Mitigation of greenhouse gas emissions by pH management of agricultural soils in Norway

Abstract

Liming has been and still is used to neutralize soil acidity, improve soil nutrient availability, increase yields, and recently it has been recognized as a possible nitrous oxide (N2O) mitigation tool for arable soils. However, studies investigating the pH effect on N2O emissions have been predominantly laboratory studies. It has been well-known that increased pH reduces the N2O/N2 product ratio of denitrification. On the other hand, the increase in pH also may lead to a trade-off by stimulating N2O emissions stemming from increased NH3 availability and increased abundance of ammonia-oxidizing bacteria (AOB) relative to ammonia-oxidizing archaea (AOA). Also, the application of traditional calcareous minerals for liming may lead to an increase in carbon dioxide (CO2) emissions. This thesis combines a 2.5-year field N2O measurement campaign after bulk liming (30 t ha-1), a 4-month long N2O measurement campaign after maintenance liming (1.7-5 t ha-1), and a two-week CO2 measurement campaign after maintenance liming from clay-loam grassland in south-east Norway. In addition, nitrification increased N2O emissions have been investigated under laboratory conditions. The field treatments included a control (not limed), calcareous lime, consisting of calcite and dolomite, and siliceous minerals, consisting of larvikite, norite, and olivine. The siliceous materials used were by-products of the mining industry and represent possible carbonate-free liming alternative. In the field study, major emission peaks over the course of 5 years occurred after fertilization and rainfall and during freezing and thawing events. Calcareous minerals were successful at raising soil pH, but siliceous minerals were not. The pH effect-linear relationship between high pH and low N2O emissions (p<0.05) was only visible in an associated 2017 pot experiment under semi-field conditions. None of the liming treatments had an effect on yields. The laboratory study shows that liming almost doubled the net nitrification rates, 5 years after bulk liming, and thus possibly explains the increase in field N2O emissions. Increased nitrification rates were successfully inhibited with a minimum dose of 3.4 dimethylpyrazole phosphate (DMPP). After maintenance liming, all treatments had a decrease in N2O emissions and an increase in CO2 emissions relative to control. By comparing cumulative CO2 and N2O emissions relative to control for the period of two weeks after maintenance liming, it was concluded that the decrease in N2O emissions were not large enough to off-set the increase in CO2 emissions. This thesis shows that the overall liming or “pH effect” on N2O emissions under field conditions may be obscured by the sudden increase in microbial activity and fast nutrient turnover rates leading to high N2O emissions. Liming of grasslands in Norway is not recommended as a management option to mitigate soil greenhouse gas emissions due to increase in CO2 emissions, which were not off-set by the decrease in N2O emissions.

Kalking har blitt, og blir fortsatt brukt, for å nøytralisere pH i jord, forbedre jordens næringsevne, øke avlingene, og nylig har det blitt anerkjent som et mulig nitrogenoksid (N2O)-reduserende tiltak på dyrket jord. Tidligere studier som undersøker pH-effekten på N2O-utslipp, har imidlertid hovedsakelig vært laboratoriestudier. Det har vært velkjent at økt pH reduserer N2O/N2-forholdet av denitrifikasjon, men økningen i pH kan også føre til å stimulere N2O-utslipp fra økt NH3-tilgjengelighet, og økt overflod av ammoniakkoksiderende bakterier (AOB) over ammoniakkoksiderende archaea (AOA). I tillegg, bruk av tradisjonelle kalkholdige mineraler kan føre til økte karbondioksid (CO2)-utslipp. Denne oppgaven kombinerer en studie av en 2.5-årig felt-N2O-overvåkingskampanje etter bulkkalking (30 t ha-1), 4-måneders lang N2O-overvåkingskampanje etter vedlikeholds kalking (1.7-5 t ha-1), og to ukers CO2-overvåkingskampanje etter vedlikeholdskalking fra mellomleire eng i Sørøst-Norge. I tillegg har nitrifikasjon økte N2O-utslipp blitt undersøkt under laboratorieforhold. Felt behandlingene var kontroll (ikke kalket), kalkholdig kalk og dolomitt og silikat mineraler – larvikitt, noritt og olivin, som var biprodukter fra gruveindustrien, som et mulig alternativ til kalkholdige mineraler, siden de ikke inneholder karbonater. I feltstudien oppsto store utslippstopper i løpet av 5 år etter gjødsling, og nedbør, frysing og tining. Kalkholdige mineraler bidro til å øke jordens pH, men silikatmineraler gjorde det ikke. pH-effektlineært forhold mellom høy pH og lavt N2O-utslipp (p<0.05) var kun synlig i et assosiert 2017 potteeksperiment under semi-feltforhold. Det var ingen effekt av kalking på avling. Laboratoriestudien viser at kalking nesten doblet nitrifikasjonsratene, 5 år etter bulkkalking, og forklarer dermed muligens økningen i felt N2O-utslipp. Økte nitrifikasjonshastigheter ble hemmet av en minimumsdose på 3.4 dimetylpyrazolfosfat (DMPP). Etter vedlikeholdskalking hadde alle behandlinger en nedgang i N2O-utslipp og en økning i CO2-utslipp i forhold til kontroll. Nedgangen i N2O-utslipp for alle behandlinger var ikke stor nok til å oppveie økningen i CO2-utslipp. Dette var beregnet ved sammenligne kumulative CO2- og N2O-utslipp i forhold til kontroll for perioden av to uker etter vedlikeholdskalking. Denne studien viser at total kalking eller "pH-effekt" på N2O-utslipp under feltforhold kan skjules av den plutselige økningen i mikrobiell aktivitet, og raske næringsomsetningshastigheter som fører til høye N2O-utslipp. Enger i Norge bør ikke kalkes som metode for å redusere klimagassutslipp fra jord på grunn av økt CO2-utslipp, som ble ikke oppveid av nedgangen i N2O-utslipp.