Hvor mye karbon er det realistisk å kunne binde i jord på lang sikt?

Karbonlagre og kretsløp

Det finnes en rekke illustrasjoner som kvantifiserer både størrelsene på karbonreservene og karbonstrømmene i verden.(1, 2,3,4) Noe variasjon er det mellom dem, men størrelsesordenene er noenlunde de samme. Disse angir at rundt 2.300 – 2.500 Gtonn er lagret i jordsmonnet av totalt rundt 68.000 Gtonn. Dette utgjør 3,5%. Anslag om 90-100.000 Gtonn karbon i selve jordskorpa er ikke regnet med fordi dette regnes som lite tilgjengelig i forhold til karbonkretsløpet. Det hevdes i enkelte sammenhenger at 80% av karbonet er bundet opp i organisk materiale i vegetasjon og jordsmonn (5),men da ser en bort fra havet og fossilt karbon, og konsentrerer seg kun om den delen av det korte karbonkretsløpet som gjelder landjord og atmosfære.

Havet representerer det største karbonlageret på 37-38.000 Gtonn karbon. Hvert år bindes 90 Gtonn karbon opp i havet og bortimot tilsvarende mengde frigjøres. Det regnes en netto sedimentasjon på 2 Gtonn i året på havbunnen. Fotosyntesen på landjorda binder årlig opp ca 120 (+3) Gtonn karbon. Av dett brytes ca 60 Gtonn ned igjen over bakken og ca 60 tonn under bakken hvert år. FN's klimapanel har av enkelte blitt kritisert fordi de har "glemt" fotosyntesen i sitt karbonregnskap (6). Fotosyntesen er på ingen måte glemt, men den utlignes av at nedbrytning av organisk materiale er omtrent like stor.

Erfaring med at økt CO₂-konsentrasjon i lufta gir økt fotosyntese (7) gir anslag om at ca 3 Gtonn pr år ekstra nå tas opp i biomasse i forhold til likevekt på +/- 120 Gtonn. Det er et nærliggende spørsmål om økningen av karbonbinding i vegetasjon etter hvert også vil føre til en økning i nedbrytningshastigheten og frigjøringen av karbon til atmosfæren, slik at det igjen går mot en likevekt mellom det fotosyntesen binder opp og det som brytes ned. 3 Gtonn på 1000 år vil gi 3.000 Gtonn. Om alt dette ble tilført jord vil det utgjøre mer enn en dobling av jordas karbonlager. Dersom det hadde vært en årlig akkumulasjon av 3 Gtonn karbon i jorda fra istiden for 10.000 år siden og fram til i dag, ville vi hatt bundet opp 30.0000 Gtonn karbon i jordsmonnet og ikke 2.500 Gtonn. Dette har ikke skjedd og vil neppe heller gjøre det. Dette viser at karbonstrømningene lar seg påvirke og endres noe over tid. Det korte karbonkretsløpet, som gjelder balansen mellom fotosyntese og nedbrytning av organisk materiale på land og hav og utveksling mellom CO₂ i luft og kullsyre i vann, ser ut til å være relativt konstant, så sant vi ikke gjør grep som påvirker de store karbonreservoarene.

Skoger og myrer representerer store karbonlagre. Avskoging og omdanning av myr som dreneres reduserer karbonlagrene i disse reservoarene. I jordbruket har dyrking av ettårige vekster med kort sesong for fotosyntese ført til at innhold av organisk materiale og karbon i jorda har vært synkende. Det er beregnet et tap av karbon fra dyrka mark på 42-78 Gtonn (8) av et totalt reservoar som i dag er estimert til 2.300-2.500 Gtonn. Landbruksdirektoratet angir i 2020 et mer spesifikt tap på 66 Gtonn karbon(9).

Med volumvekt på jord på 1,2 kg/ l vil et matjordlag på 25 cm, vil jorda veie rundt 300 tonn/ daa. 1% karbon vil utgjøre 3 tonn pr daa. For et areal på 1135 mill ha på verdensbasis (10) med vekster som ikke omfatter eng og beite vil 1% karbon i jorda utgjøre 34 Gtonn.

