Maj 2002 DJF rapport Nr. 72 Markbrug Bent T. Christensen (Red.) Biomasseudtag til energiformål konsekvenser for jordens kulstofbalance i land- og skovbrug Slutrapport for projekt under Energistyrelsens Udviklingsprogram for Vedvarende Energi m.v. (UVE)
Biomasseudtag til energiformål konsekvenser for jordens kulstofbalance i land- og skovbrug Slutrapport for projekt under Energistyrelsens Udviklingsprogram for Vedvarende Energi m.v. (UVE) Bent T. Christensen (Red.) Afdeling for Plantevækst og Jord Postboks 50 DK-8830 Tjele DJF rapport Markbrug nr. 72 maj 2002 Udgivelse: Danmarks JordbrugsForskning Tlf. 89 99 19 00 Forskningscenter Foulum Fax 89 99 19 19 Postboks 50 8830 Tjele Løssalg: t.o.m. 50 sider 50,- kr. (incl. moms) t.o.m. 100 sider 75,- kr. over 100 sider 100,- kr. Abonnement: Afhænger af antallet af tilsendte rapporter, men svarer til 75% af løssalgsprisen.
INDHOLD 1. FORORD...4 2. SAMMENDRAG...5 2.1 Baggrund...5 2.2 Kulstoflager i samhørende skov- og agerjord...5 2.3 Biomasseudtag i skov...6 2.4 Kulstof i dyrket jord...7 2.5 Halmudtag i landbruget...8 2.6 Konklusioner...9 3. BAGGRUND OG FORMÅL...12 4. SKOVJORDES KULSTOFLAGER SAMMENLIGNING MED AGERJORDE OG INDFLYDELSE AF INTENSIVERET BIOMASSEUDNYTTELSE...14 4.1 Baggrund...14 4.2 Materialer og metoder...15 4.3 Resultater og diskussion...18 4.4 Konklusioner og perspektiver...27 5. KULSTOFINDHOLD I DYRKET JORD...29 5.1 Baggrund...29 5.2 Markforsøg med halmnedmuldning, husdyrgødning og efterafgrøder...30 5.3 Undersøgelser i kvadratnettet...36 5.4 Konklusioner og perspektiver...39 6. KULSTOFOMSÆTNING UNDER ELEFANTGRÆS BELYST VED FOREKOMST AF 13 C...41 6.1 Baggrund...41 6.2 Materialer og metoder...42 6.3 Resultater og diskussion...43 6.4 Konklusioner...47 7. MODELLERING AF KULSTOFOMSÆTNING I JORD MED DAISY BETYDNING AF HALMNEDMULDNING...48 7.1 Baggrund...48 7.2 Kalibrering af Daisy s modul for omsætning af organisk stof...50 7.3 Validering af Daisy med rekalibrerede parametre...60 7.4 Scenarieanalyse: halmens betydning for jordens kulstofindhold...65 7.5 Diskussion og konklusioner...70 8. REFERENCER...72 3
1. Forord Det her afrapporterede projekt belyser konsekvensen af biomasseudtag til energiformål (specielt udtag af halm og træflis) for jordens kulstofindhold i land- og skovbrug. Projektet er gennemført i perioden 1999-2001 og har økonomisk været støttet af en bevilling fra Energistyrelsens Udviklingsprogram for Vedvarende Energi m.v. Arbejdet er udført af nedennævnte projektgruppe med deltagelse fra Danmarks JordbrugsForskning (DJF), Den Kgl. Veterinær og Landbohøjskole (KVL) og Skov & Landskab (FSL): Seniorforsker Elly Møller Hansen Forskningsprofessor Bent Tolstrup Christensen Danmarks JordbrugsForskning Afdeling for Plantevækst og Jord Forskningscenter Foulum Postboks 50 8830 Tjele Lektor Lars Stoumann Jensen Forskningsassistent Sander Bruun Lektor Jakob Magid Den Kgl. Veterinær og Landbohøjskole Institut for Jordbrugsvidenskab Laboratoriet for Planternes Ernæring Thorvaldsensvej 40 1871 Frederiksberg C Seniorforsker Lars Vesterdal Forskningschef Karsten Raulund-Rasmussen Skov & Landskab (FSL) Afdeling for Skovøkologi Hørsholm Kongevej 11 2970 Hørsholm Navne på de involverede forskere er angivet som forfattere ved de enkelte kapitler. Kapitel 2 udgør et udvidet sammendrag af projektets baggrund, de gennemførte undersøgelser, hovedresultater og generelle konklusioner. Forskningscenter Foulum, januar 2002 Bent T. Christensen (projektleder) 4
2. Sammendrag 2.1 Baggrund Med Biomasseaftalen fra 1993 blev elværkerne forpligtet til inden udgangen af 2000 at anvende mindst 1,2 mio. tons halm og 0,2 mio. tons flis årligt i de danske kraftværker. Ved revisionen i maj 2001 blev halmforbruget ansat til mindst 0,93 mio. tons årligt ved udgangen af 2004, mens forbruget af træ forventes at udgøre 0,55 mio. tons. Aktuelt anvendes ca. 0,55 mio. tons halm årligt. Produktionen af skovflis er på ca. 0,2 mio. m 3 fastmasse, svarende til 80.000 tons tørstof eller 11% af den årligt skovhugst. Anvendelsen af træbiomasse forventes ifølge Energi 21 handlingsplanen fra 1996 (opfølgning i 1999) stabiliseret på det nuværende niveau (~20-27 PJ), mens behovet for halmbiomasse øges markant fra 13 PJ i 2000 til 34 PJ i 2030. Derudover indregnes biomasse fra energiafgrøder (ansat til 0 PJ i 2005 og til 46 PJ i 2030), der skønsmæssigt vil lægge beslag på et landbrugsareal på 150.000-300.000 ha. Målsætningen fra 1989 om en fordobling af det danske skovareal i løbet af 80-100 år forventes at inddrage ca. 400.000 ha landbrugsjord. Udtaget af træbiomasse til energiformål vil således kunne ske fra et stadigt større skovareal. Derimod vil det stigende udtag af halm, som følge af arealkravene til energiafgrøder og skov, skulle ske fra et stadigt mindre landbrugsareal i omdrift. Dette vil markant øge intensiteten i halmudtag fra sædskiftet. Udtag af større mængder biomasse fra land- og skovbrug til energiformål påvirker tilførsel, omsætning og lagring af organisk stof i jordbunden, og dermed også omsætningen af plantenæringsstoffer. Graden af tilbageførsel af planterester til jordbunden påvirker jordens frugtbarhed, det vil sige jordens evne til vedvarende at kunne understøtte en planteproduktion, der er forsvarlig med hensyn til omfang, kvalitet, rentabilitet og påvirkning af det omgivende miljø. På ovennævnte baggrund belyser det her afrapporterede projekt konsekvenser af udtag af halm og træflis for udviklingen i jordens kulstofindhold i land- og skovbrug. Betydningen af biomasseudtag vurderes i forhold til de øvrige elementer i arealanvendelse og driftsform, der påvirker jordens kulstofbalance. Ændringer i jordens samlede indhold af kulstof sker relativt langsomt, hvorfor vurderingen af biomasseudtag s virkning på jordens kulstofbalance tager udgangspunkt i længerevarende forsøgsserier og modelbaserede værktøjer. 2.2 Kulstoflager i samhørende skov- og agerjord I skovjord lagres kulstof dels i det organiske lag (benævnt O-horisont) ovenpå mineraljorden, dels i den underliggende mineraljord. O-horisonten dannes ved at nedfalden løv, kviste og grene (benævnt strø) under uforstyrrede forhold ophobes ovenpå mineraljorden. På lokaliteter 5
