Biofuels from crop residue can reduce soil carbon and ... · Biofuels from Crop Residue Can Reduce...

12
SUPPLEMENTARY INFORMATION DOI: 10.1038/NCLIMATE2187 NATURE CLIMATE CHANGE | www.nature.com/natureclimatechange 1 Adam J. Liska 1,2*, Haishun Yang 2 , Maribeth Milner 2 , Steve Goddard 3 , Humberto BlancoCanqui 2 , Matthew P. Pelton 1 , Xiao X. Fang 1 , Haitao Zhu 3 , Andrew E. Suyker 4 1 Department of Biological Systems Engineering, 2 Department of Agronomy and Horticulture, 3 Department of Computer Science and Engineering, 4 School of Natural Resources, University of NebraskaLincoln, Nebraska 68583, USA. *email: [email protected] Supplementary Tables 18 Coefficients used in the SOC model; Comparison of measured and modeled SOC change under continuous corn at Mead; Carbon inputs to soil at Mead; Field measurements using tower eddy covariance of respiration and gross primary productivity; Net oxidation of SOC from residue removal compared with no removal; Percent loss of SOC from residue removal compared with no removal; Net contribution of SOC oxidation to the lifecycle of biofuels from crop residue; Net GHG emissions from net SOC oxidation and N 2 O in the life cycle of cellulosic ethanol. Supplementary Figures and Legends 14 Modeled oxidation of SOC and crop residue over time; Geospatial modeling of SOC at Mead corn experiment; Percent SOC loss from residue removal; Net contribution of SOC oxidation to the lifecycle of biofuels from residue removal. Supplementary Notes Additional references for SI figures. Biofuels from crop residue can reduce soil carbon and increase CO 2 emissions © 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Transcript of Biofuels from crop residue can reduce soil carbon and ... · Biofuels from Crop Residue Can Reduce...

Page 1: Biofuels from crop residue can reduce soil carbon and ... · Biofuels from Crop Residue Can Reduce Soil Carbon and Increase CO2 Emissions Adam J. Liska1,2*, Haishun Yang2, Maribeth

SUPPLEMENTARY INFORMATIONDOI: 10.1038/NCLIMATE2187

NATURE CLIMATE CHANGE | www.nature.com/natureclimatechange 11  

 

Biofuels from Crop Residue Can Reduce Soil Carbon and 

Increase CO2 Emissions Adam J. Liska1,2*, Haishun Yang2, Maribeth Milner2, Steve Goddard3, Humberto Blanco‐Canqui2, 

Matthew P. Pelton1, Xiao X. Fang1, Haitao Zhu3, Andrew E. Suyker4  

1Department of Biological Systems Engineering, 2Department of Agronomy and Horticulture,  

3Department of Computer Science and Engineering, 4School of Natural Resources, University of 

Nebraska‐Lincoln, Nebraska 68583, USA. *e‐mail: [email protected] 

 

Supplementary Tables 1‐8  

Coefficients used in the SOC model; Comparison of measured and modeled SOC change under 

continuous corn at Mead; Carbon inputs to soil at Mead; Field measurements using tower eddy 

covariance of respiration and gross primary productivity; Net oxidation of SOC from residue 

removal compared with no removal; Percent loss of SOC from residue removal compared with 

no removal; Net contribution of SOC oxidation to the lifecycle of biofuels from crop residue; 

Net GHG emissions from net SOC oxidation and N2O in the life cycle of cellulosic ethanol. 

Supplementary Figures and Legends 1‐4  

Modeled oxidation of SOC and crop residue over time; Geospatial modeling of SOC at Mead 

corn experiment; Percent SOC loss from residue removal; Net contribution of SOC oxidation to 

the lifecycle of biofuels from residue removal.  

Supplementary Notes  

Additional references for SI figures. 

Biofuels from crop residue can reduce soil carbon and increase CO2 emissions

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 2: Biofuels from crop residue can reduce soil carbon and ... · Biofuels from Crop Residue Can Reduce Soil Carbon and Increase CO2 Emissions Adam J. Liska1,2*, Haishun Yang2, Maribeth

2  

Table S1. Coefficients used in the SOC model. Global data sets1 were used to calibrate 

coefficients for soil organic matter (from manure, peat, organic matter, and soils) and plant 

residues (from wheat, maize, rice, oat, ryegrass, and cover crop data). 