Fotosyntesen binder opp og mikroorganismene bryter ned karbonforbindelser

Fotosyntesen bygger opp organisk materiale og mikroorganismene bryter det ned. Det etableres likevekter mellom hvor mye som bygges opp og hvor mye som brytes ned. Liten tilførsel av organisk materiale gir lite mat til mikroorganismene, og det er ikke nok mat til like mange organismer som når det tilføres større mengder fotosynteseprodukter.

Jordas innhold av organisk materiale styres av jordart, klima og dyrkingssystem. I nordområdene med temperert klima har det blitt bygd opp større mengder organisk materiale i jorda enn i varmere områder lenger sør (11). Flere langvarige studier har undersøkt utviklingen av jordas innhold av organisk materiale ved ulike dyrkingssystemer. Systemforsøkene ved Rothamsted i England er blant de eldste fra 1840- og 50-tallet (12). Forsøkene startet med lavt organisk innhold på rundt 1% i 0-23 cm dyp, tilsvarende i underkant av 30 tonn C/ haa. En fortsettelse med dyrking av bygg og hvete med tilførsel av N, P, K og Mg ga ingen reell endring i jordas innhold av organisk materiale. Forsøkene viser at innhold av organisk materiale øker med årlig tilførsel av husdyrgjødsel, kompost og kloakkslam og ved overgang til dyrking av eng. Økningene er størst de første åra, men så stabiliserer innholdet av organisk materiale seg på et høyere nivå med mindre årlige variasjoner. I enkelte tilfeller kunne økningen de første 5-10 åra være på over 2 tonn C pr haa og år. Økologisk dyrking av eng med kløver har over en 10-års periode bundet opp 6,4 tonn C/ haa og år på jord der karboninnholdet i utgangspunktet var lavt (<1%). Ved høyere organisk innhold har kontinuerlig engdyrking og beitebruk ikke gitt tilsvarende økning av karboninnhold i jorda pr år. Forsøkene viser også at overgang fra engdyrking til ettårige vekster reduserer jordas innhold av organisk materiale. Nedgangen skjer raskest når innholdet av organisk materiale i utgangspunktet er høyt, og saktere etter hvert som det organiske innholdet i jorda blir lavere. Foereid og Jørgensen 2004 nevner at det kan ta rundt 100 år før likevekt stabiliseres ved endret dyrkingssystem (13). Andre nevner 150 år. Flere forsøk har vist at det vesentligste av endringen skjer de første 30-50 åra.

I 2015, ble det under klimaforhandlingene i Paris tatt initiativ til å øke karboninnholdet i dyrka mark med 0,4% årlig (14).

Forskere ved Rothamsted konkluderer med at det vil være vanskelig å oppnå målet om "0,4%" årlig økning av karboninnholdet i jord i praktisk jordbruk over store områder (15). Årsakene er 1) at bønder ikke har de nødvendige ressursene (f.eks. ikke nok husdyrgjødsel), 2) noen praktiserer allerede et dyrkingsregime som innebærer et høyt innhold av karbon i jorda, 3) å redusere salg av avlinger fra ettårige vekster kan være økonomisk krevende for bønder – dette kan endres ved endringer i regelverk eller subsidier; 4) å produsere mindre ettårige vekster (korn, mais, bønner, poteter, grønnsaker) er uønsket for global matsikkerhet. Det foreslås at det er mer realistisk å fremme praksis for å øke SOC basert på å forbedre jordkvaliteten, da små økninger kan ha uforholdsmessig store gunstige virkninger, men ikke nødvendigvis å gi et større avlingsutbytte.