med aktive populationer af større jordbundsdyr (fx regnorme) kan strøet blive opblandet i den øverste del af mineraljorden. O-horisonten er generelt fraværende i agerjord, idet planterester ved jordbearbejdningen opblandes i de øverste 20-25 cm (pløjelaget). Mens skovrejsning på agerjord med sikkerhed vil føre til øget kulstoflagring i træernes vedmasse, er virkningen på jordens kulstoflager meget lidt belyst. Ved skovdrift sker jordbearbejdning med meget lange mellemrum, hvilket kan medføre en langsommere omsætning af organisk stof i skovbunden. Samtidigt vil tilførsel af mere næringsfattige og forveddede fraktioner være større ved skovdrift. Med udgangspunkt i 28 samhørende skov og agerjordsprofiler til 110 cm dybde blev den langsigtede virkning af skovrejsning på jordens kulstoflager belyst under danske forhold. For alle profilpar var der ikke statistisk sikre forskelle mellem skov- og landbrugsjordes kulstofmængde i mineraljordslagene 0-15, 0-30, 0-50 og 0-100 cm. Ved begge arealanvendelser var der i gennemsnit bundet ca. 108 t C/ha i mineraljorden til 100 cm dybde. Når skovens O- horisont blev medregnet var der 23 t C/ha mere i skovjord end i landbrugsjord (p < 0.01). Jord med lavt lerindhold havde generelt mere kulstof end jord med højt lerindhold. Der var ingen statistisk sikker vekselvirkning med arealanvendelse, hvorfor forskellen mellem skovog landbrugsjordes kulstofindhold anses for generel. Der var dog tendens til, at effekten af arealanvendelse var størst på de sandede jorde og Spodosols (podsol-jorde med al-lag). Disse jordtyper findes primært i Vestjylland. Der var alene forskel mellem skov- og landbrug, når O-horisonten indgik i analysen (Spodosols 37.6 t C /ha, sandede jorde 40.1 t C/ha). For mere lerrige jordtyper var der ikke sikker forskel i kulstofindhold. 2.3 Biomasseudtag i skov Skovflis hidrører overvejende fra heltræhugst af unge træer og flisning af hugstaffald ved renafdrift. I forhold til den traditionelle skovdrift, hvor der alene fjernes stammeved, udtages der mere biomasse ved samtidig produktion af skovflis. Det kan have en negativ virkning på skovens næringsstofbalance, da den største del af biomassens næringsstoffer findes i grene, kviste og nåle. Heltræhugst forventes også at påvirke kulstofbalancen i jorden, da heltræhugst til flisning reducerer den mængde kulstof, der tilføres jordbunden. Da produktion af skovflis forventes at udgøre det største biomasseudtag til energiformål, fokuseres i nærværende projekt på denne del af biomasseudtaget fra skov. Indflydelsen af biomasseudtag på jordens kulstoflager blev undersøgt i to 25-årige kulturforsøg i hedeplantager med rødgran på sandjord (Harreskov og Hastrup plantager i Midtjylland), samt ved beregninger med simuleringsmodellen CO2Fix. Udviklingen i jordens kulstofindhold blev simuleret over fire omdrifter á 70 år med rødgran i produktionsklasse 12, og med seks tyndinger i hver omdrift. Tre forskellige scenarier med varierende intensitet i biomasseudtaget blev simuleret. 6
Kulturforsøgene viste, at der ikke var en betydende indflydelse på jordbundens kulstoflager 25 år efter heltræhugst. På den ene lokalitet var der efter kvasfjernelse (heltræhugst) mindre kulstof i O-horisonten og mindre tilvækst i den efterfølgende kultur. Reduktionen af jordens kulstoflager ved fjernelse af kvas udgjorde 9% af kulstofmængden i O-horisonten og 0-30 cm mineraljord og skyldtes sandsynligvis en ringere tilvækst for træer plantet efter heltræhugst snarere end en reduceret tilførsel af kulstof med kvaset. Ved mindre tilvækst tilføres O- horisonten mindre strø. Øget biomasseudtag påvirkede ikke mineraljordens kulstoflager indenfor en kortere årrække (25 år). Simulering af scenarier for heltræhugst til flis viste, at både heltræhugst i de tidligere tyndinger og heltræhugst ved alle hugstindgreb kan føre til et langsigtet fald i jordens kulstofpulje. Faldet i jordens kulstofpulje var dog beskedent, svarende til henholdsvis 3 og 6% af jordens totale kulstoflager efter tre omdrifter. Modelanalysen dækker kun den direkte kulstofeffekt. Såfremt heltræhugsten forringer jordens næringsstofbalance og dermed træernes tilvækst, kan der forventes en større nedgang i jordens kulstoflager. 2.4 Kulstof i dyrket jord Halmudtags betydning for indholdet af kulstof i dyrket jord er belyst med resultater fra længerevarende markforsøg med halmnedmuldning, anvendelse af husdyrgødning og dyrkning af efterafgrøder. Desuden refereres resultater fra en undersøgelse af ændringer i jordens kulstofindhold i perioden 1987/88-1998/99 baseret på indsamling af prøver fra 336 punkter i det landsdækkende Kvadratnet, der anvendes i gødningsplanlægningen i Danmark. De refererede forsøg viser, at årlig nedmuldning af normale halmmængder vil kunne øge den dyrkede jords indhold af kulstof med op til 15% set i forhold til at fjerne halmen fra marken. Et øget antal år med græs/kløvergræs i sædskiftet medfører et større kulstofindhold i jorden, mens flere rækkeafgrøder og øget korndyrkning giver et forholdsmæssigt mindre bidrag til jordens kulstofpulje. Anvendelse af rajgræs som efterafgrøde ved ensidig korndyrkning kan bidrage væsentligt til jordens kulstofindhold. Tilførsel af samme mængde tørstof i fast husdyrgødning og gylle har samme virkning på jordens kulstofindhold. Såfremt jordens kulstofindhold ønskes øget markant over en kortere årrække, kræves imidlertid betydelige årlige tilførsler af tørstofrig husdyrgødning eller andre organiske gødninger. Desuden gælder det, at organisk materiales bidrag til en øget kulstoflagring i dyrket jord afhænger af jordens kulstofniveau i udgangssituationen. Er indholdet i forvejen stort, ses et fald, mens jord med et lavt udgangsniveau viser en stigning. Der har gennem en årrække været forsøgs- og forskningsaktiviteter vedrørende flere potentielle energiafgrøder, herunder elefantgræs (Miscanthus). Idet indholdet af den naturligt forekommende stabile 13 C isotop er forskelligt i de traditionelle landbrugsplanter og i elefantgræs, giver analyser af 13 C forekomst i jord under elefantgræs en alternativ mulighed 7
