Home About Browse Search
Svenska


Strategic nitrogen management in stockless organic cropping systems

redistribution of residual biomass for improved energy and nitrogen balance

Råberg, Tora (2017). Strategic nitrogen management in stockless organic cropping systems. Diss. (sammanfattning/summary) Alnarp : Sveriges lantbruksuniv., Acta Universitatis agriculturae Sueciae, 1652-6880 ; 2017:102
ISBN 978-91-7760-094-7
eISBN 978-91-7760-095-4
[Doctoral thesis]

[img]
Preview
PDF
3MB

Abstract

Agriculture faces the challenge of producing high yields to feed a growing world population, while simultaneously addressing environmental problems such as eutrophication, emissions of greenhouse gases, loss of biodiversity and soil degradation. Organic farming can be part of the solution, as it promotes biodiversity, uses less energy for fertiliser production and often has higher inputs of organic matter to soil than conventional farming. However, yields are often lower, partly due to asynchrony in mineralisation of organic nitrogen (N) and crop acquisition. Growing legumes for protein production and input of biological N2 fixation to supply the cropping system with N is a common practice on organic farms. The addition of reactive N to the agroecosystem via legumes may, just as with synthetic fertilisers, lead to N surpluses and environmentally harmful N losses. It is therefore important to improve N cycling within agricultural cropping systems.
This thesis assessed the effects of strategic redistribution of residual biomass on productivity, crop quality, N balance, N and carbon (C) turnover, eutrophication potential and global warming potential in a stockless organic cropping system. A field experiment was established to test three strategies for recirculating N in residual biomass within a six-year crop rotation; 1) leaving crop residues in situ at harvest (IS), 2) biomass redistribution as silage to non-legume crops (BR) or 3) anaerobic digestion of the silage before redistribution (AD). A soil incubation experiment in a controlled environment was also performed, to measure mineralisation of N, soil respiration and greenhouse gas emissions from incorporation of fresh and anaerobically digested grass clover ley. Moreover, energy balance, greenhouse gas emissions and eutrophication potential in BR and AD were compared with those in IS in a life cycle assessment (LCA). Results from the field experiment showed that the BR and AD strategies maintained the same yields as IS, but resulted in higher N2 fixation in the legumes and consequently a more positive N balance. The soil incubation experiment showed that total C losses during 90 days after soil application of ley were higher than from digested ley. A major energy gain was achieved in AD, and a decrease in global warming potential compared to BR. There was a reduction in eutrophication potential with the strategic redistribution of silage and digestate (BR and AD), compared with IS. In conclusion these results show that strategic redistribution of biomass-based digestate can improve the N balance of crop rotations and produce a surplus of bioenergy, which are key elements for enhancing the sustainability of stockless organic cropping systems.

Authors/Creators:Råberg, Tora
Title:Strategic nitrogen management in stockless organic cropping systems
Subtitle:redistribution of residual biomass for improved energy and nitrogen balance
Alternative abstract:
LanguageAbstract
Swedish

Jordbruket står inför utmaningen att föda en växande världsbefolkning samtidigt som det behöver göras åtgärder för att minska relaterade miljöproblem som övergödning, utsläpp av växthusgaser, förlust av biologisk mångfald och markförstöring. Ekologiskt jordbruk kan vara en del av lösningen eftersom dess produktionsmetoder främjar biologisk mångfald, använder mindre energi för gödselproduktion och medför högre tillförsel av organiskt material till mark än konventionellt jordbruk. Skördarna är emellertid ofta lägre i ekologisk produktion jämfört med konventionell, vilket delvis beror på att mineralisering av organiskt kväve inte sker samtidigt som grödornas upptag. Odling av baljväxter för proteinproduktion och biologisk kvävefixering är vanligt vid ekologiska gårdar, men tillsatsen av reaktivt kväve via baljväxter kan, liksom vid användning av handelsgödsel, leda till kväveöverskott och miljöskadliga kväveförluster. Det är därför viktigt att förbättra kvävecirkulering inom jordbrukets odlingssystem.
Den här avhandlingen innehåller en utvärdering av effekterna från strategisk omfördelning av restbiomassa i ett ekologiskt odlingssystem utan djur, med avseende på grödornas produktivitet och kvalitet, kvävebalans, kväve och kolomsättning, utlakningsrisk och global uppvärmningspotential. Tre strategier för recirkulering av kväve i restbiomassa testades via ett fältförsök baserat på en sexårig växtföljd; 1) skörderester lämnas in situ vid skörd (IS), 2) omfördelning av ensilerade skörderester till andra grödor än baljväxter (BR) eller 3) anaerob rötning av ensilaget före omfördelningen (AD). Mineralisering av kväve, jordrespiration och växthusgasutsläpp undersöktes efter att färsk och anaerobt nedbruten vall blandats med jord i ett laboratorieförsök. Energibalans, växthusgasutsläpp och eutrofieringspotential i de olika strategierna för hantering av restbiomassa jämfördes i en livscykelanalys.
Resultaten visade att BR- och AD-strategierna gav samma skörd som IS i fältförsöket, men resulterade i högre kvävefixering och en mer positiv kvävebalans. Totala C-förluster i laboratorieexperimentet under 90 dagar efter inblandningen av vall i jord var högre än från den iblandade rötresten. Livscykelanalysen visade på en stor energiförbättring och minskning av den globala uppvärmningspotentialen i AD jämfört med BR. Utlakningsrisken minskade med den strategiska omfördelningen av ensilage och rötrest (BR och AD) jämfört med IS.
Slutsatsen var att strategisk omfördelning av rötrest baserad på odlingssystemets restbiomassa kan förbättra kvävebalansen och producera ett överskott av bioenergi, vilka båda är viktiga faktorer för att förbättra hållbarheten i djurlösa ekologiska odlingssystem.

