Ecosystems in the Anthropocene: the role of cropland management for carbon and nitrogen cycle processes

Abstract

Through deforestation and conversion of natural ecosystems to croplands and pastures, have humans released vast amounts of carbon (C) dioxide (CO2) into the atmosphere.

Roughly one third of the cumulative anthropogenic emissions until today stem from these practices, the remainder being mostly due to fossil fuel combustion.

The extra CO2 has caused an increase in global air temperature, and both the enhanced CO2 as well as the enhanced temperatures can trigger feedbacks by affecting the C cycle in terrestrial ecosystems.

Warmer temperatures stimulate decomposition of soil organic matter, such that C stored in soils will be released - thus causing a positive feedback to CO2 and climate.

Increased \CO2 stimulates photosynthesis in plants, which fosters CO2 uptake and causing negative feedback to CO2 and climate.

While under present-day conditions the land ecosystems take up more CO2 than they release, it is not yet known whether this uptake will persist also in the future since many relevant processes are not yet fully understood.

The continuation of this sink is of societal importance: land management for C has become one of the widely discussed climate change mitigation options (e.g., growth of bio-energy, afforestation), while climate change affects societies in manifold ways, ranging from food production, to rising sea levels.



Humans have changed the global nitrogen (N) cycle to a similar degree as the global C cycle.

Nitrogen is the chief nutrient for photosynthesis and growth of plants.

By using fertilisers, especially in the form of mineral N, the input of N to ecosystems has increased drastically over the last 100 years.

While this has led to increased crop yields in many parts of the world, the large application of N also had negative effects.

Enhanced ecosystem N levels often affect species composition and thus biodiversity on land, and also lead to N leakage which causes algal blooms downstream of agricultural regions.

Human activities have also altered the natural N cycle through combustion of fossil fuels, which release nitrous oxides to the atmosphere which are subsequently deposited to land and ocean through rainfall.



How the future C and N cycles interact with climate is an important question for managing land sustainably from a production, pollution and climate mitigation perspective.

In order to examine and better understand these interactions, global ecosystem models are used, tools that simulate how functioning of natural ecosystems and croplands might change in response to global environmental changes.

In this thesis, the development of the land-use change version of the global ecosystem model LPJ-GUESS, will be described, with special focus on the C-N interactions on croplands.

LPJ-GUESS is applied , focussing in particular on the interactions of the environment and human land use with crop productivity and the C cycle, including a number of different climate change mitigation strategies on croplands.

It was shown that global cropland soils can be managed from a C sequestration perspective without risking large yield losses and at the same time reduce N leaching, if the management is adapted locally.

However, these effects were minor, compared to C losses from deforestation and fossil fuel combustion. Overall, the thesis demonstrates a way forward to explore a number of ecosystem services and their spatial and temporal variation, and how state-of-the-art ecosystem models can be adopted to increasingly address questions that bridge between the natural and socio-economic domain.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Människan har märkbart ändrat Jordens ekosystem och dess funktioner.

Genom avskogning och konvertering av naturliga ekosystem till åkrar och betesmarker så har människor skapat helt nya typer av ekosystem.

Cirka en tredjedel av den koldioxid (CO2) som människor har släppt ut i atmosfären, kommer från dessa aktiviteter, resten beror till största delen på utsläpp från förbränning av fossila bränslen och cementtillverkning.

Den ökade mängden CO2 i atmosfären har lett till en ökning av lufttemperaturen, globalt.

Denna ökning i temperatur, kan få som följd att mer CO2 släpps ut, då en ökad temperatur stimulerar nedbrytning av organiska material.

Vilket, i sin tur leder till en ökad temperatur, och det finns en risk för att vi hamnar i en negativ spiral.

En annan effekt av den ökade mängden CO2 i atmosfären, är att växternas fotosyntes stimuleras, vilket leder till att mer kol tas upp av vegetationen.

Detta har skett under 1900-talet, men om vegetationen (och för den delen också världshaven som har tagit upp ungefär lika mycket som markvegetation) kommer att fortsätta ta upp lika också i framtiden, är en öppen fråga och av största vikt för mänskligheten.

Dels för att den kan vara avgörande för vilka delar av Jorden som kommer att vara beboeliga (varmare klimat kommer till exempel att leda till högre havsnivåer, vilket kommer att få kustnära områden att svämma över) i framtiden, samt var och vad vi kan odla på våra åkrar.



