Nitrous oxide emission and turnover in arable cropping in South East Norway

Abstract

Nitrogen is essential for all life on Earth. With an increasing global population, the use of reactive nitrogen has increased over the last century, resulting in increasing nitrogen pollution. Leaching of nitrate (NO3-) causing eutrophication has long been addressed, but it is only over the last three decades that problems with nitrous oxide (N2O) have come into focus. N2O is the third most abundant anthropogenic greenhouse gas (GHG), and atmospheric mixing ratios have increased from about 270 ppm in preindustrial times to 329 ppm in 2018. Nitrous oxide has a global warming potential almost 300 times higher than that of carbon dioxide (CO2) in a 100-year perspective. It is also the dominant ozone depleting substance in the stratosphere. Globally, 6-8% of the anthropogenic greenhouse gas effect can be attributed to N2O, of which 60% originates from crop production. Reducing N2O emissions from crop production would thus be a major contribution to stabilizing atmospheric mixing ratios and reducing the GHG footprint of agro-food systems. N2O is formed in naturally occurring microbial processes in soils, where nitrification (the microbial oxidation of NH4+ to NO3-) and denitrification (the microbial reduction of NO3- to N2) are the quantitatively most important processes. Since N2O formation is inevitable in these processes, it is of key importance to understand how external factors control the relative share of N2O emitted in these processes. This is particularly important for denitrification, as it is the only known process that consumes N2O by reducing it to harmless dinitrogen (N2).

The research work of this thesis addressed knowledge gaps concerning the understanding and potential mitigation of N2O emissions in Norwegian crop production with the specified objectives: i) Does the well-known negative relationship between soil pH and the N2O product ratio of denitrification affect N2O emissions on the field level, where pH differences are relatively small? ii) Does split application of N to spring wheat instead of one-time fertilization at sowing reduce N2O emissions relative to crop yield? iii) What controls the buildup of N2O in the soil during winter, and does the fertilization rate from previous cropping affect winter emissions? iv) Do differences in arable cropping systems affect the soil’s potential to nitrify and denitrify and to produce and consume N2O? All field trials were performed at the NIBIO Apelsvoll research station, located in South-East Norway. Soils used for incubation experiments were also sampled there. The incubation experiments were carried out at NMBU.

Average N2O emissions correlated negatively with pH in the field, when conditions favored denitrification, giving field-evidence that even small pH differences in the soil affect N2O emissions during off season. Addressing the pH dependency of N2O in denitrification by optimizing soil pH management can thus be an effective way to mitigate N2O emissions from arable cropping. Nitrogen fertilization given as split application to spring wheat increased yield and yield quality substantially relative to one-time fertilization at sowing, without affecting yield scaled N2O emissions, thus indicating that optimized N application according to crop demand could be another strategy to reduce N2O emissions in arable crop production. Field measurements confirmed that off-season emissions are quantitatively important in Norway. Fertilization from previous cereal cropping did not affect winter emissions in a oneyear field trial, but a considerable buildup of N2O in the soil during winter was observed. This buildup seemed to be driven by subnivean mineralization (i.e. N-release) of crop residues and/or soil organic matter in unfrozen soil under continuous snow pack. In addition to release of accumulated N2O during spring thaw, de novo production of N2O in thawing topsoil was found to be another important N2O source. These processes are difficult to control, and the focus here must be to ensure conditions enabling complete denitrification, i.e. reduction of N2O to N2, a process closely correlated with pH, to lower the N2O ratio. Long-term differences in arable cropping strategies affected the soil’s potential to nitrify and denitrify and to produce and consume N2O. Repeated application of organic matter as manure or crop residues and inclusion of catch crops or leys in the crop rotation all increased microbial activity in the soil, resulting in higher N2O production potentials by denitrification, but not so much by nitrification. High nitrification potential and rapid conversion of mineralizationreleased NH4+ to NO3- in mixed systems with inclusion of grass-clover ley seem to result in a large N2O emission potential.

As the rate of N2O emitted from denitrification clearly is higher than that from nitrification (per unit N converted), the main focus should be to minimize denitrification in agricultural soil. If N2O first is formed, it is essential to reduce as much as possible to N2 to minimize the emissions of N2O to the atmosphere.

Nitrogen er essensielt for alt liv på jorda. Bruken av reaktivt nitrogen har økt med den økende globale befolkningen, særlig de siste hundre årene. Dette har ført til en større nitrogenbasert forurensing. Avrenning av nitrat (NO3-), som blant annet fører til eutrofiering, har fått stor oppmerksomhet i lang tid, men det er først i de siste tre tiårene at problemene med lystgass (N2O) har kommet i fokus. N2O er den tredje viktigste klimagassen, og konsentrasjonen av N2O i atmosfæren har økt fra ca. 270 ppm i førindustriell tid til 329 ppm i 2018. Lystgass har et globalt oppvarmingspotensial omlag 300 ganger høyere enn karbondioksid (CO2) sett i et hundreårsperspektiv. N2O er også hovedårsaken til nedbrytning av ozon i stratosfæren. Globalt kan 6-8% av den antropogene drivhusgasseffekten tilskrives N2O, og av dette kommer 60% fra planteproduksjon i jordbruket. En reduksjon av N2O utslippet fra jordbruket kan derfor være et viktig tiltak for å stabilisere N2O andelen i atmosfæren, og ikke minst for å redusere klimagassavtrykket fra matproduksjonen.