for bestemmelse af kulstofs omsætningshastighed under naturtro forhold. Resultaterne viser, at omsætningen af organisk stof har været betydelig mere dynamisk end forventet, idet der efter 9 og 16 år var henholdsvis 13 og 31% af kulstofmængden i 0-20 cm dybde, som kunne tilskrives bidrag fra elefantgræs. Andelen af elefantgræs-afledt kulstof i jordlagene under 20 cm var mindre end 10%. Undersøgelsen viser i overensstemmelse med andre nyere undersøgelser at omsætningen af kulstof i dyrket jord er betydeligt mere dynamisk end tidligere antaget. Undersøgelsen i Kvadratnettets måleflader tyder på, at der samlet set alene er fundet en mindre ændring i jordens kulstofindhold over den betragtede 10-12 års periode. Dette resultat dækker imidlertid over betydelige men modsat rettede ændringer på forskellige jordtyper. På sandede jordtyper, især de grovsandede JB1 arealer, viser jordens indhold af kulstof en stigende tendens. Disse jordtyper er samtidigt domineret af kvæghold med hyppigt islæt af græsmarker i sædskiftet og betydelig anvendelse af husdyrgødning kombineret med handelsgødning. For de lerede jordtypers vedkommende, specielt JB7, blev der fundet en faldende tendens i jordens kulstofindhold. De lerede jordtyper er ofte grundlag for svineproduktion med stort islæt af korn og andre salgsafgrøder i sædskiftet, og for ren planteavl med anvendelse af handelsgødning og mindre tilførsel af svinegylle. Netop disse driftsformer vil have potentiale for halmleverancer til energiformål, samtidigt med at de jordtyper der understøtter de halmproducerende landbrug viser tendens til fald i kulstofindhold. 2.5 Halmudtag i landbruget Agroøkosystemmodellen Daisy er i dette projekt anvendt til at simulere udviklingen i jordens kulstofindhold over en periode på 48 år. Der blev opstillet i alt 30 scenarier med kombinationer af driftspraksis, jordtype og klima. Inden analysen af scenarier blev modellen rekalibreret og valideret ved hjælp af resultater fra en række længerevarende (30-100 år) forsøg gennemført ved Askov Forsøgsstation for at sikre, at modellen bedst muligt kan simulere kulstofomsætningen under danske forhold. De ændrede parameterværdier medførte at udvikling i jordens kulstofindhold kunne simuleres tilfredsstillende og langt bedre end ved anvendelse af modellens standardparametre. Rekalibreringen medførte en betydelig større intern omsætning af kulstof i modellen. Der blev opstillet scenarier for planteavl, svinebrug og kvæg med tilhørende sædskifter og gødningsanvendelse. Disse grundscenarier blev kombineret med to klimascenarier (østdansk lavnedbørsområde og vestdansk højnedbørsområde) samt to jordtyper (JB1 og JB6). For hvert enkelt scenarie blev simuleret halmhåndtering (+/- halmnedmuldning) og anvendelse af efterafgrøde. Uden halmnedmuldning viste simuleringerne at samtlige scenarier medfører et fald i indholdet af kulstof i pløjelaget (0-25 cm). Halmnedmuldning havde en markant positiv virkning på 8
jordens kulstofindhold for især planteavls- og svinebrug. På lerjorden (JB6) kunne halmnedmuldning opretholde kulstofindholdet i pløjelaget, hvorimod der på sandjorden (JB1) simuleredes et faldende kulstofniveau selv ved halmnedmuldning. Ved fuldt udtag af halm viste planteavlsbrug på JB1 et relativt fald over den simulerede 48 års periode på omkring 30%, svarende til en årlig reduktion i pløjelagets kulstofpulje på ca. 450 kg C/ha. Ved halmnedmuldning observeredes et væsentligt mindre fald (ca. 17% eller 250 kg/ha/år). På JB1 svinebrug gav halmudtag og halmnedmuldning anledning til henholdsvis et fald på 385 og 175 kg C/ha/år. Den simulerede udvikling i jordens kulstofindhold på lerjorden (JB6) peger i samme retning som resultater fra undersøgelser i Kvadratnettet. De årlige tab på JB6 var mellem 104 og 244 kg C/ha ved fjernelse af halm, mens nedmuldning af halm kunne opretholde jordens kulstofpulje. I modsætning til de beregnede fald i pløjelagets kulstofindhold på JB1 viste undersøgelsen i Kvadratnettet en tydelig stigning i kulstofindhold på denne jordtype. Stigningen i Kvadratnettets sandede jordtyper kunne dog langt overvejende henføres til et øget kulstofindhold i dybden 25-50 cm, mens ændringer i pløjelaget (som alene indgår i simulering af scenarierne) for de sandede jorde ikke var entydige. Generelt var de simulerede effekter af halmhåndtering i overensstemmelse med resultater fra en række længerevarende forsøg med nedmuldning og fjernelse af halm i ensidige kornsædskifter. Derimod var den simulerede effekt af efterafgrøder på pløjelagets kulstofindhold væsentlig mindre end fundet i forsøg med ensidig korndyrkning og årlig anvendelse af rajgræs som efterafgrøde. For de opstillede scenarier indgik efterafgrøder på 12,5 til 37,5% af arealet, mens årlig anvendelse af efterafgrøder, som det var tilfældet i de refererede forsøg, svarer til 100%. Dette kan forklare forskellen i virkningen af efterafgrøde bestemt i forsøgene og ved simuleringerne, men peger også på, at hyppigheden af rajgræs i de opstillede scenarier ikke er tilstrækkelig til at kompensere for halmudtaget. 2.6 Konklusioner Der blev i gennemsnit fundet et 20% større kulstoflager i skovjord sammenholdt med landbrugsjord. Forskellen skyldes alene tilstedeværelse af en O-horisont, som i skov akkumuleres ovenpå mineraljorden. På næringsfattige sandede jordtyper var forskellen op mod 30%. Mineraljorden (ned til 1 m dybde) indeholdt samme mængde kulstof i både skov- og landbrug. Konklusionen er baseret på 28 parvise sammenligninger af landbrug og skov dækkende forskellige jordbundstyper og geografiske lokaliteter i Danmark. Simulering af udviklingen i jordbundens kulstofindhold over flere omdrifter af rødgran antyder, at der på langt sigt kun sker en beskeden reduktion i jordens kulstoflager ved intensiveret biomasseudnyttelse. Modelanalysen tager dog ikke højde for eventuelle indirekte effekter afledt af næringsstofmangel. Med hensyn til kvasfjernelse må det konkluderes, at 9
udtag af flis fra skovbruget til energiformål ikke er forbundet med en betydende nedgang i skovjordens kulstoflager, såfremt jordens næringsstofpulje ikke udpines. Forøget udtag af biomasse til energiformål synes således at have en begrænset direkte effekt på skovjordens kulstoflager. Sammenholdt med den positive substitutionseffekt ved anvendelse af flis i stedet for fossile energikilder, kan anvendelse af biomasse fra skov betragtes som fordelagtig i forbindelse med ønsket om at reducere den nationale CO 2 emission. Denne vurdering forudsætter, at der ikke er indirekte negative effekter af det øgede biomasseudtag som f.eks. udpining af jordens næringsstofressourcer og dermed tilvækstnedgang. Et fald i tilvæksten vil reducere kulstoflageret i såvel den stående biomasse som i skovens O-horisont, og selvsagt også den biomasse, som er tilgængelig for energiformål. Næringsstofmangel kan eventuelt afhjælpes ved gødskning eller ved at tilbageføre aske fra forbrænding af biomassen. Med hensyn til virkningen af dyrkningspraksis viser de refererede forsøg at årlig nedmuldning af normale halmmængder på langt sigt vil øge den dyrkede jords indhold af kulstof med op til 15% set i forhold til at fjerne halmen fra marken. Et øget antal år med græs/kløvergræs i sædskiftet medfører et større kulstof indhold i jorden, mens flere rækkeafgrøder og øget korndyrkning giver et forholdsmæssigt