Adventures in carbon neutral farming: mitigating potent greenhouse gas emissions from soils with rock dust

碳中和农业的冒险:用岩尘减少土壤中的强效温室气体排放

基本信息

  • 批准号:
    2454884
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Studentship
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2020 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

1. Background. Agriculture is one of the dominant managed landscapes worldwide with potential for being part of the solution to climate change as well as being part of the problem. Land-based enhanced rock weathering (ERW), the process of applying ground silicate rock to soils, is a UN-recognized strategy for atmospheric carbon dioxide removal (CDR) at large-scale applicable to managed croplands (Beerling et al., 2018). However, increases in soil pH following basalt addition may also exert a 'liming effect' and reduce soil N2O emissions, delivering added climate change mitigation potential per unit crop yield. Per molecule basis, N2O has almost 300 times the warming potential of CO2 over a 100-year time horizon. On-going field trials with fertile, organic matter-rich US corn-belt soils support this hypothesis (DeLucia et al. 2019; Geophys Res. Abstr. 21, EGU2019-4500). However, it is also possible that reductions in N2O fluxes are associated with changes in other greenhouse gas (GHG) fluxes (CO2 and CH4) and the atmospheric pollutants HONO, NO and NH3 emissions but this remains largely unassessed. Loss of N from soil to the atmosphere and waters represents loss of plant-essential nitrogen from the soil system, potentially decreasing yields, and perpetuating a cycle in which farmers compensate for this loss with nitrogen fertilizers, resulting in further emissions. Reduced emissions of N2O from agricultural soils could increase the nitrogen-use efficiency (NUE) of crop production.2. Objectives. The project will investigate the exciting climate change mitigation hypothesis that agricultural soils amended with basalt, at rates proposed for CDR by ERW, reduce soil N2O fluxes for UK arable crops and pasture. Importantly, they will assess the responses of other important GHG fluxes (CO2, CH4) and soil nitrogen trace gas emissions (HONO, NO and NH3) to this treatment. The project will address these key issues by undertaking bench-scale experimental work using established protocols and numerical modelling with approaches familiar to the team. 2.1 Experiments. Replicated mesocosm soil incubation studies planted with wheat will be conducted to investigate the impact of basalt amendment, crop, soil type and changes in soil moisture, incl. drought and flooding events, on soil GHG, N leaching (nitrate, dissolved organic nitrogen), yield and NUE. A subsection of the soils will be analysed for the more difficult-to-measure atmospheric pollutants NO, HONO, and NH3. Soils will be collected from a targeted set of land uses (cereals, grasslands) with varying pH values and contrasting soil types. 2.2 Modelling: In phase two of the project, experimental results will be used to parameterize and calibrate the process-based biogeochemical model DAYCENT. This will allow us to understand key controls on N2O, and other GHG and nitrogen trace gas emissions, for basalt-amended soils. The objective is to rigorously upscale our findings to predict how ERW with basalt might affect these GHG and trace gas emissions from UK agricultural lands under current and future climate change scenarios.3. NoveltyAs far as we are aware, our on-going field trials are the first to report reduced soil N2O fluxes from agricultural soils amended with crushed basalt dust, with the potential to improve the greenhouse gas balance of intensive agriculture. This could substantially lower the adverse impacts of agriculture on climate per unit yield, amplifying climate change mitigation potential of ERW. But we now need to understand urgently the generality of these findings and their relevant to UK/European agricultural lands.4. Timeliness. Mitigating global climate change is one of the greatest scientific challenges facing humanity. The IPCC 1.5 Degree Special Report concluded that avoiding 'dangerous' climate change means deployment of CDR techniques is now essential. This project addresses new N-cycle co-benefits of a significant CDR strategy.
1.背景。农业是世界上占主导地位的管理景观之一,有可能成为气候变化解决方案的一部分,也是问题的一部分。陆基强化岩石风化(ERW)是将磨碎的硅酸盐岩石应用于土壤的过程,是联合国认可的适用于管理农田的大规模大气二氧化碳清除(CDR)战略(Beerling等人,2018年)。然而,在添加玄武岩后土壤pH值的增加也可能起到“石灰效应”,减少土壤N2O的排放,从而增加单位作物产量的气候变化缓解潜力。以分子为基础,在100年的时间范围内,N2O的变暖潜力几乎是二氧化碳的300倍。正在进行的对肥沃、富含有机质的美国玉米带土壤的田间试验支持这一假设(DeLucia等人。2019年;地球物理研究21、EGU2019-4500)。然而,N2O通量的减少也可能与其他温室气体(温室气体)通量(CO2和CH4)以及大气污染物HONO、NO和NH3排放的变化有关,但这在很大程度上仍未得到评估。从土壤到大气和水中的氮损失意味着土壤系统中植物必需氮的损失,潜在地降低产量,并使农民用氮肥弥补这种损失的循环永久化,从而导致进一步的排放。农业土壤N2O排放量的减少可以提高作物生产的氮素利用效率。目标。该项目将调查令人兴奋的气候变化缓解假说,即以ERW为CDR建议的比率,用玄武岩改良农业土壤,减少英国可耕作作物和牧场的土壤N2O通量。重要的是,他们将评估其他重要的温室气体通量(CO2、CH4)和土壤氮微量气体排放(HONO、NO和NH3)对这种处理的响应。该项目将解决这些关键问题,方法是利用已制定的协议开展试验台规模的实验工作,并采用该小组熟悉的方法进行数值模拟。2.1实验。将进行种植小麦的重复中观土壤培养研究,以调查玄武岩改良剂、作物、土壤类型和土壤水分变化的影响,包括。干旱和洪涝事件对土壤温室气体、N淋失(硝酸盐、溶解有机氮)、产量和氮肥利用率的影响。将对土壤的一部分进行分析,以确定更难测量的大气污染物NO、HONO和NH3。土壤将从不同pH值和不同土壤类型的目标土地用途(谷物、草地)中收集。2.2建模:在项目的第二阶段,将利用实验结果对基于过程的生物地球化学模型DAYCENT进行参数化和校准。这将使我们了解玄武岩改良土壤对N2O以及其他温室气体和氮痕量气体排放的关键控制。其目的是严格提升我们的发现,以预测在当前和未来气候变化情景下,带有玄武岩的战争遗留爆炸物可能如何影响英国农田的温室气体和痕量气体排放。据我们所知,我们正在进行的田间试验首次报告了使用玄武岩粉尘改良农业土壤的土壤N2O通量减少,有可能改善集约农业的温室气体平衡。这可以大大降低农业对单位产量气候的不利影响,放大战争遗留爆炸物减缓气候变化的潜力。但我们现在迫切需要了解这些发现的普遍性及其与英国/欧洲农业用地的相关性。及时性。减缓全球气候变化是人类面临的最大科学挑战之一。IPCC 1.5度特别报告的结论是,避免“危险的”气候变化意味着现在必须部署CDR技术。该项目涉及重大CDR战略带来的新的N周期共同效益。

项目成果

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