp fra gjennomsnittsbesetninger og for å undersøke effekten av ulike reduksjonsstrategier. Datagrunnlaget for beregning av variasjon i klimagassutslipp var tilgjengelig gjennom det pågående prosjektet «Økt storfekjøttproduksjon fra ammekubesetninger» (Optibiff 2014-2019; Finansiert av Forskningsmidlene for jordbruk og matindustri), og bestod av omfattende informasjon om gårdsstuktur, management, produksjonsresultater og økonomi. Hensikten med første artikkel var å 1) utvikle en gårdsmodell for beregning av klimagassutslipp, inkludert karbonbalanse i jord, tilpasset til de varierende produksjonssystemene og ressursgrunnlaget i Norge og 2) bruke modellen for å estimere klimagassutslipp fra gjennomsnittlige kjøttfebesetninger i to geografisk ulike regioner i Norge. HolosNorBeef er en deterministisk modell som inkluderer direkte utslipp av metan (CH4) fra vomgjæring og gjødsel, lystgass (N2O) og karbondioksid (CO2) fra produksjon av storfekjøtt, samt indirekte N2O og CO2 utslipp forbundet med avrenning, fordampning og innkjøpt energi (eks. diesel). Besetninger med britiske og kontinentale raser ble undersøkt i lavlandet og høylandet. Lavlandet var lokalisert ved lav høyde i et område egnet for kornproduksjon, mens høylandet var lokalisert i ett fjellområde uegnet for kornproduksjon. Utslippsintensitetene var 29.5 og 32.0 kg CO2 ekvivalenter (ekv) (kg slakt)-1 for britiske raser, og 27.5 og 29.6 CO2 ekv (kg slakt)-1 for kontinentale raser. Enterisk CH4 var den største utslippskilden og stod for 44-48 % av totalutslippet. Karbonlagring reduserte utslippene gjennomsnittlig 3 %. Ved å ekskludere karbonbalansen i jord ble forskjellen i utslippsintensitet mellom lokalitetene redusert, noe som indikerer at inkludering av jordkarbon er viktig når man estimerer klimagassutslipp på gårdsnivå. Variasjon i klimagassutslipp fra norske ammekubesetninger ble undersøkt i artikkel II. Utslippsintensitet fra 27 ammekubesetninger med Angus, Hereford og Charolais ble estimert med gårdsmodellen HolosNorBeef. Gårdene var fordelt over hele Norge med varierende klima og ressursgrunnlag, noe som ga ulike fôrressurser og driftsmetoder. Utslippsintensitetene varierte fra 20.9 til 44.2 CO2 ekv (kg slakt)-1. Enterisk CH4 var den største utslippskilden og stod i snitt for 50 % av totalutslippene. Jordkarbon stod i snitt for 6 % av totalutslippene og var den største kilden til variasjon. Ekskludering av jordkarbon reduserte variasjonen i klimagassutslipp og ga en omrangering av gårder. Uten jordkarbon varierte utslippsintensitetene fra 20.5 til 30.3 CO2 ekv (kg slakt)-1. Estimering av karbonbalansen i jord er følsom for det eksisterende karboninnholdet i jorda, noe som kan indikere at videreutvikling og kalibrering av jordkarbonmodellen for permanent grasmark og utmarksbeiter er nødvendig. Artikkel III undersøkte effekten av ulike tiltak for å redusere klimagassutslipp på gårdsnivå. Reduksjonsstrategiene inkluderte ammekueffektivitet (dvs. redusert kalvetap og økt antall produserte kalver per ku), ungokseeffektivitet (dvs. alder ved slakt og slaktevekt), en kombinasjon av ammekueffektivitet og ungokseeffektivitet, samt effekten av et fôrtilsetningsstoff (3-nitrooxypropanol; 3-NOP) som hemmer metanogenesen (CH4 produksjon). Besetningsstørrelsen og besetningsstrukturen (antall ammekyr og rekrutteringskviger) ble holdt konstant på tvers av scenarioer, mens engareal, ensileringsmiddel, N-gjødsel og diesel varierte på tvers av scenarioer avhengig av fôrbehov. Forbedret ammekueffektivitet reduserte utslippsintensiteten gjennomsnittlig 3 %. Kontinentale raser hadde høyere potensiale for å redusere utslippsintensiteten fra forbedret slakteproduksjon (-6.6 %) sammenliknet med britiske raser (-2.0 %). Et «beste fall»-scenario basert på kombinasjon av ulike tiltak reduserte totalutslippene 12 % på tvers av rase. Ved høy tilsetning kan 3-NOP kompensere for mer enn halvparten av økningen i utslippsitensitet fra lav produksjon, samt redusere utslippsintensiteten 8.3 % i «beste fall»-scenarioet.