Parameter  Soil Organic Matter  Plant Residue 

k (day(1‐S))  0.0024  0.149 

S (unitless 0 ≤ S ≤ 1)  0.462  0.66 

Tr (Celsius)  10  10 

Q102  2  2 

 

  

Figure S1. Modeled oxidation of SOC and crop residue over time.  Oxidation of SOC and 9 

residue components is based on daily average temperatures measured at the experimental site 

at Mead, NE, and parameters used from Table S1. 

 

Table S2. Comparison of measured and modeled SOC change under continuous corn at Mead. 

All values in Mg C ha‐1 30 cm‐1, unless noted. Standard Deviation shown.  Measured        

2001 

Measured 

2005  

Modeled 

2005 

ΔMeasured 

2001‐05 

ΔModeled 

2001‐05 Modeled/Measured 

69.38 ± 1.19  66.18 ± 1.24  65.65  3.20  3.73  117% 

           

Days

0 1000 2000 3000

Res

idue

-C &

SO

C r

emai

ning

(%

)

0

20

40

60

80

100

SOC yr1 yr2 yr3 yr4 yr5 yr6 yr7 yr8 yr9

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 3: Biofuels from crop residue can reduce soil carbon and ... · Biofuels from Crop Residue Can Reduce Soil Carbon and Increase CO2 Emissions Adam J. Liska1,2*, Haishun Yang2, Maribeth

3  

 

                    Figure S2. Geospatial modeling of SOC at Mead corn experiment. a, Initial SOC map of Mead, 

Nebraska field site, composed of 531 30 m x 30 m grid cells (Albers Conic Equal Area projection, 

NAD83 datum)3‐6; the field is roughly a quarter of a square mile (~48 hectares) and is irrigated 

by a center pivot. b, Removal of 0, 2, 4, 6 Mg ha‐1 yr‐1 residue (R1‐R4 respectively) for the area 

shown in a, with standard deviation (SD) for no biomass removal; all four simulations have the 

same SD.  

For analysis of the area planted in corn or soybean across the US Corn Belt, masks were 

identified by the 2010 USDA‐NASS Cropland Data Layer of each state7. Rainfed county corn 

grain yield estimates from NASS (2001‐2010)8 were converted to Mg C ha‐1 yr‐1 using Tiger data 

and a harvest index (0.53)9; total root C inputs to 0‐30 cm soil depth over the growing season 

were estimated at 29% of aboveground carbon10, which includes C from root exudates, to not 

underestimate C added to soil after residue removal.  Monthly maximum and minimum average 

temperatures from the PRISM database (2001‐2010) were used11; the original PRISM grid 

resolution was 30‐arcseconds (~4 kilometers). The gSSURGO SOC data included non‐soil data so 

all zero SOC values were removed12.  

   

0 0.2 0.40.1 Km

30cm SOC(Mg ha )-2

26

55

65

66

Time (days)

0 1000 2000 3000 4000-8

-4

0

4

SO

C (

Mg

C p

er h

ecta

re)

R2

R3

R4

R1

a b

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 4: Biofuels from crop residue can reduce soil carbon and ... · Biofuels from Crop Residue Can Reduce Soil Carbon and Increase CO2 Emissions Adam J. Liska1,2*, Haishun Yang2, Maribeth

4  

Table S3. Carbon inputs to soil at Mead. All values are in grams C per square meter (g C m‐2), 

except grain yield in Mg ha‐1 yr‐1 at 15.5% moisture. Crop C is the sum of Grain C, Residue C, and 

Root C (only 66% of Root C is contained in the top 30 cm of soil13). Input of C to soil in the top 

30 cm is Ci. For estimation of soil respiration (i.e. CO2, Table S4), the remaining root biomass C 

at physiological maturity is estimated as 16% of aboveground shoot biomass (e.g. residue C)10.  

