Emisiile de protoxid de azot din rotatiile culturilor conventionale si organice din cinci tari europene

AbstractEmisiile de protoxid de azot(N2O) din agricultura sunt momentan estimate din consumul de azot folosind factorii emisiilor si putine stim despre importanta diferentelor regionale sau legate de management. Acest articol rezuma rezultatele unui studiu in care valorile emisiilor de protoxid de azot au fost inregistrate de 15-26 de ori pe parcursul unei perioade de 12 luni in cadrul rotatiei culturilor de produse lactate conventionale si organice din cinci tari europene (Austria, Danemarca, Finlanda, Italia, Regatul Unit). O metodologie comuna bazata pe camerele statice a fost folosita pentru fluxul masuratorilor N2O si datele N2O au fost adunate la un loc cu informatiile despre consumul de azot (de la fertilizatori, fixarea N2, depunerea atmosferica si intoarcerile sub forma de excretie), rotatia culturilor si proprietatile solului. Rotatiile organice au primit numai ingrasamant natural(balegar) ca fertilizator N, pe cand ingrasamantul a reprezentat 0-100% din fertilizator in cazul rotatiilor conventionale . Un model sub forma unei regresii liniare a fost folosit pentru a examina efectele locatiei, sistemul si categoria culturii asupra emisiilor de N2O, pe cand un al 2-lea model examina efectele proprietatilor solului. Emisiile protoxidului de azot au fost mai mari decat conventionale fata de rotatiile culturilor organice cu exceptia celor din Austria si conform analizei statistice, diferentele dintre locatii si cateoriile de culturi erau insemnate. Amoniul a fost in mod deosebit legat de emisiile de N2O, desi acest efect a fost dominat de observatii dintr-un sistem de pascut . In ciuda numarului limitat de mostre, emisiile anuale au fost estimate prin interporale. In cadrul celor doua sisteme si cinci locatii a existat o relatie semnificativa intre totalul consumului de azot si emisiile de N2O la nivelul rotatiei culturilor care indica faptul ca anual 1.6 0.2% (media eroarea standard) din consumul de azot era pierdut ca N2O, in timp ce exista o emisie de fundal de 1.4 0.3 kg N2O-N . Desi acest program de masurare a subliniat efectele sistemului in detrimentul solutionarii temporare , rezultatele indica faptul ca consumul de azot reprezinta un determinant semnificativ pentru emisiile de N2O din pamanturile agricole.

1.IntroducereMomentan, dependenta emisiilor de protoxid de azot (N2O) din agricultura fata de diferentele regionale si de gestionare nu este cunoscuta (Freibauer si Kaltschmitt, 2000), si emisiile sunt calculate din consumul de azot si factorii de emisie (IPCC, 1997). Bazandu-ne pe aceasta abordare, se estimeaza ca agricultura contribuie cu 65% din totalul antropogenic al emisiilor de N2O din EU15 (Agentia Europeana a Mediului, 2001a). Aproape 90% din aceste emisii sunt derivate din consumul de azot pentru pamantul agricol sub forma de fertilizatori, balegar, culturi leguminoase si reziduuri din culturi.Emisiile de protoxid de azot nu sunt derivate doar din consumul recent de azot, dar mai contin si emisii derivate din circuitul azotului organic din sol. Aceste asa numite emisii de fundal sunt in ordinea de 1kg N2O-N (Bouwman, 1996), dar in practica depinde de caracteristicile si istoricul solului, incluzand rotatia culturii. De exemplu, Eriksen (2001) a descoperit ca emanarea de a fost redusa cu mai mult de 50% intre primul si al 3-lea an dupa ararea unei pasuni, fapt ce indica ca transformarea azotului brut si, presupunem, a productiei de N20 a scazut in timp. O emisie de fundal variabila de N20 va complica interpretarea emisiilor masurate la nivelul pamantului.Zona agricola din cadrul EU15 ce este cultivata de practicanti ai agriculturii organice a crescut exponential la un nivel de 2.5% in 1999 (Agentia Europeana a Mediului, 2001b). Agricultura organica este caracterizata de o dependenta relativ mare fata de ciclul intern al azotului. Importul scazut de azot ar trebui sa reduca potentialul pentru emisiile de N2O conform metodologiei IPCC, dar consumul mai mare organic si cursul ciclului azotului pot avea exact efectul opus. Este asadar relevant sa luam in considerare daca exista diferente sistematice dintre agricultura organica si conventionala in ceea ce privesre emisiile de N2O.Acest articol rezuma principalele descoperiri ale programului de masurat ce a fost efectuat