En annen rapport fra Rothamsted konkluderer: "Å kutte ut jordbearbeiding og øke bruken av dekkvekster er praktiske tiltak som gir potensial for å øke jordas karboninnhold. Vi vurderer imidlertid at en 4 ‰ årlige økningen i SOC er uoppnåelig i de fleste forhold i jordbruket og ikke kan betraktes som en viktig bidragsyter til å redusere klimaendringene. Det er mer realistisk å fremme dyrkingspraksis for å øke organisk materiale i jord, fordi dette forbedrer jordkvaliteten og funksjonen, spesielt ettersom små økninger kan ha uforholdsmessig store gunstige virkninger, men ikke nødvendigvis medfører økt avlingsutbytte. Bedre styring av nitrogen i landbruket for å redusere lystgassutslipp direkte og indirekte, er sannsynligvis et mer effektivt tiltak i landbruket for å redusere klimaendringene." (16)

Forsøkene ved Rothamsted samsvarer godt med forsøkene med dyrkingssystemer på Apelsvoll, Kise Møystad, Ås og fra Sverige og Danmark (17). På Apelsvoll ser nedgangen i organisk innhold i jorda ut til å fortsette i systemet med konvensjonell drift med høstpløying og åpenåker med halmfjerning. Innholdet har blitt noe mindre ved redusert jordarbeiding, med halmen beholdt og/eller ved dyrking av fangvekst. Nedgangen har vært mye mindre i system med mye eng og bruk av husdyrgjødsel. I forsøkene på Ås fra 1953 til 1984 med karboninnhold i jorda ved start på 3,8% i fant Uhlen at moldinnholdet gikk ned med ensidig korndyrking. Moldinnholdet gikk svakt ned med 1 av 3 år eng med og uten husdyrgjødsel, og det gikk noe opp med 2 av 3 år eng og husdyrgjødsel. 2 av 3 år eng uten husdyrgjødsel hadde stabilt moldinnhold. I forsøkene på Møystad med 3 av 7 år eng i vekstskifte gjennom 85 år fra 1922 var det en økning i moldinnholdet med tilførsel av husdyrgjødsel. Det var også en svak økning med bruk av mineralgjødsel, mens det var en nedgang uten gjødsling.

Ved Rodale Institute i USA hevdes det at mer enn 100% av karbonutslippet kan lagres i jord ved regenerative metoder, og at det samtidig kan høstes større avlinger enn ved tradisjonell dyrking.

"Shifting both crop and pasture management globally to regenerative systems is a powerful combination that could drawdown more than 100% of annual CO₂ emissions, pulling carbon from the atmosphere and storing it in the soil. Crop yields in regenerative systems have been shown to outcompete conventional yields for almost all food crops, proving that regenerative can feed the world while stabilizing the climate, regenerating ecosystems, restoring biodiversity and enhancing rural communities" (18)

Det er vanskelig å finne publisert forskning fra Rodale som bekrefter dette over tid. Instituttet viser til forsøk der det er oppnådd en økning i jordkarbon på 30% i løpet av 27 år, men det er ikke angitt hvor høyt karboninnholdet var i jorda i utgangspunktet og om økningen er lineær (19).

Glomalin blir ofte trukket fram som noe nytt og spennende når det gjelde potensial for lagring av karbon i jord. Wright og Nicole klarte i 1995 å separere og kjenne igjen Glomalin, en type glycoprotein, besående av proteinkjeder koblet til sukkermolekyler. Dette dannes i sopphyfene til arbusculær mycorrhiza, det er svært motstandsdyktig mot nedbrytning og bidrar til å lime sammen jorda til aggregater (21). Glomalin kan utgjøre 15-20% av det organiske materialet i jorda og har vist seg å kunne holde seg stabilt i jord i minst 10-50 år (22). Økt mycorrhizaaktivitet vil gi økt innhold av glomalin, men også her vil det over tid etableres en likevekt i forhold til nydanning og nedbrytning, jfr dyrkingsforsøka nevnt ovenfor.

