Subsoil nitrogen utilization and N₂O formation in Norwegian grass-clover forage systems

Abstract

Value creation in Norwegian agriculture is primarily based on milk and meat production, which depend in part on perennial grassland-based forage production. Roughly 60% of the fully cultivated land in Norway is used for grass production because the climate and growing conditions limit agronomic options for growing food-quality cereals and vegetables in many parts of the country. In addition, Norway has large areas of land which can be exploited as managed pasture or seasonal rangeland.

Globally, there is much focus on improving Nitrogen Use Efficiency (NUE) of crop production to mitigate the perturbation of the global nitrogen (N) cycle accompanying increased food production, with nitrate runoff leading to eutrophication of waterways, and emission of the climate-forcing gas nitrous oxide (N2O). Perennial grasslands located in cold and northern climates are especially vulnerable to large N losses due to poor winter survival, long dormant periods, and decomposition of frost-killed biomass.

Much of Norway’s cultivable land lies in the hemiboreal climate zone, to which many perennial grassland species are adapted. Perennial ryegrass (Lolium perenne L.), which is grown for its good yield potential but is less winter-hardy, can increase the risk of N losses if it survives poorly. Clovers, which are N-rich and more frostsensitive than grasses, also contribute to N losses, especially to winter-associated N2O production. On the other hand, clovers can increase the NUE of forage swards by partially replacing the need for fertilizer, and via diversity effects with grasses which increase sward yields and protein concentration.

Opportunities for improving NUE lie belowground. The dense mat of roots in the topsoil of grasslands cycles and stores massive amounts of N (and carbon and other nutrients) and is the locus for microbiological N transformations which also form N2O. Some grassland species are capable of sending roots far below the densest root zone and recapturing N which has leached downwards. Diversity effects, not only between clovers and grasses, but also between grass species, greatly influence how a grassland sward utilizes the N throughout the soil profile and throughout the growing season.

Using a stable isotope method with a novel slow-release 15NH4+ label, we studied deep root N uptake in well-established perennial forage swards. We studied five grass and two clover species in pure stands, over two growing seasons and a variety of weather events (Paper I), as well as the diversity effects, or results arising from species interactions, on yields and deep N utilization by two grass-clover mixtures in the second growing season (Paper II).

Tall-growing grass species proved effective at acquiring N from below the densest root zone in the mid- to late growing season, after apparently needing time to reestablish deep root activity in spring (Paper I). The affinity for NH4+, the winter hardiness, and the growth vigor of these species proved to be more important functional traits for deep N acquisition than purported root depth (Paper I). When in mixture, the importance of growth vigor “competitiveness” became even more important, stimulating changes in deep N uptake behavior between species (Paper II). Clovers contributed to higher forage yields wherein grasses had higher N content, and mixtures utilized deep N as well as grass pure stands, thus diversity effects led to the best combination of yields and NUE (Paper II).

In an adjacent field, we monitored N2O formation in grass, clover, and grass-clover swards throughout winter, including prolonged reducing soil conditions under snowpack, and during spring thaw (Paper III). We explored how liming, hypothesized to reduce N2O formation by denitrification, affected N2O emissions under these conditions in situ. Use of a fast-chamber robot allowed us to measure N2O fluxes during thaw events at a high frequency, while we used pre-installed soil air probes and gas chromatography to monitor gas levels in subnivean soil air as indicators for microbiological N-cycling.

Off-season N2O emissions were lowest in grasses, highest in red clover, and moderate in grass-clover mixtures, which emitted less than expected (Paper III). Although liming reduced subsoil N2O accumulation under snowpack in grass-only swards, we think that in clover-containing swards higher pH stimulated nitrification of N released by frost-killed clover biomass to NO3-, in turn stimulating N2O production by nitrification or by providing substrate for denitrification. The apparent diversity effect wherein grass-clover mixtures emitted less N2O than expected was observed in both limed and non-limed plots in autumn. However, this effect was weaker in limed mixtures in the spring, suggesting increased N cycling in the higher-pH soils became more important than decomposition of clover biomass to N2O production as the next growing season began.

This thesis demonstrates synergistic diversity effects of combining clover with grasses, which results in reduced N losses combined with increased protein yields, and possibly reducing the severity of N2O formation due to clovers over winter. NUE and N2O emission in Norwegian forage production can be managed by careful choice of forage species, particularly considering the proportions of clover and appropriate pH management.

Verdiskaping i det Norske landbruket baserer seg hovedsakelig på produksjon av melk og kjøtt, og er delvis avhengig av fôrproduksjon basert på flerårig eng. Cirka 60% av fulldyrket areal i Norge brukes til flerårig grasvekst som er velegnet også i deler av landet hvor klima og vekstforhold begrenser korn- og grønnsaksproduksjon. I tillegg har Norge store områder med areal som kan utnyttes som gjødslet innmarksbeite eller utmarksbeite.

Globalt er det stor fokus på å forbedre nitrogeneffektiviteten (nitrogen use efficiency; NUE) i planteproduksjon for å motvirke forstyrrelsen av den globale nitrogensyklusen som følger med økt matproduksjon. Nitratavrenning fører til eutrofiering av vann og vassdrag, og N bruk i matproduksjon øker utslipp av klimagassen lystgass (N2O). Flerårig eng som finnes i kalde og nordlige områder er spesielt sårbare for nitrogen-tap på grunn av dårlig overvintring, lange perioder uten vekst, og nedbrytning av frostdrept biomasse.