Lika mycket som mänskligheten har förändrat kolcykeln, har vi också påverkat kvävecykeln.

Kväve är det näringsämne som globalt begränsar växters fotosyntes och tillväxt mest, detta trots att atmosfären till största delen består av just kväve (kvävgas, N2).

Växter kan inte ta upp N2, utan upptag av kväve sker hos en del växter genom symbios med kvävefixerande bakterier.

Detta har människor utnyttjat inom jordbruket genom att använda växter som lever i sådan symbios, till exempel ärtväxter.

Ett annat sätt har varit att använda sig av gödsel från boskap.

Under början av 1900-talet så lyckades man med att industriellt skapa kvävegödsel, detta har lett till att användningen av kväve inom jordbruket har ökat närmast explosionsartat.

Den ökade mängden kväve inom jordbruket (tillsammans med andra faktorer) har gjort att mängden mat som produceras på våra åkrar har ökat markant under den senare delen av 1900-talet, men den har också lett till negativa effekter, till exempel övergödning av sjöar och kustnära vatten som ligger nedströms intensiva jordbrukslandskap.

Ett annat sätt, på vilket vi har påverkat den global kvävecykeln är genom förbränning av fossila bränslen i ugnar och motorer.

Under förbränningen bildas kväveoxider från luftens N2.

Dessa kväveoxider hamnar i atmosfären, och en del av dem kommer tillbaka till markytan i form av regn, vilket leder till att även områden som ligger långt från mänsklig bebyggelse påverkas.

Den ökade mängden kväve som kommer från nedfallet, kan ändra produktiviteten och funktionen i dessa ekosystem.



För att bättre förstå, och för att kunna finna lösningar som kan hjälpa samhällen att ta beslut i framtiden, används bland annat globala ekosystemmodeller.

Dessa modeller är verktyg som kan användas för att simulera hur ekosystem (skogar eller åkrar), fungerar.

De används också för att kunna förutspå hur dessa system kan komma att ändras när klimatet och mängden CO2 i atmosfären ändras.

En sådan ekosystemmodell är LPJ-GUESS.

Med LPJ-GUESS kan man simulera hur förändringar i klimatet påverkar sammansättningen av arter i ett ekosystem, med den modellen kan vi också studera förändringar jordbruksproduktion.



I denna avhandling har vi använt LPJ-GUESS för att studera hur olika sätt att representera jordbruk i ekosystemmodeller, kan leda till helt olika resultat vad gäller kolcykeln.

Vi har också studerat hur olika typer av skötsel inom jordbruk som föreslagits som sätt att minska klimatpåverkan, påverkar mängden kol som kan lagras i jordbruksmarker, kväveläckage från jordbruk samt skördar.

Genom att studera dessa effekter, globalt och för klimatbaserade regioner, fann vi att det är stora skillnader i vilka åtgärder som passar bäst baserat på vilket klimat som råder där.

Vi fann också, att genom att välja den skötsel som gav högst kolinlagring i jordbruksmarken lokalt, så kunde mängden inlagrad kol maximeras, samtidigt som det inte skedde på en alltför stor bekostnad vad gäller skördar.

Denna typ av skötsel resulterade också i att det simulerade kväveläckaget minskade.

Men, vi fann också att tidigare uppskattningar av hur mycket kol som kan lagras i jordbruksmark genom förändringar i skötsel, mycket väl kan vara i överkant, men framförallt att dessa åtgärder inte kommer i närheten av den kolinlagringspotential som finns i att minska avskogningen eller att återplantera skogar.

• author: Olin, Stefan
• supervisor: Almut Arneth; Mats Lindeskog
• opponent: Sitch, Stephen, University of Exeter, United Kingdom
• organization: Dept of Physical Geography and Ecosystem Science; MERGE: ModElling the Regional and Global Earth system; BECC: Biodiversity and Ecosystem services in a Changing Climate
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Physical Geography
• keywords: Carbon, Nitrogen, DVM, Ecosystem modelling, Cropland, Management, Yields
• pages: 178 pages
• defense location: Världen auditorium, sölvegatan 12
• defense date: 2015-05-08 10:00:00
• ISBN: 978-91-85793-48-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 6f1138fa-a4f6-4d64-80bf-730e27caaaeb (old id 5275175)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:25:12
• date last changed: 2019-03-25 16:35:30