mindre bidrag til jordens kulstof pulje. Anvendelse af rajgræs som efterafgrøde ved ensidig korndyrkning kan bidrage væsentligt til jordens kulstof indhold. Såfremt jordens kulstof indhold ønskes øget markant over en kortere årrække, kræves imidlertid betydelige årlige tilførsler af tørstofrig husdyrgødning eller andre organiske gødninger. Desuden gælder det at organisk materiales bidrag til en øget kulstof lagring i dyrket jord afhænger af jordens kulstofniveau i udgangssituationen. Er indholdet i forvejen stort, ses et fald, mens jord med et lavt udgangsniveau viser en stigning. Traditionelt er det blevet antaget, at størstedelen af den organiske pulje i jorden er meget stabilt og kun indgår i meget begrænset omfang i den kulstofomsætning der finder sted indenfor tidsrum af 5-25 år. Resultater fra markforsøg med elefantgræs og med vedvarende brak (ingen plantevækst), samt nyere modelberegninger antyder imidlertid, at andelen af labilt og dermed manipulerbart kulstof i jorden udgør en større del af jordens samlede indhold af organisk stof end hidtil antaget. De her omtalte forsøg viser, at dyrkningsmæssige tiltag, der påvirker tilførslen af organisk materiale til jorden, har betydelige konsekvenser for lagringen af kulstof i jorden, og at tidshorisonten for dyrkningsbetingede ændringer i jordens kulstof lager er lang. På sandede jordtyper, især de grovsandede JB1 arealer, viser jordens indhold af kulstof en stigende tendens. Disse jordtyper er samtidigt domineret af kvæghold med hyppigt islæt af græsmarker i sædskiftet og betydelig anvendelse af husdyrgødning kombineret med handelsgødning. For de lerede jordtypers vedkommende, specielt JB7, blev der fundet en faldende 10
tendens i jordens kulstofindhold. De lerede jordtyper er ofte grundlag for svineproduktion med stort islæt af korn og andre salgsafgrøder i sædskiftet, og for ren planteavl med anvendelse af handelsgødning og mindre tilførsel af svinegylle. Netop disse driftsformer vil have potentiale for halmleverancer til energiformål, samtidigt med at de jordtyper der understøtter de halmproducerende landbrug viser tendens til fald i kulstofindhold. De med Daisy simulerede scenarier viste, at halmnedmuldning i kornrige sædskifter har afgørende betydning for udviklingen i jordens kulstofindhold. Derimod er effekten af efterafgrøder i disse scenarier meget begrænset. Dette gælder især for sædskiftet på kvægbrug og for sædskiftet på svine- og plantebrug med mere nedbørsfattigt klima, hvor der er færre muligheder for indpasning af efterafgrøde i sædskiftet. Effekten er noget større for sædskiftet på svine- og plantebrug med mere nedbørsrigt klima, hvor efterafgrøder kan indgå mere hyppigt. Ud fra de analyserede scenarier må det i overensstemmelse med resultaterne fra en række markforsøg samlet konkluderes, at halmnedmuldning på planteavls- og svinebrug med korndominerede sædskifter har en afgørende virkning med hensyn til at opretholde indholdet af organisk stof i pløjelaget. Da det samtidigt er disse brugstyper, der har størst interesse med hensyn til halmudtag til energiformål, må det anbefales at bæredygtigheden i udtaget af halmbiomasse genovervejes, og at der i denne overvejelse indgår hensynet til opretholdelse af jordens frugtbarhed. Ved hyppigt halmudtag bør der iværksættes kompensatoriske ændringer i driftspraksis, der kan medvirke til opretholdelse af jordens indhold af organisk stof. 11
3. Baggrund og formål Med Biomasseaftalen af 14. juni 1993 indgik et bredt flertal i Folketinget en aftale, som forpligtede elværkerne til inden udgangen af år 2000 at anvende mindst 1,2 mio. tons halm og 0,2 mio. tons træflis årligt i de danske kraftværker. Aftalen er senere revideret og tidsfristen udskudt. Aktuelt anvendes ca. 0,55 mio. tons halm til ovennævnte energiformål. Produktionen af skovflis er på ca. 0,2 mio. m 3 fastmasse, svarende til 80.000 tons tørstof eller 11% af den årlige skovhugst (Videncenter for Halm- og Flisfyring, 1999; Danmarks Statistik, 2000). I maj 2001 blev aftalen revideret således at kraftværkernes halmforbrug med udgangen af 2004 nu forventes at være 0,93 mio. tons årligt, mens forbruget af træbiomasse forventes at udgøre 0,55 mio. tons. Energihandlingsplanen Energi 21 fra april 1996 med opfølgning i 1999 opregner den langsigtede målsætning for anvendelse af biomasse til energi. Mens anvendelsen af træbiomasse forventes stabiliseret på det nuværende niveau (~20-27 PJ) indebærer handlingsplanen en markant stigning i behovet for halmbiomasse (fra 13 PJ i 2000 til 34 PJ i 2030). Dertil kommer et behov for tilgang af biomasse fra energiafgrøder (ansat til 0 PJ i 2005 og til 46 PJ i 2030). Det nødvendige landbrugsareal til energiafgrøder vil afhængig af typen af energiafgrøde og intensiteten i dyrkningen omfatte skønsmæssigt 150.000-300.000 ha. Målsætningen fra 1989 om en fordobling af det danske skovareal i løbet af 80-100 år forventes at inddrage ca. 400.000 ha landbrugsjord. Udtaget af træbiomasse til energiformål vil således kunne ske fra et stadigt større skovareal. Derimod vil det stigende udtag af halm som følge af arealkravene til energiafgrøder og skov skulle ske fra et stadigt mindre landbrugsareal i omdrift. Dette vil øge intensiteten i halmudtag fra sædskiftet. Udtag af større mængder biomasse fra land- og skovbrug til energiformål vil påvirke tilførsel, omsætning og indhold af organisk stof i jordbunden, og dermed også omsætningen af plantenæringsstoffer. Under givne klimatiske, hydrologiske og geologiske forhold vil mængden og omsætningshastigheden af organisk stof i jorden være stærkt afhængig af arealanvendelse, driftsform og intensitet. Graden af tilbageførsel af planterester til jordbunden er i denne sammenhæng en vigtig parameter. Ved fastholdelse af en given arealanvendelse og driftsform gennem en lang årrække vil der indtræde en ligevægt mellem opbygning og nedbrydning af organisk stof i jorden, idet mængden ved ligevægt sædvanligvis vil være større under vedvarende vegetation (som fx vedvarende græs, skov og energiafgrødeplantager) end under ager i omdrift med stort islæt af enårige korn- og salgsafgrøder. Mængden og karakteren af den biomasse, der tilbageføres til jorden, og det deraf afledte niveau af organisk stof påvirker jordens frugtbarhed, her forstået som jordens evne til vedvarende at kunne understøtte en planteproduktion, der er forsvarlig med hensyn til omfang, kvalitet, rentabilitet og påvirkning af det omgivende miljø (Christensen, 1997, 2000). En vurdering af bæredygtigheden i anvendelse af biomasse til energiformål bør indeholde en sammenligning af et sådant biomasseudtag med betydningen af driftsforhold, der i øvrigt 12