pentru a obtine date estimative regionale-si specifice gestionarii- ale emisiilor de N20 din cadrul rotatiilor culturilor de lactate organice si conventionale din Europa. Detalii ale rezultatelor masuratorilor din locatii individuale vor fi raportate separat2.Materiale si metode2.1 Locul experimentalStudiul include masuratori din cinci locatii ce reprezinta principalele regiuni producatoare de bovine din cadrul EU15, de asemenea principalele zone climatice. Locatiile geografice erau Sudul Finlandei (6049N, 2330E), Vestul Danemarcei (5552N, 934E) Sud-Vestul Angliei (5042N, 452V) Centrul Austriei (4740N, 1305E) si Nordul Italiei (4441N, 1035E). In Finlanda, Danemarca, Austria si Italia, emisiile de N20 din rotatiile culturilor arabile de intensitate ridicata( prin urmare conventionale) si intensitate scazuta( asadar organice) au fost investigate, pe cand in Regatul Unit campurile pasunate au fost monitorizate.Locatiile utilizate pentru programele de monitorizare au fost ori rotatii experimentale ale culturilor ori ferme locale. In acest paragraf sistemele sunt caracterizate in ceea ce priveste managementul si intensitatea. In Austria, monitorizarea N2O a avut loc in cadrul a 2 rotatii ale culturilor de la un experiment de teren initiat in 2000. Rotatiile corespund la 1.0 unitate din inventar viu (LSU) (organic) si 1.8 LSU (conventional), si managementului ingrasamantului natural reprezentat intr-un sistem de grajd inchis incluzand atat reziduuri(un amestec de fecale si urina, impreuna cu niste material de absorbtie) si ingrasamant solid. In Danemarca, rotatia culturilor organice ce primea 2 nivele (0.7 si 1.4 LSU ) din reziduurile de la vaci a fost utilizat pentru monitorizarea N2O; aceste tratamente au fost aplicate inca din 1994. In Finlanda, monitorizarea a luat loc in cadrul rotatiei culturii experimentale din cadrul managementului organic si conventional, care au fost infiintate in 1990. Nivelul fertilizarii din rotatia organica a corespuns cu 0.5 LSU , in timp ce sistemul conventional a capatat doar fertilizator mineral. Monitorizarea programului in Italia a fost efectuat pentru productia de branza parmezan. Densitatea inventarului viu(de vaci) a fost 1.5 si 2.3 LSU pentru fermele organice si respectiv conventionale. Ferma organica a fost convertita la acest sistem in 1986. In Regatul Unit, terenurile pasunate permanent cu 1.0(organic) sau 2.4 LSU (conventional) intre mijlocul lui aprilie si sfarsitul lui octombrie au fost folosite pentru monitorizarea N2O. La ferma organica, terenul selectat a fost pasunat in trei intervale saptamanale; pasunarea a fost restrictionata la perioada de noapte. La ferma conventionala, terenul a fost parte dintr-o rotatie four-block a pasunarii atat pe timpul zilei cat si pe timp de noapte.2.2 Informatii de bazaTemperatura solului si a aerului si precipitatiile au fost inregistrate ca fiind parte a programelor de masurare, ori prin echipamentul instalat la locatie ori de catre o statie meteorologica deja existenta. Mediile temperaturii pe termen lung si a precipitatiilor au fost obtinute pentru referinte.Solurile utilizate pentru program au reprezentat o gama de tipuri de sol, adica namol argilos (Austria) nisip argilos (Danemarca), argila (Finlanda), namol argilos fin (Italia) si argila grasa(/lut)(Regatul Unit). Stocurile de carbon si nitrogen ale solului au fost determinate la scala camp/bucata de pamant. Ratia C:N a solului din Finlanda a fost mai ridicata(aproape 16) fata de alte locatii (10-13), posibil din cauza unei prodtectii mai bune a materiei solului organic in solul argilos din aceasta locatie (Christensen, 1992). Toate solurile au fost neutre sau usor acide, si nu au existat diferente consistente intre practicile de gestionare. Conductivitatea electrica(EC) a fost inregistrata pe parcursul toamnei anului 2002 ca un indicator pentru disponibilitatea nutrientilor (Smith si Doran, 1996). Solurile au fost toate non-saline, desi EC in anumite culturi de la locatia italiana se aflau intr-o gama (0.6-0.8 dS ) ce putea stimula prierderi de N2O (Weier et al., 1993).2.3 Rotatia culturilorOxidul de azot a fost monitorizat pe o perioada de 12 luni ce includea sezonul de crestere din 2002. Tabelul 1 prezinta cresterea culturilor in 2002. Toate rotatiile arabile contineau iarba, culturi de graunte mici si culturi de reglare N2.2.4 Consumul de azotDatele despre