CO₂-bindende mikroorganismer i jorda er nevnt som potensielle bidragsytere til å binde karbon i jord. Det finnes både protozoer og bakterier uten fotosyntese som fixerer CO₂ til organisk materiale (23, 24). Da CO₂ representerer et lavt energinivå for karbon og karbonkjeder i organisk materiale representerer et høyere energinivå, må nødvendigvis alle CO₂-fikserende organismer få tilgang på energi for at fixering skal kunne skje. Uten tilgang på lys må derfor substratet organismene henter energi fra nødvendigvis stamme fra organisk materiale bygget opp av fotosyntesen direkte eller fra metabolitter fra fotosynteseproduktene. Disse organismene representerer derfor kun en nisje, der også deres eksistens vil være direkte eller indirekte avhengig av fotosyntesen. Deres utbredelse og aktivitet vil derfor ikke kunne ha noen praktisk betydning for karbonbinding i jord utover det fotosyntesen allerede bidrar med.

Biokull lages ved pyrolyse (forkulling) av organisk material, eksempelvis halm og trevirke, ved 400-700^oC. Også biokull omdannes i jord, og med økende aktivitet av jordboende organismer øker omsetningshastigheten. Det ser likevel ut til at 80-85% av biokullet vil kunne holde seg stabilt i flere hundre år (25). Således kan tilførsel av biokull til jord være interessant i forhold til karbonlagring. Så langt ser det ikke ut til å ha begrensede negative effekter på jorda. Selv om biokull alene ikke har bidratt til økte avlinger på kort sikt, har forsøk dokumentert jordforbedrende egenskaper (26). En utfordring vil være logistikk og produksjon i omfang som monner og økonomiske aspekter.

Redusert jordarbeiding og ingen jordarbeiding, "no till" er nevnt som tiltak for å øke karboninnholdet i jorda. I NIBIO rapport nr 36 - 2019 viser Riley til Norske forsøk der redusert jordarbeiding og ingen jordarbeiding, i forhold til pløying, har ført til økt karboninnholdet i de øverste 3-8 cm av jordlaget, mens det har blitt redusert i dypere sjikt, 23-28 cm. Totalt sett har redusert jordarbeiding og ingen jordarbeiding ført til lavere innhold av karbon i jorda. Redusert jordarbeiding vil likevel være et positivt tiltak for å beskytte jorda mot erosjon og tap av næringsstoffer. Å kutte ut jordarbeiding kan redusere energiforbruket i produksjonen med 3,5 kg C/ daa pr år (27).

I NIBIO rapport nr 36 – 2019, "Muligheter og utfordringer for økt karbonlagring i jordbruksjord" er det nevnt flere metoder som potensielt kan øke karbonlagring i jord. Av tiltak nevnes økt karbontilførsel, redusert tap via fysisk beskyttelse, kjemisk stabilitet og fysiokjemisk beskyttelse. Alle tiltak nevnes som interessante, men krevende å få til i praksis. I rapporten står det:

«Selv om all økning av organisk materiale i jord er positivt, så anbefaler vi varsomhet med å tro på stor karbonbinding gjennom forbedring av dyrkingsmetoder. Vi finner at alle de mest lovende metodene – inkludert tilførsel av biokull, samlet sett ikke kan kompensere for mer enn 5 prosent av de årlige utslippene av CO₂ fra fossil energi» (28).

Det nevnes også at et mer realistisk mål kanskje vil være å unngå ytterligere nedgang i jordas innhold av organisk materiale. I rapport fra NORSØK konkluderes med det samme (29).

"Det fins ikke tall for naturlig likevektsnivå for karboninnhold i norsk jord, men en antar at mineraljord med langvarig eng er omtrent i likevekt. Forskerne konkluderer med at en gjennomsnittlig årlig økning på 4 ‰ av karboninnholdet på dyrket jord i Norge ikke er realistisk før det er mulig å tilføre biokull i større skala."

Myrdanning – et unntak

Danning av myr er et unntak når det gjelder å binde opp mer karbon enn det som frigis. Særlig i gjengroingsmyrer, ombrogene høymyrer kan det bli mektige forekomster av organisk materiale. Ulike mosearter konkurrerer blant annet godt under slike forhold med vannmetta jord. Særlig torvmose står for mye av fotosyntesen og binding av karbon. I vannmetta myrjord er det anaerobe forhold med svært lite liv som bryter ned det organiske materiale. Mange av myrene våre i Norge har lagt på seg rundt 1 mm med organisk materiale i året (30). Når vi drenerer myr kan de synke med 10 – 25 mm pr år (31).