 

Year  Grain Yield  Grain C  Residue C  Root C  Crop C  Ci yr‐1 

2001‐02  13.51  521  486  78  1085  538 

2002‐03  12.97  503  446  71  1020  493 

2003‐04  12.12  470  438  70  978  484 

2004‐05  12.24  470  382  61  913  422 

2005‐06  12.02  447  436  70  953  482 

2006‐07  10.46  401  327  52  780  361 

2007‐08  12.79  487  416  67  969  460 

2008‐09  11.99  447  407  65  919  450 

2009‐10  13.35  501  520  83  1104  574 

 

 

 

 

   

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 5: Biofuels from crop residue can reduce soil carbon and ... · Biofuels from Crop Residue Can Reduce Soil Carbon and Increase CO2 Emissions Adam J. Liska1,2*, Haishun Yang2, Maribeth

5  

Table S4. Field measurements using tower eddy covariance of respiration (Retotal, upward flux 

of CO2) and gross primary productivity (GPP, downward flux of CO2). Irrigation water contains 

CO2 which was subtracted from respiration14,15. The C contained in the crop at physiological 

maturity (Crop C, Table S3) was subtracted from GPP to estimate crop respiration during 

growth (Recrop). To estimate respiration from soil, residue, and dead root (i.e. RerSOC), Recrop was 

subtracted from Retotal16. Standard deviations associated with these flux measurements were 

assumed at ±10% of the mean17,18 (RerSOCSD). Using the SOC model (Figure S1, & Figure 1 in main 

text), respiration was calculated based on the parameters above (ReSOCM). Percent comparisons 

between the measured and modeled Re values are shown. All values are in grams C per square 

meter (g C m‐2), except where noted. The average annual error is ‐2.5%. The total absolute 

annual error is 12.4%.  

 

Year  irrigation  Retotal  GPP  Recrop  RerSOC  RerSOCSD  ReSOCM  % error 

2001‐02  22  1392  1929  844  548  55  735  34 

2002‐03  20  1339  1799  779  560  56  537  ‐4 

2003‐04  25  1241  1676  698  543  54  538  ‐1 

2004‐05  15  1302  1664  751  551  55  495  ‐10 

2005‐06  22  1339  1617  664  675  68  524  ‐22 

2006‐07  17  1400  1622  842  558  56  443  ‐21 

2007‐08  18  1414  1900  931  483  48  467  ‐3 

2008‐09  16  1293  1781  862  431  43  475  10 

2009‐10  7  1401  1952  848  553  55  523  ‐5 

 

 

 

      

 

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 6: Biofuels from crop residue can reduce soil carbon and ... · Biofuels from Crop Residue Can Reduce Soil Carbon and Increase CO2 Emissions Adam J. Liska1,2*, Haishun Yang2, Maribeth

6  

Table S5. Net oxidation of SOC from removal residue compared with no removal. Removal of 2 (R2), 4 (R3), and 6 (R4) Mg residue ha‐1 yr‐1 at 5 and 10 year averages, relative no removal (R1). Averages calculated across the Corn Belt (580 million cells).   5 Year Average  10 Year Average 

  R1‐R2  R1‐R3  R1‐R4  R1‐R2  R1‐R3  R1‐R4 

Average, Mg C ha‐1 yr‐1  0.23  0.46  0.66  0.16  0.32  0.47 

Standard Deviation  0.02  0.03  0.08  0.01  0.02  0.04 

 

 

Table S6. Percent loss of SOC from removal residue compared with no removal. Averages 

calculated across the Corn Belt (580 million cells), corresponding to the removal levels in table 

S5. 

  5 Year Average  10 Year Average 

  R1‐R2  R1‐R3  R1‐R4  R1‐R2  R1‐R3  R1‐R4 

Average, %  1.23  0.85  0.43  0.87  0.59  0.30 

Standard Deviation  0.75  0.52  0.26  0.51  0.35  0.17 

 

 

Table S7. Net contribution of SOC oxidation to the lifecycle of biofuels from crop residue. 

Averages calculated across the Corn Belt (580 million cells), corresponding to the removal levels 

in table S5.  