consumul de azot se regasesc in Sectiunea 3. Azotul aplicat in ingrasamantul natural si fertilizator a fost inregistrat la fiecare locatie. Strategiile pentru fertilizarea cu azot au variat intre cele cinci locatii in concordanta cu practicile de management local. In Austria, o combinatie de ingrasamant natural de la vaci si reziduuri a fost aplicat, suplementat cu fertilizator mineral in rotatia conventionala. In Danemarca au fost aplicate numai reziduuri de la vaci, dar in doua ritmuri diferite. In Finlanda, un amestec de ingrasamant solid de vaca cu turba a fost aplicat rotatiei culturilor organice, pe cand rotatia conventionala a primit doar azot mineral. In Italia, atat ingrasamantul solid de vaca cat si reziduuri au fost aplicate, iar in ferma conventionala a fost de asemenea aplicat si fertilizator mineral. In sfarsit, terenurile pascute din Regatul Unit au primit ori reziduuri de la vaci(ferma organica) ori ingrasamant solid si azot mineral (ferma conventionala).Patru din cele cinci locatii utilizate in acest studiu au avut acces la masuratorile locale efectuate in privinta depunerilor de azot. Acestia au lucrat bine cu datele EMEP (Programul Cooperativ de Monitorizare si Evaluare ale Transmisiilor pe Termen Lung al Poluantilor Aerului in Europa) in ceea ce priveste NOx+NHx, asa cum a fost interpretat din inspectia vizuala a hartilor regionale. Pentru echilibrul azotului din acest studiu, datele EMEP au fost folosite pentru toate locatiile.Fixarea (di)azotului din timpul sezonului de crestere din 2002 a fost estimat din randamentul materiei uscate ale culturii de leguminoase. Un model empiric a fost utilizat pentru a calcula cantitatea totala de N2 fixat pe o perioada fixa de crestere (Hogh-Jensen et al., 2004)Intoarcerile excretale ale terenurilor pasunate din Regatul Unit au fost estimate asa cum a descris Yamulki et al. (1998). Estimarile presupuneau o depunere zilnica de 2 kg balegar si 2 kg urina per vaca, in fiecare din cele 10 ocazii (5 ocazii pentru ferma organica datorita pascutului doar pe timp de noapte) si 180 de zile de pascut pe an.2.5 Masurarea N2O si caracteristicile soluluiEmisiile de oxid de azot au fost masurate atat in rotatii ale culturilor organice cat si conventionale in 15 (Austria), 22 (Danemarca), 26 (Finlanda), 26(Italia) si 25(Regatul Unit) de ocazii pe parcursul unei perioade de 12 luni. Dupa fertilizare mostrele au fost de obicei colectate pe parcursul a 2 zile, dar programul de masurare nu permitea investigarea detaliata pe a dinamicii fluxului N2O pe termen scurt, de exemplu, cum a fost influentat fertilizatorul de ploaie. Masuratorile fluxului de N2O au fost bazate pe camere statice operate manual cu o baza permanenta si un capac detasabil din aluminiu sau PVC acoperit material reflectorizant (zona de baza: 60 cm x 60 cm say 75 cm x 75 cm in cadrul celor trei sau patru repetitii in terenurile arabile, camere cu diametru de 40 cm cu sase repetitii in pasuni). Pe perioada implementarii masuratorile au variat intre 60 si 120 min; fluxurile au fost calculate de regresii liniare bazate pe 3-6 analize individuale a gazului. Bazele camerelor au fost inlaturate numai pe perioada operatiunilor efectuate pamantului, cum ar fi fertilizarea si recoltarea. Punctele de esantionare au fost pozitionate pe o grila normala din cadrul terenurilor sau bucati de pamant indicate pentru conditiile locale specifice fiecarei locatii. Esantionarea gazului a fost efectuata intre mijlocul diminetii si pranz.Esantionarea gazului a fost efectuata in flacoane evacuate, ori printr-un ac cu doua capete iar apoi pus sub presiune cu N2 inainte de analiza(inmagazinare prelungita/transport necesar), sau esantioanele au fost puse sub presiune la momentul colectarii(inmagazinare de scurta durata).O intercomparare a analizei N2O a fost efectuata in primavara anului 2002. Aceasta a aratat o revenire a unui standard necunoscut de 97-106% in cadrul laboratoarelor implicate in programul de monitorizare.Solul anorganic N ( si ), temperatura si umezeala solului au fost determinate pentru fiecare teren sau bucata de pamant aproximativ lunar, dar mereu in legatura cu ocazia unei esantionari N2O. Cel putin patru submostre individuale au fost luate si analizate. Solul era cernut, amestecat si impartit in subesantioane pentru deteminarea gravimetrica a umezelii solului si a azonului anorganic.2.6 