Høymyrene vil legge på seg slik at de får en kuv opp på midten, men heller ikke høymyrer vokser i det uendelige. Vi kan riktig nok se 6-7 m høye hauger med organisk materiale og is på palsmyrer i tundraområdene, men ellers ser vi aldri at myrer vokser til høye fjell. Innen den tid vil det komme oksygen til i det øvre laget, slik at det vil oppstå en likevekt mellom primærproduksjonen og nedbrytningen av det organiske materialet. Myrdanninga kan ses på som en del av det lange karbonkretsløpet, fordi det dreier seg om store mengder karbon som kan bindes opp i mange tusen år. Selv om forhold med vannmetta jord gir lite liv i jorda og lite omdanning av organisk materiale, er det få av kulturplantene våre som trives under slike forhold. Det er derfor lite aktuelt å tenke på myrdanning og vassmetta forhold i jorda som et aktuelt klimatiltak på landbruksjord, der det skal produseres mat.

Potensialet for å binde karbon til jord er svært begrenset i forhold til fossilt utslipp

Når vi henter energi fra det store karbonkretsløpet ved å forbrenne fossilt karbon pumper vi mer karbon inn i det korte karbonkretsløpet, og denne prosessen er vanskelig reverserbar. Uttømming av fossile karbonkilder er økende. Cicero oppga en årlig tilførsel på over 9 Gtonn fossilt karbon til atmosfæren i 2019, mot 5,4 - 6 Gtonn i 1980 (32, 33).

Lal, 2004 anslår at det er potensial for å binde 0,4-1,2 Gtonn karbon (tilsvarende 4-13% av fossilt utslipp i 2019) i jord i året i en periode på 20-50 år (34). Dette utgjør et totalvolum på 25-60 Gtonn karbon. Lal understreker at potensialet er begrenset i forhold til kapasitet og tid, men presiserer også at økt innhold av organisk materiale er essensielt for matvaresikkerheten på jorda. Potensialet for å øke karboninnholdet i jord er minst i varmt klima og størst i kaldere og fuktigere klima. Landbruksdirektoratet anslår at det er realistisk å binde opp igjen 50-66 % av de totalt 66 Gtonn karbon som er tapt fra jord (35). Dette innebærer et potensial på karbonbinding i jord på 33-43 Gtonn. Fordelt på åpenåker-kulturer på verdensbasis (der det ikke dyrkes eng og beite) tilsvarer dette en økning på 0,9-1,2% karbon i jorda totalt.

Det samlede potensialet for å lagre karbon i jord på 33-43 Gtonn begrenser seg til 3,6–4,7 års utslipp av fossilt karbon med 2019 nivå på 9 Gtonn pr år. Dette tilsvarer 3,6-4,7% av utslippet i et 100-årsperspektiv og 0,7—0,9% i et 500-årsperspektiv, gitt at fossilt utslipp ikke fortsetter å øke. Da er potensialet for binding av karbon til jord tatt ut for all framtid, og en må fortsette med tiltakene for å binde karbon til jord i all evighet for å ikke tape karbonet tilbake til atmosfæren igjen. Om andelen ettårige vekster i vekstskiftet øker igjen, antall år med gras i vekstskiftet reduseres eller årlig mengde tilført husdyrgjødsel, kloakkslam eller kompost reduseres igjen, vil en tape det karbonet en har bundet opp. En kan selvfølgelig gjenta prosessen med å binde opp en begrenset mengde karbon i jord igjen flere ganger, men en kan ikke påberope seg en additiv gevinst av karbonbinding hver gang.

Norske ambisjoner

Landbrukets klimaplan har som mål å binde 1,4-1,6 mill tonn CO₂ til jord på 10 år (36). Målet er å komme opp i en binding av karbon til jord på 440.000 tonn CO₂-ekvivalenter pr år. Dyrking av fangvekster har en sentral rolle. Norsk utslipp av fossilt karbon er på ca 43 mill tonn CO₂ pr år (37). Dersom målet i klimaplanen nås, kan binding av karbon til jord utgjøre 1% av fossilt utslipp i Norge i en begrenset periode.