påvirker jordens kulstofbalance. Idet ændringer i jordens indhold af organisk stof manifesteres over lange tidsrum (Christensen & Johnston, 1997) må en belysning af biomasseudtags virkning på jordens kulstofindhold tage udgangspunkt i længerevarende forsøgsserier, eksisterende databaser, og modelbaserede værktøjer. På baggrund af ovennævnte beslutninger og handlingsplaner vedrørende biomasse til energiformål og formodede virkninger heraf på jordens kulstoflager, belyser nærværende projekt konsekvenser af biomasseudtag, specielt halm og træflis, på kulstofbalancen i land- og skovbrug. 13
4. Skovjordes kulstoflager sammenligning med agerjorde og indflydelse af intensiveret biomasseudnyttelse Lars Vesterdal, Finn Vanman Jørgensen, Ingeborg Callesen og Karsten Raulund-Rasmussen Skov & Landskab (FSL) 4.1 Baggrund I skovjorde findes kulstof dels i et organisk lag (benævnt O-horisont) ovenpå mineraljorden og dels indblandet i mineraljorden. O-horisonten dannes af nedfaldent løv, kviste og grene (kaldet strø) og indeholder kun små mængder mineralsk materiale. O-horisonten opstår i skoven, fordi jorden ikke bearbejdes. I landbrugsjorde er O-horisonten opblandet i den øverste del af mineraljorden (kaldet pløjelaget). Under skov kan der ligeledes forekomme en vis opblanding af strøet med mineraljorden på lokaliteter med aktive populationer af større jordbundsdyr som f.eks. regnorme. Mulighederne for at lagre mere kulstof i danske skovjorde er langt fra tilstrækkeligt belyst, men hidtidige resultater indikerer, at der ved skovrejsning på landbrugsjord og ved ændrede driftsformer i de eksisterende skove kan ske en øget binding af atmosfærisk CO 2. Ved skovdrift sker en beskeden jordbearbejdning med 70-100 års mellemrum, og kalkning og gødskning anvendes ikke eller i meget beskedent omfang. Dette kan medføre en langsommere omsætning af organisk stof i skovjorde og dermed opbygning af et større kulstoflager end i landbruget. Samtidig vil tilførslen af planterester til jorden, specielt de mere langsomt omsættelige og forveddede fraktioner, være større i skoven. Danmark har siden 1989 haft en målsætning om at fordoble det eksisterende skovareal i løbet af 80-100 år ved tilplantning af landbrugsjord. Det vil betyde en omlægning af ca. 420.000 ha landbrugsjord til skov. Samtidigt sætter Kyoto Protokollen fokus på menneskeskabte ændringer i kulstoflagre indenfor skov- og landbrug. Mens skovrejsning med sikkerhed vil føre til øget kulstoflagring i træernes vedmasse, er vores viden om ændringer i jordens kulstoflager begrænset. Der foreligger kun få danske undersøgelser af kulstoflagre i samhørende skov- og landbrugsjorde, der kan belyse skovrejsningens effekt på kulstofbinding i jord. I de seneste 20 år er der sket en øget anvendelse af skovflis i fjernvarmeværker. I dag findes der således ca. 50 flisfyrede værker i Danmark mod tre i 1984 (Videncenter for Halm- og Flisfyring, 1999). Skovflis hidrører overvejende fra heltræhugst af unge træer og flisning af hugstaffald ved renafdrift. I forhold til den traditionelle skovdrift, hvor der alene fjernes stammeved, udtages der mere biomasse ved samtidig produktion af skovflis. Det kan have en negativ virkning på skovens næringsstofbalance, da den største del af biomassens næringsstoffer findes i grene, kviste og nåle. Heltræhugst forventes også at påvirke kulstofbalancen i jorden, da heltræhugst til flisning reducerer den mængde kulstof, der tilføres jordbunden. Da 14
produktion af skovflis forventes at udgøre det største biomasseudtag til energiformål, fokuseres i nærværende projekt på denne del af biomasseudtaget fra skov. Formålet har således været at belyse, om der er større mængder kulstof lagret i skovjord end i landbrugsjord, og om intensiveret udtag af biomasse til energiformål reducerer skovjordens kulstoflager. Kulstofmængderne i samhørende skov- og landbrugsjorde og de mulige langsigtede effekter af skovrejsning på jordbundens kulstoflager er undersøgt i parvise jordprofiler i skov- og landbrug. Intensiveret udnyttelse af biomasse til energiformål er undersøgt i tidligere anlagte feltforsøg og ved hjælp af modelsimuleringer. 4.2 Materialer og metoder 4.2.1 Kulstoflageret i skov- og landbrugsjorde Der blev udvalgt 24 lokaliteter således, at de mest almindelige jordbundstyper og de fleste geografiske regioner i Danmark var repræsenteret. Lokaliteterne blev udvalgt på baggrund af gamle generalstabskort og skovkort samt oplysninger fra skovdistrikterne for at sikre, at der havde været hhv. skov og landbrug på lokaliteten i mindst 100 år. Såvel landbrugsdrift som træart varierede mellem lokaliteterne. På de mere næringsrige jorde dominerede bøg eller blandet løvskov, mens træarten overvejende var rødgran på de næringsfattige og sandede lokaliteter. Lokaliteterne var veldrænede (uden tørvedannelse), havde sammenligneligt udgangsmateriale og samme dræningsklasse. Dette blev forlods undersøgt med jordspyd. På hver lokalitet blev der gravet en jordbundsprofil til mindst 1,1 m dybde indenfor og udenfor skovgærdet. Afstanden til skovgærde var i begge tilfælde mindre end 100 m. Sammen med disse jordbundsdata inddrager undersøgelsen data fra tilsvarende parvise undersøgelser af 4 lokaliteter udført af Rasmussen & Petersen (1987). Lokaliteternes geografiske placering er vist i Figur 4.1. Efter visuel beskrivelse af profilernes horisonter blev der fra hver horisont udtaget prøver til volumenvægt samt til kulstofanalyse. O-horisonten blev i hver skovbevoksning indsamlet fra fem 25x25 cm felter for at bestemme den arealbaserede mængde af kulstof. Mineraljordsprøverne blev sigtet igennem en 2 mm sigte, og fraktionen <2 mm analyseret for kulstof på en Leco CSN Analyzer. O-horisonten blev vejet efter at evt. mos og rødder var sorteret fra. Derefter blev prøverne formalet inden analyse af kulstofindholdet. For mineraljorden blev kulstofmængden (SOC) i hver horisont beregnet ved hjælp af nedenstående udtryk SOC i = ρ i (1 (δ i, 2mm /100)) d i C i hvor ρ i er volumenvægten for < 2mm fraktionen i g/cm 3, δ i, 2mm er det relative rumfang af fraktionen > 2mm (%), d i er tykkelsen af horisonten i i cm og C i er C koncentrationen for horisonten i. Kulstofmængden til dybden 1 m blev beregnet ved at summere indholdet i de forskellige horisonter. 15
