Evaluate carbon stock changes based on the Swedish soil-monitoring program

• In the national greenhouse gas inventory, SLU is applying a Tier III method using the Introductory Carbon Balance Model (ICBM) in a holistic framework for calculating changes in soil organic carbon (SOC) stocks in arable land for mineral soils, which Sweden is reporting under the Land Use, Land Use Change and Forestry (LULUCF) sector. This method is delivering SOC stock change rates for eight Swedish agricultural production regions (PO8s), which are aggregated to the national level. The effect of the climate on SOC decomposition in ICBM is accounted for using gridded daily weather records from the Swedish Meteorological Institute (SMHI). The model framework is taking agricultural activity data from yearly census records regarding the use of arable land (area and yield of different crops including fallow) and management systems (straw removal and manure applications). In addition, it applies different empirical functions for estimating annual carbon inputs from roots and for estimating dry soil bulk density for expressing carbon concentrations on a mass basis, based on literature reviews and analyses of large Swedish soil databases. For the ICBM model simulations, initial stocks of SOC are derived from data on soil texture and SOC concentrations from the Swedish Environmental Protection Agency (SEPA) national soil-monitoring program (SMP). The national SMP consists of three soil inventories that periodically characterizes the topsoil properties in 10-year cycles across Sweden. The first inventory, conducted between 1988 and 1995 is providing data for the 1990 baseline, while the latest complete inventory ended 2017. The sampling points in the inventories have coordinates, and data can be associated with each of the Swedish PO8s. We have now been calibrating a new version of the ICBM model by integrating the most recent knowledge gained from long-term field experiments. The objectives of this development project were to evaluate SOC changes from the national SMP by using exact coordinates and new statistical tests and compare these changes to predictions with the new version of ICBM. The general trends in SOC changes calculated from the national SMP remain similar to previous analyses, showing consistent SOC increments over time. The absolute increments at the national level are relatively small, SOC concentrations increased by 0.11, 0.07 and 0.21 percentage units from inventory I to inventory II, from inventory II to inventory III, and from inventory I to inventory III, respectively. This is representing a relative increase of 9.3% between inventory III and I. Applying exact coordinates were allowing us to add a few points in each PO8s that were not present in our previous analysis of the three soil inventories. Using other statistical tests improved the inference between inventories at the PO8 level, where the Wilcoxon signed rank test (a non-parametric method) applied to the matched points when comparing inventory III against II now showed significant differences. The predictions with ICBM are mimicking the relative increase in SOC at the national level but the relative increase is much less pronounced (i.e. 1.5%). Compared to results obtained with the national SMP, ICBM predictions are not always matching the same trends in SOC changes for all of the PO8s. There remain several uncertainties relating to both methods that needs further considerations. For example, data from the Swedish SMP may be associated with inconsistences relating to the use of different analytical methods for measuring SOC concentrations, or to possible under-estimations of SOC concentrations in inventory I due to differences in sampling strategies. While uncertainties relating to ICBM predictions are including e.g. estimation of the amount of annual carbon inputs from roots and manures. A fourth inventory has been initiated and will provide precious information about trends in SOC changes at the national scale, which will be useful for developing both methods. 