Norge har ca 2,9 mill daa åpen åker (38). Å øke karbonprosenten i jord med 1% krever 3 tonn pr daa. Dette utgjør 8,8 mill tonn karbon eller 30 mill tonn CO2-ekvivalenter. Å oppnå dette vil ta rundt 70 år, dersom vi klarer å følge måla i Landbrukets klimaplan. Da er potensialet for økt karbonbinding til jord høyst sannsynlig tatt ut, med de dyrkingssystemene som er realistiske i forhold til å sikre matforsyningen i landet. Utvikling av bruk av biokull vil kunne komme i tillegg til dette.

Behov for endret fokus

Før 2000-tallet var det få som hadde hørt om jordkarbon. Inntil da var det fokus på positiv effekt av organisk materiale og levende organismer i jorda. Bevisstheten rundt organisk materiale i jord er på ingen måte ny, selv om kunnskapsnivået rund livet i jorda har økt de senere åra og fortsatt øker. Også i 100 år gamle lærebøker i jordbruk var det egne kapitler om mikrobene i jorda, der protozoer, alger, bakterier, slimsopper, nitrifikasjon og denitrifikasjon ble omtalt og beskrevet som viktige i landbruket (39). I mange av rapportene det er referert til ovenfor har fokuset på organisk materiale i jord blitt fremhevet som viktig i forhold til jordas evne til å holde på og forsyne plantene med vann og næring og sikre matforsyningen som verden trenger framover. Dette gjelder både Ratan Lal, forskerne ved Rothamsted, og forskere ved NIBIO. Generelt er dette poengtert som vesentlig viktigere enn klimaeffekten av å binde karbon til jord.

Forskere ved Institute of Ecosystem Studies, Millbrook, New York og Department of Environmental Science, Policy and Management, Berkeley University of California skriver:

"When C sequestration emerges in the popular press, it creates the dangerous impression that we can easily sequester a significant fraction of CO₂ from continuing fossil fuel emissions through better soil management. This illusion contributes to continuing political inertia, and it needs to be balanced by realistic experimental field research".(40)

Fokuset på jordkarbon har oppstått på grunn av økende CO₂-konsentrasjoner i atmosfæren, som hovedsakelig må kobles til forbrenning av fossilt karbon. Koblingen mellom jordkarbon og klima knyttet til høye CO₂-konsentrasjoner i atmosfæren bør nedtones. Fokuset bør rettes mot viktigheten av organisk materiale i jord, jordliv og jordhelse. Dette er viktig for å sikre en bærekraftig produksjon, der sikker matproduksjon over lang tid kan bli størst mulig i forhold til den mengden energi og ikke fornybare ressurser som legges ned i produksjonen. Om det viser seg at dette kan ha en bieffekt i forhold til klima i en begrenset periode er det vel og bra, men jordkarbonet i forhold til klima bør ikke ha hovedfokuset.

Den beste jorda er den man ikke ser

Å ha grønt plantedekke så mye av sesongen som mulig beskytter jorda mot erosjon og tap av næringsstoffer. Det tilfører organisk materiale til jorda og til de jordlevende organismene. Organisk materiale i jorda øker jordas evne til å holde på vann og næringsstoffer. Fangvekster og grønngjødsling er eksempler på slike tiltak. Fangvekster i korn og etter tidligkulturer bør være en selvfølge.

Det at vi kan binde noe mer karbon i jorda i noen år framover må ikke blir en sovepute i forhold til der hovedfokuset må rettes. Det kan kun kjøpe oss 3,5-5 års tid, i jakten på å finne gode alternativer til fossil energi. Potensialet kan tas ut nå eller det kan tas ut senere, men det kan ikke tas ut flere ganger. Hovedfokuset må derfor primært rettes mot å redusere den fossile tilførselen av karbon til atmosfæren.