For at kunne sammenligne arealanvendelsens betydning på forskellige jordbundstyper, blev jordbunden karakteriseret på to måder. Dels blev jordbundsprofilerne klassificeret efter USDA Soil Taxonomy (Soil Survey Staff, 1992), og dels efter deres tekstur i 50-100 cm dybde efter retningslinierne i Tabel 4.1. Tabel 4.1. De anvendte teksturklasser ved klassificering af jordene. Teksturklasse Partikelstørrelse Fine jorde Alle jorde med >10% ler Fine jorde med kalk* >10% ler og frit CaCO 3 indenfor 1 m dybde Middelfine jorde <5% ler og (>5% finsilt eller >50% grovsilt + finsand) eller 5-10% ler Grove jorde Mere grov end ovenstående *Separat undergruppe af fine jorde Der blev lavet en separat undergruppe af de fine jorde indeholdende CaCO 3, for at se, om effekten af arealanvendelse var anderledes for denne jordtype. Kulstofmængderne ved de to arealanvendelser blev først analyseret ved tosidet variansanalyse med klassevariablerne arealanvendelse og jordbundstype. Forskellen på jordens kulstofmængde i land- og skovbrug blev derefter analyseret ved parvis t-test i proceduren MEANS i SAS. Herved belyses om forskellen i kulstofmængde for hvert profilpar er signifikant forskellig fra 0. Analysen blev både foretaget på alle profilpar (n=28) og indenfor de forskellige jordbundstyper. Figur 4.1. De 28 lokaliteter, hvor der er gravet parvise jordbundsprofiler i skov og mark. Jordbundstypen er vist ifølge Soil Taxonomy (Soil Survey Staff, 1992). 16
4.2.2 Indflydelse af intensiveret biomasseudnyttelse på jordens kulstoflager Eksisterende langsigtede forsøg blev gennemgået for at se, om forsøg oprindeligt anlagt med et andet formål kunne anvendes i nærværende sammenhæng. To kulturforsøg i hedeplantager blev identificeret. Forsøgene var blevet etableret i Harreskov og Hastrup plantager i Midtjylland i henholdsvis 1971 og 1974 for at undersøge, hvordan forskellige kulturmetoder påvirker tilvæksten i rødgran. Forsøgene blev anlagt på ikke-stødryddede arealer efter renafdrift af rødgran. Der blev ikke foretaget jordbearbejdning i de undersøgte parceller, og behandlingen var enten ingen eller total kvasrydning med 8 gentagelser på hver lokalitet. I parceller med ingen kvasrydning blev kvaset spredt jævnt ud på arealet. Behandlingen med total kvasrydning svarer til grønflisning, dvs. hvor hele træer inkl. grønne nåle fjernes fra bevoksningen. Denne behandling er en smule mere ekstrem end almindelig praksis, hvor der ofte kun flises træer fra de tidlige tyndinger. Ved renafdrift kan al kvaset dog blive fliset og stammerne anvendt som gavntræ. Der blev imidlertid ikke identificeret feltforsøg, der svarede til aktuel flisningspraksis. De her anvendte feltforsøg vil dog sandsynliggøre, om den almindelige praksis har betydning for jordens kulstoflager. De to hedeplantager er typiske repræsentanter for sandjordslokaliteter, hvor der kan være økonomisk fordel ved flisning af mindre dimensioneret nåletræ. Kulstoflageret i skovjorden blev i 1999 målt ved parcelvis udtagning af tre prøver fra O-horisonten og tre boreprøver fra mineraljorden (0-30 cm). Træernes tilvækst er baseret på træernes højde og diameter i brysthøjde. De langsigtede effekter af intensiveret biomassudnyttelse blev simuleret ved hjælp af den dynamiske model CO2Fix version 2.0 (Nabuurs et al., 2001; Masera et al., 2001). CO2Fix er udviklet i forbindelse med EU-forskningsprojektet CASFOR, og er primært konstrueret til at beskrive kulstoflagringen ved skovrejsning. Modellen beregner kulstoflagre og -fluxe i træer, skovjord og høstede træprodukter. Modellen er relativt enkel og der er begrænset mulighed for at justere på parametrene. Modellen kræver data for tilvækst i stammebiomasse og for fordelingen af hugst på kvas og produkter, der fjernes fra skoven. Der er også mulighed for at bestemme hvornår og hvor meget af bevoksningen der fjernes ved tyndinger. Derudover ansættes værdier for kulstofpuljernes størrelse ved simuleringens start, og der indtastes værdier for en række parametre, der bestemmer omsætningshastigheden for det organiske stof. Udviklingen i jordens kulstofindhold er simuleret over 4 omdrifter à 70 år med rødgran. Den valgte tilvækst svarer til produktionsklasse 12 (bonitet 3), hvilket er en god rødgranbonitet i hedeplantage. Der foretages 6 tyndinger i hver omdrift baseret på en relativ træafstand på 0.22. Tre forskellige scenarier blev simuleret: 1) konventionel stammehugst, hvor alt kvas efterlades i skoven, 2) heltræhugst til flis i de fire første tyndinger efterfulgt af konventionel stammehugst i de to sidste tyndinger og ved afsluttende renafdrift 3) heltræhugst til flis i samtlige tyndinger og ved afsluttende renafdrift 17
Mens scenarie 1 svarer til traditionel drift før flisning blev almindeligt udbredt, er scenarie 2 mere repræsentativ for den aktuelle praksis i hedeplantager, hvor der ikke er økonomi i at lave andre produkter i forbindelse med de første tyndinger. Scenarie 3 er medtaget som en ekstrem behandling. Under danske forhold lades træerne ofte ligge sommeren over for at de fleste nåle kan falde af og dermed efterlades i skoven. Det er dog ikke muligt at adskille nåle fra kvas i den aktuelle version af CO2Fix, så alle scenarier simulerer forhold der er mere ekstreme end aktuel praksis med sommertørring. Nålefraktionen er dog langt mere betydningsfuld for næringsstofbalancen end for kulstofbalancen, da nålene kun udgør en mindre del af kvaset. Jordens kulstofindhold, som her er summen af indholdet i skovbund og mineraljord, er fra starten ansat til 140 tons C pr. ha, hvilket er typisk for mange hedeplantager med langsom omsætning i O-horisonten. 4.3 Resultater og diskussion 4.3.1 Kulstoflageret i skov- og landbrugsjorde Forskellen i jordens kulstofmængde for de enkelte profilpar fremgår af Tabel 4.2. Tabel 4.2. Forskel i kulstofmængder, ( C, kg m -2 ) mellem parvise landbrugs- og skovprofiler til 1 m dybde. En positiv værdi betyder mere kulstof i skovjorde end i landbrugsjord. Lokaliteternes geografiske placering er vist i Figur 4.1. Lokalitet Træart Jordtype C 0-15 cm C 0-30 cm C 0-50 cm C 0-100 cm C 0-100 + O hor. Christianssæde Bøg Fin, kalk 1,66 2,77 3,49 4,68 5,52 Holsteinborg Bøg Fin, kalk -0,69-1,38 0,07 0,62 1,65 Ledøje Blandet løvtræ Fin, kalk -1,19-0,48 1,18-1,35-0,90 Suserup Blandet løvtræ Fin, kalk -0,51-1,64-1,36-1,58-1,13 Sønderskov Blandet løvtræ Fin, kalk 2,22 5,14 6,22 7,68 8,12 Askov Bøg Fin 2,04 3,92 6,18 7,60 9,97 Barritskov Bøg Fin 2,12 1,69 1,94 1,74 2,17 Jels Blandet løvtræ Fin -0,17-0,60-0,93-1,19 0,36 Løvbakke Eg Fin -2,32-3,87-3,91-3,93-0,96 Stokkebjerg Lind Fin 1,15-0,89-0,81-0,71-0,32 Brahetrolleborg Blandet løv- og nåletræ Middel 1,84 0,89 0,87 1,82 3,07 Buderupholm Blandet løvtræ Middel -0,61 1,01 2,65 5,15 6,91 Dronninglund Bøg Middel -1,37-1,82-0,78 0,78 2,31 Løvenholm Bøg Middel -1,93-3,70-2,88-2,14-0,06 Sjørup Rødgran Middel -1,41-3,50-4,08-3,83-1,07 Stenholt Vang Bøg Middel 0,73-0,64 0,11 0,54 1,13 Strødam Bøg Middel -1,78-4,97-8,36-9,19-8,70 Tisted Nørskov Blandet løvtræ Middel 0,82 0,07-2,38-2,61-1,95 Torstedlund Bøg Middel 0,69-0,61-0,81-0,81 0,44 Baldersbæk Rødgran Grov -1,27-6,96-6,93-6,37-0,06 Grindsted Rødgran Grov -1,19-1,95-2,94-2,50 1,11 Hoverdal Sitkagran Grov -0,78-3,18-3,45-3,70 0,66 Klosterheden Rødgran Grov 1,30 1,49 3,47 3,49 6,79 Kompedal Rødgran Grov -0,12 1,06 2,74 3,32 8,52 Lundbæk Rødgran Grov 0,40 0,47 1,27 0,55 4,06 Nørbæk Rødgran Grov 3,30 2,42 2,80 3,03 6,96 Nørlund Rødgran Grov -2,98-0,75-4,14-3,96 3,63 Starup Rødgran Grov 1,09 2,50 1,38 1,49 4,43 18