• I den nationella växthusgasinventeringen tillämpar SLU en Tier III metod med hjälp av kolbalansmodellen ICBM inom ett holistiskt ramverk för beräkning av förändringar i kolförråd i åkermark för mineraljordar, vilket Sverige redovisar under sektorn Markanvändning, Markanvändningsförändring och Skogsbruk (LULUCF). Denna metod levererar kolförrådsförändringarna för åtta svenska produktionsområdena (PO8s), som sedan är aggregerade till nationell nivå. Klimatets inverkan på nedbrytningen av kol i marken med ICBM skattas med hjälp av rutnätade dagliga klimatdata från Svenska Meteorologiska Institutet (SMHI). Modellramverket tar aktivitetsdata från årlig jordbruksstatistik avseende användningen av åkermark (areal och avkastning för olika odlingssystem inklusive träda) och andra odlingsåtgärder (halmborttagning och tillförsel av stallgödsel). Dessutom tillämpas olika empiriska funktioner för att skatta den årliga koltillförseln till mark från rötter, samt för att skatta markens densitet för att uttrycka kolkoncentrationer i marken som mängd kol. Funktionerna baseras på litteratursammanställningar och analyser av stora svenska markdatabaser. För att initialisera kolförråden i ICBM används data för kolkoncentrationer från Naturvårdsverkets rikstäckande mark- och grödoinventering. Inventeringen gör provtagningar i svensk åkermark periodvis och analyserar matjordens egenskaper med ungefär 10-års mellanrum. Det första omdrevet (d.v.s. ett heltäckande stickprov av det område som inventeras, i detta fall hela landet) kompletterades mellan 1988 och 1995 och tillhandahåller data för 1990 års baslinje. Det sista av totalt tre kompletta omdrev avslutades 2017. Provtagningspunkterna i inventeringarna har koordinater och data kan kopplas till var och en av de svenska PO8s.Vi har nu kalibrerat en ny version av ICBM genom att integrera den senaste kunskapen från långliggande fältförsök. Syftet med detta utvecklingsprojekt var att utvärdera förändringarna i kol över tid från inventeringen av svensk åkermark genom att använda exakta koordinater och nya statistiska tester, och jämföra dessa förändringar med skattningar av förändringar i kolförråd med den nya versionen av ICBM. De allmänna trenderna av förändringar i kol beräknade från den nationella inventeringen förblir liknande tidigare analyser och visar konsekventa ökningar över tid. De absoluta ökningarna på nationell nivå är relativt små, kolkoncentrationerna ökade med 0,11 från omdrev 1 till 2, med 0,07 procentenheter från omdrev 2 till 3 och med 0,21 procentenheter från omdrev 1 till 3. Detta representerar en relativ ökning av kolhalten på 9,3 % kol mellan omdrev 3 och 1. Genom att tillämpa exakta koordinater kunde vi lägga till några punkter i varje PO8 som inte fanns med i vår tidigare analys av de tre inventeringarna.Användning av andra statistiska tester förbättrade slutsatsen mellan inventeringar på PO8-nivå, där Wilcoxon signed rank test (en icke-parametrisk metod) tillämpad på provtagningspunkterna med samma koordinater i jämförelsen mellan omdrev 3 mot 2 nu visade signifikanta skillnader. Skattningarna med ICBM efterliknar den relativa ökningen avkol på nationell nivå men den relativa ökningen är mycket mindre (dvs. 1,5 %). Jämfört med resultat från den nationella inventeringen, matchar skattningarna med ICBM inte alltid samma trender i kolförändringar för alla PO8. Det kvarstår flera osäkerheter relaterade till båda metoderna som kräver ytterligare överväganden. Exempelvis kan data från den svenska inventeringen vara förknippade med inkonsekvenser relaterade till användningen av olika analysmetoder för kolkoncentrationer eller till möjliga underskattningar av kolkoncentrationer i omdrev 1 på grund av skillnader i provtagningsstrategier. Osäkerheter relaterade till beräkningar med ICBM inkluderar t.ex. skattning av den årliga koltillförseln från rötter och stallgödsel. En fjärde inventering har påbörjats och kommer att ge värdefull information om trender i kolförändringar på nationell nivå, vilket kommer att vara användbart för att utveckla båda metoderna.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Geovetenskap och miljövetenskap -- Miljövetenskap (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Earth and Related Environmental Sciences -- Environmental Sciences (hsv//eng)

Nyckelord

Soil organic carbon

arable land

mineral soils

soil-monitoring program

ICBM

LULUCF

Air and climate

Luft och klimat

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

rap (ämneskategori)