Mye av Norges fulldyrkede areal ligger i klimasonen «hemiboreal», hvor mange flerårige grasarter er tilpasset et kaldt vinterklima gjennom vinterherding. Flerårig raigras (Lolium perenne L.), som dyrkes på grunn av sitt gode avlingspotensial men som er mindre vinterhardt, kan øke sjansen for N tap hvis det overlever dårlig. Kløver, som er N-rik og som tåler frost dårligere enn gras, bidrar særlig til N-tap, spesielt om vinteren i form av lystgass, men på den andres siden kan kløver øke NUE i fôrproduksjonen ved å delvis erstatte tilført gjødselmengden. Sammen med gras bidrar kløver til diversitetseffekter som øker fôravlingene og proteinmengde.

Muligheter for å øke NUE ligger under bakken. Den tette matten av røtter til grasvekster i øvre matjordlaget lagrer og sirkulerer store mengder N (samt karbon og andre næringsstoffer). I dette området omsetter mikroorganismer C og N og danner N2O underveis. Noen arter kan ha røttene langt ned i jorden og fanger opp N som har blitt vasket ned i jordprofilen. Diversitetseffekter, ikke bare mellom kløver og gras, men også mellom ulike grasarter, påvirker i stor grad N-utnyttelsen i hele jordprofilen, og gjennom sesongen.

Vi kombinerte en stabil isotopmetode med en unik langvarig 15NH4+ merking for å undersøke N-opptak av dypgående røtter i veletablerte flerårige eng. Vi undersøkte fem gras- og to kløverarter i monokultur, i to vekstsesonger og gjennom flere ulike værhendelser (Artikkel I). Vi undersøkte diversitetseffekter, eller resultater som oppstår fra interaksjoner mellom plantearter, på avlinger og dyp N-utnyttelse i to blandinger av gras og kløver (kløvergras) i den andre vekstsesongen (Artikkel II).

De høyvoksende grasartene utnyttet N fra dyp jord effektivt fra midten til slutten av vekstsesongen, men trengte tid til å gjenopprette dyp rot aktivitet om våren (Artikkel I). Affinitet for NH4+ opptak, grad av vinterherding og vekststyrke av disse artene viste seg å være viktigere funksjonelle egenskaper for dyp N-utnyttelse enn tidligere antatt rotdybde (Artikkel I). I kløvergras blandinger ble vekststyrke eller konkurranseevne enda viktigere, og stimulerte artene til å endre dyp N-utnyttelse på ulike måter (Artikkel II). Kløveren bidro til økt fôravling og høyere N-innhold i gras. Kløvergras blandinger utnyttet også dyp N like godt som grasmonokultur. Derfor førte diversitetseffekter til den beste kombinasjonen av avling, kvalitet og NUE (Artikkel II).

I et tilgrensede felt undersøkte vi N2O produksjon i gras-, kløver-, og kløvergraseng gjennom en vinter, som inkluderte en periode med langvarig reduserende jordforhold under snødekke, og i løpet av tiningsperioden om våren (Artikkel III). Vi undersøkte hvordan kalking, som er antatt å redusere N2O-dannelse fra denitrifikasjon, påvirket N2O-utslipp under slike forhold in situ. Vi målte N2O-fluks med høy frekvens under fryse-tinehendelser ved bruk av en robot utstyrt med hurtigkamre («fast-box» chambers). Vi brukte forhåndsinstallerte jordluftsonder og gasskromatografi for å undersøke gassnivåer i jordluftet gjennom vinteren, som brukes som indikatorer for mikrobiologisk N-prosesser.

Utslipp av N2O om vinteren var minst i gras, størst i rødkløver, og moderat i kløvergras, hvor utslippet var lavere enn forventet (Artikkel III). Mens kalking reduserte N2O i jordluften under snødekke i rene grasruter, resultatene indikerer at den høyere pH kan ha stimulert nitrifikasjon etter nedbrytning av N-rik biomasse fra frostskadet kløver, og at dette førte til økt N2O-produksjon ved nitrifikasjon eller ved å gi substrat for økt denitrifikasjon. Den tydelige diversitetseffekter der kløvergras ga mindre N2O utslipp enn forventet ble observert både i kalket og ikkekalket vekster om høsten, men effekten var svakere i kalket jord om våren. Det kan betyr at økt N-sirkulering ved høyere pH ble en viktigere kilde for N2O enn nedbrytningen av kløverbiomasse ved start av vekstsesongen.

Denne avhandlingen dokumenterer noen synergiske diversitetseffekter av å blande kløver med gras i grovfôrproduksjon, som resulterer i redusert N-tap kombinert med økt proteinavling, og muligens med en redusert grad av N2O-utslipp utenom vekstsesongen. NUE og N2O-utslipp i norske fôrproduksjon kan påvirkes ved nøye sammensetning av fôrarter, spesielt med tanke på andel kløver i vekst, og hensiktsmessig pH-behandling.