N2O dannes gjennom mikrobielle prosesser i jord. Nitrifikasjon (mikrobiell oksidasjon av NH4+ til NO3-) og denitrifikasjon (mikrobiell reduksjon av NO3- til N2), regnes som de viktigste prosessene som forårsaker økte N2O-utslipp. Det er derfor viktig å forstå hvordan eksterne faktorer kontrollerer andelen av N2O som slippes ut i atmosfæren ved omdannelsen av nitrogen gjennom nitrifikasjon og denitrifikasjon. Særlig gjelder dette for denitrifikasjon, som er den eneste kjente prosessen som kan omdanne N2O til harmløst di-nitrogen (N2).

Arbeidet i denne avhandlingen er ment å øke forståelsen av prosessene som leder fram til N2O-utslipp fra jordbruket i Norge, og hvordan disse utslippene potensielt kan reduseres. Følgende hovedspørsmål adresseres: i) Påvirker den velkjente negative sammenhengen mellom pH og andelen N2O fra denitrifikasjon også N2O-utlippi felt når pH varierer relativt lite? ii) Kan delgjødsling av N til vårhvete som et alternativ til å gi all gjødsla om våren ved såing redusere avlingsrelaterte N2O-utslipp? iii) Hva kontrollerer økte N2O-konsentrasjoner i jorda under snødekke, og er utslippene påvirket av N-gjødslingsmengdene gitt i vekstsesongen? iv) Blir jordas potensiale for nitrifikasjon og denitrifikasjon påvirket av ulike dyrkingssystem? For å besvare disse spørsmålene ble det gjennomført både feltforsøk og inkubasjonsstudier i laboratorium. Alle feltforsøk ble gjennomført ved NIBIO Apelsvoll forskningsstasjon på Østlandet, der også jordprøver til inkubasjonsstudiene ble tatt. Inkubasjonsstudiene ble gjennomført ved NMBU.

Utslippene av N2O korrelerte negativt med pH målt i felt i perioder der forholdene favoriserte denitrifikasjon. Dette beviser at sammenhengen mellom pH og N2O-utslipp også gjelder for vanlig jordbruksjord, særlig utenfor vekstsesongen, selv ved liten variasjon i pH. Optimalisering av jordas pH kan derfor være en effektiv måte å redusere N2O-utslipp fra jordbruket. Delgjødsling med nitrogen i vårhvete ga betydelig høyere avlinger og bedre avlingskvalitet enn ledd som ikke ble gjødslet eller som bare ble gjødslet ved såing (mindre totalmengde N enn ved delgjødsling), men det var ingen forskjell i avlingsrelaterte N2Outslipp mellom ulike mengder N tilført ved delgjødsling. Dette viser at en optimal gjødsling kan bedre kvaliteten uten økte utslipp av N2O. Målinger i felt viste at N2O-utslipp utenfor vekstsesongen er av stor betydning i Norge. Mengden N-gjødsel gitt i veksesongen i et ettårig feltforsøk påvirket ikke utslippene av N2O gjennom vinteren, men det ble observert en betydelig økning i N2O-konsentrasjonen i det øvre jordlaget under snødekke gjennom vinteren. Denne økningen hadde trolig opphav i mineralisering (frigjøring av N) fra planterester og/eller annet organisk materiale i det øvre jordlaget under et snødekke som virket isolerende på det øvre jordlaget og forhindret frost i jorda. Ved snøsmelting ble N2O som var blitt akkumulert i jorda gjennom vinteren frigjort, men i tillegg ble en betydelig andel N2O dessuten dannet i forbindelse med tining/snøsmelting. Dette er prosesser som er vanskelig å kontrollere. For å minimere utslippene er det viktig å sørge for at forholdene for fullstendig denitrifikasjon (reduksjon av N2O til N2) er til stede. Denne prosessen er korrelert med pH, og optimalisering av pH kan også redusere andelen av N2O som slippes ut i perioden omkring snøsmelting. Forsøkene viste også at langtidseffektene av ulike dyrkingssystemer påvirket jordas potensielle nitrifikasjon og denitrifikasjon, samt produksjon og konsumering av N2O. Gjentatt tilførsel av organisk materiale som husdyrgjødsel eller planterester og bruk av fangvekster eller eng i omløpet økte den mikrobielle aktiviteten i jorda. Dette førte til økt potensiell N2O-produksjon fra denitrifikasjon, men påvirket ikke potensiell nitrifikasjon tilsvarende. I systemene med kløverrik eng ble det observert høyere nitrifikasjonspotensial, og rask omdanning av mineralisert NH4+ til NO3- i disse systemene kan føre til økte utslipp av N2O.

Denitrifikasjon bidrar med en betydelig høyere andel av N2O-utslippene enn nitrifikasjon. Hovedfokuset for jordbruket bør derfor være å minimere denitrifikasjonen, men der N2O først har blitt dannet i jorda, er det viktig å sørge for en så effektiv reduksjon av N2O til N2 som mulig, for å minimere N2O utslippene til atmosfæren.