Den här historien kommer till oss från USDA ARS:s Ag Research Journal, författad av Ann Perry. Det är intressant av flera anledningar. För det första ifrågasätter det saker vi trodde att vi visste om markens kol och var det fanns i markprofilen. Det representerar också en sorts vetenskap som är svår att göra. Du behöver specialutrustning och provtagningstekniker som går utöver det vanliga "skicka ut en student på fältet med en spade och en hink" och som inte kan finansieras av ett mer typiskt billigt stipendium. Slutligen, att förstå var kol lagras och hur vi kan förbättra den processen innebär att bönder och ranchägare kan vara superhjältar när det gäller att kyla planeten. Eftersom vart och ett av de senaste 3 åren har utsetts till de hetaste på rekord, kan detta vara en stor grej! Gå, superhjältar!
I åratal trodde många agronomer att betydande nivåer av markkol endast ackumulerades nära markytan. Så när fyra forskare från Agricultural Research Service lämnade in ett forskningsdokument som hävdade att stora mängder markkol fanns kvar så djupt som 5 fot i markprofilen – och av såväl årliga som fleråriga grödor – hade de vissa problem att få igenom sin uppsats genom granskningsprocessen .
Studien var ett 9-årigt projekt som utvärderade effekterna av kvävegödselmedel och skördebehandlingar på markens organiskt kolbindning i odlingsgräs och majsgrödor som hanteras för bioråvara.
"Bindning av organiskt kol i marken har en stor inverkan på den långsiktiga hållbarheten för produktion av bioenergigrödor eftersom det avsevärt kan påverka markens bördighet och utsläpp av växthusgaser", säger ARS-genetikern Ken Vogel (pensionerad). "Så det är viktigt att använda exakta lagringshastigheter för att utveckla livscykelanalyser som bedömer de långsiktiga miljökostnaderna och fördelarna med produktion av biobränslegrödor." [Redaktörens notering:Det var därför de startade forskningen och varför de tittade på grödorna de tittade på. Men kom ihåg att resultaten hjälper oss att förstå vad som händer under jorden även i andra områden.]
Vogel, markforskarna Ron Follett (pensionerad) och Gary Varvel, och agronomen Rob Mitchell genomförde sin studie på marginellt produktiva fält som liknar de odlingsmarker som skulle vara lämpliga för kommersiell växtodling. Mitchell och Varvel är med ARS-forskningsenheter i Lincoln, Nebraska. Follett var med ARS i Fort Collins, Colorado.
Teamet etablerade stora tomter som kunde rymma utrustning i fältskala och tog markprover till ett djup av 5 fot innan de första grödorna odlades. Dessa baslinjeprover visade att halterna av organiskt kol i marken varierade inom den första foten av underjorden med så mycket som cirka 18 ton per tunnland, medan halterna av kol 5 fot under markytan varierade med så mycket som nästan 90 ton per tunnland.
Kollager i jord:årlig kontra perenn
För att utforska detta fenomen planterade forskarna sedan två växelgrässorter och majs utan bearbetning och applicerade kvävegödselmedel i tre olika hastigheter från 54 pund per hektar till cirka 160 pund per hektar. Kvävegödselmedel stödjer produktionen av biomassa, och forskarna ville se om produktionen av mer växtbiomassa resulterade i att mer kol lagrades i marken. Vissa växelgräsplaner bibehölls också utan några kväveförändringar.
Skörderester efter skörd, eller "stover" - som också bidrar till markens kol - togs inte bort på hälften av majsfälten utan bearbetning; på andra åkrar togs hälften av spisen bort. Efter att grödorna etablerats tog forskarna om jordar i produktionsfälten med 3-års intervall.
Vad var deras största överraskning? I majsfältet utan bearbetning ökade halterna av organiskt kol i marken över tiden på alla djup, med alla kvävebehandlingar och med båda typerna av efterskörd hantering av stover. Nästan alla ökningar var statistiskt signifikanta. Skörden av majskorn var störst från åkrar som hade ändrats med 107 pund kväve per hektar och där ingen stover hade tagits bort, en förvaltningsstrategi som resulterade i en genomsnittlig årlig ökning av markens kol som översteg 0,9 ton per hektar.
I switchgrass-områdena observerade forskarna också imponerande ökningar av markens kolbindning genom hela markprofilen. Inlagringshastigheten ökade när kvävegödslingshastigheten ökade, och nästan alla ökningar av markens kol var statistiskt signifikanta.
Som de observerade med majsplotterna utan bearbetning hittades mer än 50 procent av markens kol mellan 1 och 5 fot under jordytan. Den genomsnittliga årliga ökningen av organiskt kol i marken under de första 5 foten av underjorden översteg också 0,9 ton per hektar och år, vilket motsvarade 3,25 ton koldioxid per hektar och år.