  5 Year Average  10 Year Average 

  R1‐R2  R1‐R3  R1‐R4  R1‐R2  R1‐R3  R1‐R4 

Average, gCO2e MJ‐1  70.0  69.7  69.5  48.7  48.6  48.8 

Standard Deviation  4.61  5.03  6.36  3.65  3.61  4.26 

 

 

   

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 7: Biofuels from crop residue can reduce soil carbon and ... · Biofuels from Crop Residue Can Reduce Soil Carbon and Increase CO2 Emissions Adam J. Liska1,2*, Haishun Yang2, Maribeth

7  

 

 

 

Figure S3. Percent SOC loss from residue removal. Removal of 6 Mg residue ha‐1 yr‐1: a, 5‐year 

average, b, 10‐year average, c, percent SOC loss by removal level.  

% SOC

0 250 500125 Km 0 1.0 2.0 27.24.0

5 Year

0 250 500125 Km

% SOC

0 1.0 2.0 16.94.0

10 Year

Percent (%) SOC loss

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Geo

spat

ial c

ells

(m

illio

ns)

0

50

100

150

200

5yr R1-R2 5yr R1-R3 5yr R1-R410yr R1-R210yr R1-R310yr R1-R4

a

b

c

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 8: Biofuels from crop residue can reduce soil carbon and ... · Biofuels from Crop Residue Can Reduce Soil Carbon and Increase CO2 Emissions Adam J. Liska1,2*, Haishun Yang2, Maribeth

8  

 

Table S8. Net GHG emissions from net SOC oxidation and N2O in the life cycle of cellulosic ethanol. Removal of 6 Mg ha‐1 yr‐1 of corn residue.  

Scenario ΔSOC,  Mg C    ha‐1 yr‐1 

ΔSOC per Δresidue C, 

Mg C         ha‐1 yr‐1 

Energy,     GJ ha‐1 

SOC adder, gCO2e MJ‐1 

N2O credit, gCO2e  

MJ‐1 

NET adder, gCO2e    

MJ‐1 

Production, gCO2e       

MJ‐1 

LCA, gCO2e 

MJ‐1 

GHG reduction

Note  1  2  3  4  5  6  7  8  9 

Mead, NE 0.47  0.20  36.4  47.3  ‐4.6  42.7  30  72.7  22 GIS5+SD 0.74  0.31  36.4  75.9  ‐4.6  71.2  30  101.2  ‐8 GIS5,avg 0.66  0.28  36.4  69.5  ‐4.6  64.9  30  94.9  ‐1 GIS5-SD 0.58  0.24  36.4  64.1  ‐4.6  59.5  30  89.5  4 

GIS10+SD 0.51  0.21  36.4  53.1  ‐4.6  48.4  30  78.4  16 GIS10,avg 0.47  0.20  36.4  48.8  ‐4.6  44.2  30  74.2  21 GIS10-SD 0.43  0.18  36.4  44.5  ‐4.6  39.9  30  69.9  25 1. Net oxidation of SOC from residue removal is from table S5 and Mead (Figure 1).  2. In all scenarios above (R1‐R4), change in SOC was divided by 6 Mg biomass ha‐1 yr‐1, or 2.4 Mg C. 3. Energy yield in cellulosic ethanol from residue was based on 288 liters per Mg19 and ethanol 

lower heating value at 21.1 MJ L‐1 20. 4. Emissions from net SOC loss are calculated by multiplying the mass C lost (1) by 3.667 (44/12) to 

convert C to CO2, then dividing by energy yield (3), and multiplying by 1000 to correct for units. The resulting Corn Belt values (table S7) do not correspond exactly to this algorithm, because slightly less biomass was removed on average in the geospatial analysis due to crop yields lower than the desired removal levels; above values are 1‐12% higher than direct calculations using mean SOC losses from table S5.   

5. Removal of 6 Mg residue ha‐1 yr‐1 reduces N2O emissions by multiplying these factors: biomass N content (0.6%), biomass N converted to N2O (1%), mass fraction of N to N2O (44/28), and global warming of N2O (298 kgCO2e kg‐1, from the IPCC20, and dividing by energy yield (3). 

6. Add (4) plus (5). 7. Near term cellulosic ethanol production intensity21. 8. Add (6) plus (7). 9. Emissions reduction compared to gasoline baseline, 93.7 gCO2e MJ‐1 21. 

 Note. The calculations used here (4) for obtaining the net GHG emissions from SOC loss give the 

same result as calculations using complete LCA models, based on previous analysis20,22.  