Series/Journal:Acta Universitatis agriculturae Sueciae (1652-6880)
Year of publishing :3 November 2017
Depositing date:3 November 2017
Volume:2017:102
Number of Pages:79
Papers/manuscripts:
NumberReferences
IRåberg, T., Carlsson, G. and Jensen, E.S. (2017). Productivity in an arable and stockless organic cropping system may be enhanced by strategic recycling of biomass. Renewable Agriculture and Food Systems. Doi: 10.1017/S1742170517000242.
IIRåberg, T., Carlsson, G. and Jensen, E.S. (2017). More efficient use of nitrogen by internal recycling of residual biomass within a stockless organic cropping system? Nutrient Cycling in Agroecosystems (submitted).
IIIRåberg, T., Ernfors, M., Kreuger, E. and Jensen, E.S. Carbon and nitrogen dynamics after addition of anaerobically digested and undigested ley to soil (manuscript)
Place of Publication:Alnarp
Publisher:Department of Biosystems and Technology, Swedish University of Agricultural Sciences.
ISBN for printed version:978-91-7760-094-7
ISBN for electronic version:978-91-7760-095-4
ISSN:1652-6880
Language:English
Additional Information:Project title at application to Formas: Integrating renewable energy production and strategic nutrient management in stockless organic cropping systems
Publication Type:Doctoral thesis
Full Text Status:Public
Agris subject categories.:F Plant production > F04 Fertilizing
F Plant production > F08 Cropping patterns and systems
F Plant production > F62 Plant physiology - Growth and development
Subjects:(A) Swedish standard research categories 2011 > 4 Agricultural Sciences > 401 Agricultural, Forestry and Fisheries > Agricultural Science
(A) Swedish standard research categories 2011 > 4 Agricultural Sciences > 401 Agricultural, Forestry and Fisheries > Horticulture
Agrovoc terms:bioenergy, biomass, crop rotation, green manures, life cycle analysis, nitrogen cycle, organic agriculture
Keywords:bioenergy, biomass management, crop rotation, ecological intensification, green manure, life cycle assessment, nitrogen cycling, organic agriculture, soil incubation, stockless cropping systems
URN:NBN:urn:nbn:se:slu:epsilon-e-4452
Permanent URL:
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-e-4452
ID Code:14690
Faculty:LTJ - Faculty of Landscape Planning, Horticulture and Agricultural Science (until 2013)
LTV - Fakulteten för landskapsarkitektur, trädgårds- och växtproduktionsvetenskap
Department:(LTJ, LTV) > Agrosystems (until 121231)
(LTJ, LTV) > Department of Biosystems and Technology (from 130101)
(VH) > Department of Biosystems and Technology (from 130101)
External funders:FORMAS
Deposited By: Forsknings Tora Råberg
Deposited On:06 Nov 2017 10:05
Metadata Last Modified:07 Nov 2017 09:15

Repository Staff Only: item control page

Downloads

Downloads per year (since September 2012)

View more statistics

Downloads
Hits