Calcularea emisiilor si analizele statisticeDatele masurate au fost asezate sub forma unei foi de calcul. Emisiile de N2O acumulate au fost estimate prin interpolare intre mostre, desi pe termen scurt dinamica fluxului N2O nu a fost luat in considerare prin urmare nu sunt foarte precise. Estimarile emisiilor de oxid de azot pentru fiecare recolta au fost folosite pentru a calcula estimari echilibrate pentru fiecare rotatie, luand parti din fiecare cultura in considerare.O analiza statistica a fost efectuata pentru a analiza dependenta emisiilor N2O fata de locatie, sistem si cultura. Toate culturile au fost alocate uneia din aceste categorii: (i) Culturi de fixare N2, (ii) cereale/cereale intercalate, (iii) culturi de furaje si (iv) iarba. Un model liniar general a fost definit pentru a putea acomoda diferitele designuri experimentale:= ++++++++++ (1)Unde literele grecesti descriu efectele sistemului, categoriei culturii etc. si interactiunile acestora. Indexul I reprezinta consumul (scazut~ organic, ridicat~conventional), C categoria culturii, L locatia, S reprezinta super blocurile si B blocurile. M este numarul de masuratori pe bloc. D, D, E, E si F sunt temerni de erori aleatoare. Interactiunile nesemnificative identificate in analiza preliminara au fost excluse din Eq. (1). Analiza a fost efectuata pornind de la premiza ca atat distributia normala cat si distributia normala conform inregistratilor a fluxurilor de N2O sunt prezentate.Posibilele relatii dintre emisiile N2O si variabilele solului au fost cercetate cu ajutorul unui al 2-lea model, unde efectele consumului, categoria culturii si locatia au fost incluse impreuna cu solul cu azot anorganic, umezeala si temperatura(atunci cand a fost masurata), solul C si continutul de argila. Urmatoarele interactiuni au fost de asemenea permise pentru: categoria culturii x umezeala, consum x amoniu, consum x azotat si umezeala x continutul de argila.In ambele modele, un test conservator (Tip 3, SAS GLM) a fost folosit pentru a identifica efectele semnificative3. RezultateTiparele temperaturii variaza in functie de tara, cele mai mari temperaturi fiind inregistrate in Italia, cele mai mici temperaturi fiind inregistrate in Finlanda si Austria, iar cu mult mai mici variatii in climatul Atlantic al Sud-Vestului Angliei fata de Europa Continentala(datele nu au fost prezentate). Cu exceptia unei veri cu temperaturi relativ ridicate in Italia, variatiile de temperatura din perioadele in care au fost facute masuratorile nu au deviat dramatic de la mediile pe termen lung. Totalul precipitatiilor la aceste locatii(cu devierile de la mediile pe termen lung intre paranteze) au fost: Austria-1698 mm(+45%), Danemarca-653 mm(+4%), Finlanda- 429 mm(-29%), Italia-604 mm(-24%), Regatul Unit-1113 mm (+6%). Prin urmare, Austri a avut un an extrem de ploios, pe cand Finlanda si Italia au avut parte de conditii secetoase comparativ cu un an normal.Totalul cantitatilor de azot aplicat in fertilizatorii minerali si ingrasamant natural, fixarea N2 calculata din randamentul culturilor, depunerea azotului in atmosfera si intoarcerile exretale sunt prezentate in Figura 1. Pentru locatiile din Austria si Italia, contributia culturilor leguminoase au fost semnificative. In Finlanda, consumul de fertilizator a fost singura sursa semnificativa de azot in rotatia conventionala, pe cand depunerea atmosferica a fost mai importanta in Italia si Danemarca fata de alte tari. In Regatul Unit, intoarcerile excretale au fost de patru ori mai mari decat in sistemul conventional, partial datorita densitatii mai mari a inventarului viu.Concentrarile in solurile obisnuite de si de pe parcursul perioadelor de monitorizare au fost in mod constant mai ridicate pentru sistemele conventionale comparate cu sistemul organic, dar variatiile concentratiei au fost mari si suprapuse (datele nu au fost prezentate).Emisiile anuale de N2O pentru fiecare locatie si rotatie sunt prezentate in Figura 2A. Emisiile de protoxid de azot au fost similare sau mai mari de la rotatiile conventionale fata de rotatiile organice, exceptand cazul Austriei, unde consumul de azon in ingrasaman a fost mult mai ridicat in cazul rotatilor organice decat a celor conventionale, 424 kg N versus 263 kg N. In Figura 2B, emisiile de N2O sunt reprezentate in functie de totalul consumului de azot. A fost o relatie semnificativa (0.01