"Vi hade inte förväntat oss att hitta dessa lager av kol i djup mark, även om vi alltid visste att växtrötter nådde så djupt, eftersom vi inte insåg hur mycket aktiviteten kring rötter kan påverka markens kolbudget," säger Follett. "De flesta studier provar bara jordar för kol till ett djup av 18 tum."
På grund av sina resultat drog teamet slutsatsen att beräkning av markens kolbindningshastighet för bioenergigrödor inte är ett förslag som passar alla. Val av grödor, jordskillnader, miljöförhållanden och förvaltningsmetoder påverkar lagringshastigheten olika från en region till en annan. Som ett resultat kommer modeller för produktion av bioenergigrödor troligen att behöva några större justeringar.
"Vårt arbete tyder på att kolbindningshastigheter som används i nuvarande livscykelanalysmodeller för bioenergigrödor förmodligen leder till underskattningar av hur mycket kol som binds i marken", säger Vogel. "Den belyser också hur kväveändringar och andra förvaltningsbeslut spelar roll när det gäller majs och kolbindning - och att ettåriga grödor kan ge viktiga bidrag till markens kol."
Uppsatsen godkändes av Bioenergy Research och publicerades 2012. Men även om resultaten var så överraskande, hade två andra ARS-studier belyst liknande dynamik
Årliga skördar med långvariga effekter
År 2011 publicerades resultat från en relaterad långtidsstudie om koldioxid i marken utförd av Varvel och hans ARS-kollega Wally Wilhelm (död) i Soil &Tillage Research. Forskarna hade studerat markens kolnivåer i fält som etablerades 1980 för tre olika icke-bevattnade odlingssystem – kontinuerlig majs, kontinuerlig sojaböna och en sojaböna/majs rotation – som hanterades med sex olika jordbearbetningssystem.
1999, som en del av studien, samlade Varvel och Wilhelm in jordprover från dessa fält med flera intervaller till ett djup av 5 fot. De fann att hantering av jordbearbetning och val av grödor oberoende påverkade markens kväve- och kolnivåer och att de högsta nivåerna av kväve och kol hade ackumulerats i det kontinuerliga majsodlingssystemet under hantering utan jordbearbetning. Men precis som med den senare studien var den största överraskningen hur mycket kväve och kol som ackumulerades i markprofilen mellan 12 tum och 5 fot i alla odlings- och jordbearbetningssystem.
"När vi samlade in dessa prover trodde många markforskare att årliga åkergrödor inte binder kol i konventionella jordbearbetningssystem, så resultaten var en chock", säger Varvel. "Men genom att genomföra en långtidsstudie kunde vi observera vad som händer med markens kolbindning när ett ledningssystem väl har etablerats och variationerna från år till år minskar." Han noterade också att identifiering av dessa djupare pooler av kol och kväve kan hjälpa odlare att mer effektivt välja bearbetningshantering som hjälper till att behålla dessa näringsämnen i jorden.
Dessa fynd överensstämde med resultaten från en 8-årig studie, publicerad 2013, som Follett genomförde om kolbindning i kontinuerliga majssystem utan och med konventionellt bearbetad konstbevattning nära Fort Collins. Han och Fort Collins markforskare Ardell Halvorson fann att ingen jordbearbetning resulterade i högre nivåer av markkol än konventionell jordbearbetning och att dessa nivåer inte förändrades mycket under de åtta åren.
"En del av markens kol i dessa jordar är tusentals år gammalt och är mycket stabilt, så dess försvinnande var en överraskning", säger Follett, som publicerade resultaten i Soil Science Society of America Journal. "Regelbunden bevattning av den typiskt halvtorra jorden kan vara en av faktorerna som resulterade i kolförlusten, men vi skulle behöva genomföra ytterligare studier för att fastställa det."
Follett noterar att de mikrobiella grupperna i jorden i dessa miljöer fortfarande behöver identifieras, liksom de miljöskiften som gör att dessa mikrober lättare kan komma åt kolet för eget bruk. Han delar också Varvels övertygelse om att dessa fynd understryker hur bönder kan använda ingen jordbearbetning för att bevara markens kol djupt i markprofilen – och värdet av långtidsstudier för att förstå markens koldynamik.
”Det tar tid för nya ledningssystem att ha någon effekt på markens koldioxid. Att identifiera dessa effekter kan kräva långtidsstudier, provtagning djupare i markprofilen och använda avancerade mättekniker, säger Follett. "Vi letar efter små förändringar i en stor pool."
Denna forskning är en del av betes-, foder- och utmarkssystem (#215), bioenergi (#213) och klimatförändringar, jordar och utsläpp (#212), tre nationella ARS-program som beskrivs på www.nps.ars .usda.gov. För att nå forskare som nämns i den här artikeln, kontakta Ann Perry, USDA-ARS Information Staff, 5601 Sunnyside Ave., Beltsville, MD 20705-5128; (301) 504-1628.
"En överraskande tillgång på kol från djup jord ” publicerades i februarinumret 2014 av Agricultural Research magazine.