Jordens gennemsnitlige kulstofmængder ved de to arealanvendelser er i Tabel 4.3 vist for alle 28 profilpar og for de forskellige grupper af jordtyper. Figur 4.2 viser forskellen i kulstofindhold for de forskellige dybdeintervaller. For alle 28 profilpar var der ingen statistisk sikre forskelle mellem skov- og landbrugsjordes kulstofmængde i mineraljorden, dvs. til dybderne 15, 30, 50 og 100 cm (Figur 4.2). For begge arealanvendelser var der ca. 108 t C/ha bundet i mineraljorden til 100 cm dybde, og der var kun 0,5 t C mere per ha i skovjord (Tabel 4.3). Når O-horisonten i skoven blev inkluderet i analysen til 100 cm dybde, var der mere kulstof bundet i skovjordene end i landbrugsjordene (difference 22,9 t C/ha, p < 0.01). Tabel 4.3. Kulstofmængde (t C/ha) i landbrugs- og skovprofiler til 1 m dybde for forskellige jordtyper og samtlige undersøgte profilpar. Spredningen på middelværdier er angivet i parentes. Forskellige bogstaver indenfor en jordbundstype angiver statistisk sikker forskel. Skovbrug Landbrug Jordbundstype n 0-100 cm 0-100 cm + O horisont 0-100 cm Alfisol 8 114,5 (10,7)a 123,2 (11,3)a 99,4 (9,1)a Inceptisol 9 104,2 (8,1)a 127,4 (9,9)a 117,4 (10,9)a Spodosol 11 107,1 (9,9)b 148,2 (12,4)a 114,2 (10,5)b Fin med og uden kalk 10 104,0 (11,5)b 115,0 (11,2)a 90,5 (4,8)b Fin med kalk 5 117,9 (14,5)a 124,3 (14,0)a 97,8 (8,3)a Middel 9 106,6 (6,1)a 120,3 (7,8)a 118,0 (10,9)a Grov 9 114,7 (9,9)b 160,0 (11,7)a 119,9 (12,0)b Alle jorde 28 108,8 (5,9)b 131,2 (7,0)a 108,3 (5,4)b For at undersøge om resultatet gælder generelt for danske jordbundstyper, blev tilsvarende analyser udført efter, at jordene var opdelt i klasser i henhold til tekstur (4 klasser) eller Soil Taxonomy (3 klasser i Tabel 4.3). I analysen af den kombinerede effekt af jordbundstype og arealanvendelse var der signifikant effekt af teksturklasserne (p=0,002), mens der ikke var signifikant effekt af jordtype ifølge Soil Taxonomy (p=0,13). Jorde med lavt lerindhold havde generelt højere kulstofmængder end jorde med højt lerindhold. Der var ingen statistisk sikker vekselvirkning med arealanvendelsen, hvorfor forskellen mellem skov- og landbrugsjordes kulstofindhold må anses for generel. Der var dog tendens til, at effekten af arealanvendelse var størst på de sandede jorde og Spodosols (podsol-jorde med al-lag, Figur 4.2). Disse jordtyper findes primært i Vestjylland. Der var alene forskel mellem skov- og landbrug, når O-horisonten indgik i analysen (Spodosols difference 34,0 t C /ha, sandede jorde difference 40,1 t C/ha). Blandt lerrige eller intermediære jorde var der ingen statistisk sikker forskel mellem jordenes kulstofindhold. Der var dog for jorde med fin tekstur en tendens (0,05<p<0,10) til højere kulstofindhold i skovjorde (difference ca. 24,5 t C/ha). 19
60 Alfisols (n=8) Inceptisols (n=9) Spodosols (n=11) Alle jorde (n=28) Skov-land, t C/ha 40 20 0-20 -40 15 30 50 100 100+ 15 30 50 100 100+ 15 30 50 100 100+ 15 30 50 100 100+ Skov-land, t C/ha 60 40 20 0-20 Fin tekstur med og uden kalk (n=10) Fin tekstur m. kalk (n= 5) Medium tekstur (n= 9) Grov tekstur (n=9) -40 15 30 50 100 100+ 15 30 50 100 100+ 15 30 50 100 100+ 15 30 50 100 100+ Figur 4.2. Forskel i kulstofmængder mellem skov- og landbrugsjord (skov-land) for alle 28 profilpar og for forskellige jordtyper. Dybderne er 0-15, 0-30, 0-50 og 0-100 cm for mineraljorden, samt 0-100 cm plus O- horisont for skovjord (100+). Positiv forskel betyder mere kulstof i skov- end i landbrugsjord. Signifikant forskel (p<0,05) er angivet med, mens angiver statistisk mindre sikre forskelle (p<0,10). Spredningen på den gennemsnitlige difference er angivet. Ovennævnte mønster skyldes sandsynligvis, at O-horisonten er langt større på sandede næringsfattige skovjorde end på østdanske, mere lerede jorde. På de lerede jorde findes en større aktivitet af jordbundsfauna som regnorme, der trækker døde blade ned i mineraljorden. Det kan være årsagen til, at der på de næringsrige jorde er tendens til højere kulstofmængder til 50 og 100 cm dybde i skovjorden (difference 10-15 t C/ha, Figur 4.2). Forskellen mellem jordtyperne er dog også i nogen grad et resultat af, at der er nåletræ på de sandede jorde og løvtræ på de mere lerrige jorde. Nåletræernes strø er mere svært nedbrydeligt, og der opbygges derfor en større O-horisont end under løvtræerne (Vesterdal & Raulund-Rasmussen, 1998). Der var tilsyneladende en lidt større kulstofmængde i fint teksturerede jorde med kalk (Tabel 4.3), hvilket må tilskrives kulstofindholdet i kalken. Forskellen mellem skov- og landbrugsjorde var af samme størrelse for alle de fint teksturerede jorde og undergruppen af fine jorde med kalk. Der var dog ikke statistisk sikker effekt af arealanvendelsen på C-indholdet indenfor den lille undergruppe af fine jorde med kalk (Figur 4.2). Resultaterne viser i overensstemmelse med flere udenlandske undersøgelser, at der såfremt O- horisonten medregnes er mindre kulstof i landbrugsjorde end i skovjorde (Davidson & Ackerman, 1993; Ellert & Gregorich, 1996; Rodriguez-Murillo, 2001). Det er imidlertid 20
bemærkelsesværdigt, at mineraljordenes kulstofindhold i de to arealanvendelser er stort set ens. Ellert & Gregorich (1996) fandt dog også ubetydelige forskelle i kulstoflagring under ca. 35 cm dybde i mineraljorden, mens Carter et al. (1998) i podsoljorde fandt lavere kulstofmængder i de øverste 25 cm af mineraljorden under landbrug end i skov. Leth og Breuning- Madsen (1992) sammenlignede på en enkelt dansk lokalitet jordbundsudviklingen på podsoleret landbrugsjord og i 14-76 år gamle rødgranbevoksninger plantet på tidligere landbrugsjord. Der fandtes tydeligt højere kulstofindhold i skovjordene som følge af udviklingen af en O-horisont med ca. 38 t C/ha. Forskellen mellem sandede og podsolerede skovog landbrugsjorde i nærværende undersøgelse var 37-40 t C/ha (Figur 4.2). Leth og Breuning- Madsen (1992) fandt heller ikke generelt større mængder kulstof i mineraljorden under skov. Dog havde den ældste skovbevoksning (76 år) mere kulstof i mineraljorden end landbrugsjorden. I den aktuelle undersøgelse hidrørte forskellen i kulstoflagring fra det organiske lag i O- horisonten under skov. O-horisonten er mere udsat for ændringer i driften, mens en stor del af mineraljordens kulstof er bundet i mere stabile organomineralske komplekser (Christensen, 2001). De danske skove er igennem århundreder blevet drevet og udnyttet forholdsvis intensivt sammenlignet med mange skove fx i Nordamerika, hvilket kan være en del af forklaringen på, at vi i Danmark finder mindre forskel i mineraljordens kulstoflager mellem skov og landbrug. En nærmere analyse af driftshistorien på de enkelte lokaliteter vil være nødvendig for yderligere at afklare dette forhold. Det kan konkluderes, at det samlede kulstoflager er større i skov- end i landbrugsjorde, selvom der for mineraljorden ikke var forskel mellem mængden af kulstof. Forskellen hidrørte alene fra tilstedeværelsen af et organisk lag (O-horisont) og betød, at der for samtlige undersøgte jordtyper var ca. 20% mere kulstof knyttet til skovjord. På de næringsfattige, sandede jorde var forskellen op mod 30%. O-horisontens kulstoflager påvirkes af ændringer i skovdriften og må anses for at være mere labilt end kulstof lagret i mineraljorden. 4.3.2 Indflydelse af intensiveret biomasseudnyttelse på jordens kulstoflager I de ca. 25 år gamle rødgranbevoksninger var der ophobet betydelige mængder kulstof i O- horisonten (Figur 4.3). I nåletræsbevoksninger, hvor livsbetingelserne for nedbryderorganismerne ofte er dårlige, opbygges et tykt organisk lag, og på de næringsfattige sandjorde er dette forhold særlig udpræget. I Hastrup Plantage var kulstofmængden på ca. 45 t/ha i O- horisonten (Figur 4.3), og her var der ingen forskel mellem behandlingen med og uden kvas. I Harreskov Plantage var kulstofindholdet af samme størrelsesorden, men her var der en klar effekt af kvasbehandlingen. Således var kulstofindholdet på 32 t/ha, hvor kvaset var fjernet inden kulturstart, mens kulstofindholdet var 49 t/ha, hvor kvaset var efterladt før tilplantning. Dette svarer til et fald på 35% i O-horisontens kulstofpulje som følge af kvasfjernelsen. 21
60 50 Harreskov Plantage, p<0,001 Hastrup Plantage, NS K u l s t o f, t / h a 40 30 20 10 0 H e l t ræ h u g s t S t a m me hu gs t Figur 4.3. Kulstofindhold i O-horisont i parceller med forskellig biomasseudtag på to lokaliteter. Der er statistisk sikker forskel mellem behandlingerne i Harreskov Plantage, men ingen sikker forskel (ns) i Hastrup Plantage. Spredningen for det gennemsnitlige kulstofindhold er angivet (n=8). 40 30 Harreskov Plantage 0-5 cm 5-15 cm 15-30 cm Hastrup Plantage Kulstof, t/ha 20 10 0 Heltr æ hugst Stammehugst Heltræhugst Stammehugst Figur 4.4. Kulstofindhold i den øverste del af mineraljorden i parceller med forskelligt udtag af biomasse på to lokaliteter. Spredningen for det gennemsnitlige kulstofindhold er angivet (n=8). Mineraljordens kulstofindhold i laget 0-30 cm var i Hastrup Plantage på 53 t C/ha og i Harreskov Plantage 73 t C/ha. På begge lokaliteter var der imidlertid ikke effekt af kvashåndtering i mineraljordslagene (Figur 4.4). En del af det organiske stof nedbrydes, mens det ligger på jordoverfladen, men en del kan transporteres videre ned i mineraljorden, dels ved faunaens graveaktivitet og dels i opløst form. En reduktion i mængden af tilført materiale til skovbunden forventes at føre til en reduktion i transporten af organisk materiale til mineraljorden, med deraf følgende lavere indhold af organisk stof i mineraljorden. Resultaterne fra de to plantager tyder dog ikke på, at kvasfjernelse ved etablering påvirker mineraljordens indhold af kulstof indenfor de første ca. 25 år efter gentilplantning. 22
For Harreskov Plantage kan det anslås, at der for 25 år siden blev fjernet ca. 18 t C/ha i form af kvas. Forskellen imellem O-horisonternes kulstofmængder (17 t C/ha) er af samme størrelse. Imidlertid vil en stor del af det efterladte kvas i parcellerne med stammehugst være nedbrudt i dag. Der var ingen effekt af heltræhugst i Hastrup Plantage, hvor forskellen i biomasseudtag kan anslås til at være næsten dobbelt så stor som i Harreskov Plantage. Disse observationer antyder, at det ikke er håndteringen af kvaset, der er den direkte årsag til forskellen i kulstoflagring i Harreskov Plantage. I stedet kan forskellen tilskrives heltræhugstens indirekte effekt på tilvæksten af næste generation af træer. Det er muligt, at intensiveret biomasseudtag også kan mindske jordens kulstoflager som følge af nedsat biomasseproduktion (Harmon et al., 1990). En undersøgelse af tilvæksten i de to behandlinger viste, at der i Harreskov Plantage var mindre tilvækst i parceller med heltræhugst, mens der ingen forskel var på tilvæksten i Hastrup Plantage (Figur 4.5). 70 60 Harreskov Plantage Stammehugst Heltr æ hugst Hastrup Plantage Kulstof, t/ha 50 40 30 20 10 40 80 120 160 200 Stammemasse, m 3 /ha 40 80 120 160 200 Stammemasse m 3 /ha Figur 4.5. Sammenhæng mellem træernes vækst og kulstofmængden i O-horisonten i Harreskov Plantage og Hastrup Plantage. Nedsat tilvækst på grund af større eksport af næringsstoffer ved heltræhugst end ved stammehugst er i andre projekter vurderet som en reel risiko på de næringsfattige skovjorde vest for israndslinien (Vejre, 1995). Nedsat tilvækst betyder, at de plantede træer er relativt længere tid om at slutte sammen og længere tid om at kaste nåle og kviste på jorden. Lavere tilvækst giver sig også udslag i mindre tilførsel af døde nåle, kviste og rødder i t/ha/år (Holstener- Jørgensen et al., 1979; Pedersen & Bille-Hansen, 1999). Det fremgår også af Figur 4.5, at der i Harreskov Plantage var en positiv sammenhæng imellem træernes vækst i de enkelte parceller og mængden af kulstof i O-horisonten. Det er derfor nærliggende, at det organiske lags kulstofmængde er reduceret som følge af reduceret tilvækst i parceller med kvasfjernelse, men årsagen til forskellen i behandlingseffekt på de to lokaliteter kan ikke på det foreliggende grundlag klarlægges. Der findes ikke tidligere danske undersøgelser af effekter på jordbundens kulstofpulje af forøget biomasseudtag. Tabel 4.4 viser en oversigt over svenske og nordamerikanske 23