Note. Biofuel energy yields comparison, based on theoretical conversion yields23. 

Cellulosic ethanol: 27 MJ kg‐1 x 0.593 kg kg‐1 residue = 16.01 MJ kg‐1 residue, 16 GJ Mg‐1 residue.  

FT‐Diesel: 42.7 MJ kg‐1 x 0.369 kg kg‐1 residue = 15.33 MJ kg‐1 residue, 15.33 GJ Mg‐1 residue

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 9: Biofuels from crop residue can reduce soil carbon and ... · Biofuels from Crop Residue Can Reduce Soil Carbon and Increase CO2 Emissions Adam J. Liska1,2*, Haishun Yang2, Maribeth

9  

 

 

Figure S4. Net contribution of SOC oxidation to the lifecycle of biofuels from residue removal. 

Removal of 6 Mg residue ha‐1 yr‐1: a, 5‐year average, b, 10‐year average. Calculated over the 

Corn Belt (580 million cells), corresponding to the removal levels in figure 2a, tables S5 & S6, 

and algorithm in table S7. The negative LCA values occur in Pennington County, SD (a); the 5‐

year yield values were 1.69, 0.10, 0.50, 0.81 and 0.6, and because the 2006 and 2007 yield 

values were not reported, the 10 year Pennington County yield was excluded. 

 

 

 

0 250 500125 Km

5 Year

2gCO e MJ-1R1 - R4

40 55 70 85

0 250 500125 Km

2gCO e MJ-1R1 - R4

10 Year

40 55 70 85

a

b

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 10: Biofuels from crop residue can reduce soil carbon and ... · Biofuels from Crop Residue Can Reduce Soil Carbon and Increase CO2 Emissions Adam J. Liska1,2*, Haishun Yang2, Maribeth

10  

Additional References 

1. Yang, H. S. & Janssen, B. H. Relationship between substrate initial reactivity and residues 

ageing speed in carbon mineralization. Plant Soil 239, 215‐224 (2002). 

2. Davidson, E. A. & Janssens, I. A. Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and 

feedbacks to climate change. Nature 440, 165–173 (2006) 

3. USDA‐NRCS. Natural Resources Conservation Service. Soil Survey Geographic Database 

(SSURGO) version 2.1.  National Collection.  2010, 1st quarter ed. (Dec., 2009). 

4. Bliss, N. B., Waltman, S. W., & Neale, A. C. Detailed soil information for hydrologic modeling 

in the conterminous United States. Abstract H43B‐1227. American Geophysical Union (San 

Francisco, Calif. 13‐17, Dec. 2010). 

5. Waltman, S. W., Olson, C., West, L., Moore, A. & Thompson, J. Preparing a soil organic carbon 

inventory for the United States using soil surveys and site measurements:  Why carbon stocks 

at depth are important.  (19th World Congress of Soil, 2010).   

6. Bliss N., Waltman, S. W. & West, L.  Detailed mapping of soil organic carbon stocks in the 

United States using SSURGO.  Eos Trans AGU, 90, Fall Meeting Suppl. Abstract B51F‐0367. 

(2009).   

7. USDA‐NASS. USDA‐National Agricultural Statistics Service, Research and Development 

Division, Geospatial Information Branch, Spatial Analysis Research Section. USDA, National 

Agricultural Statistics Service, 2010 Cropland Data Layers, 2010 Edition.  

http://soildatamart.nrcs.usda.gov (2010).   

8. USDA‐NASS. Data and Statistics. National Agricultural Statistics Service. 

http://www.nass.usda.gov/Data_and_Statistics/index.asp Washington, D.C. 

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 11: Biofuels from crop residue can reduce soil carbon and ... · Biofuels from Crop Residue Can Reduce Soil Carbon and Increase CO2 Emissions Adam J. Liska1,2*, Haishun Yang2, Maribeth

11  

9. Johnson, J. M. F., Allmaras, R. R., & Reicosky, D. C. Estimating source carbon from crop 

residues, roots and rhizodeposits using the national grain‐yield database. Agronomy J. 98, 622–

636 (2006) 

10. Amos, B. & Walters, D.T. Maize root biomass and net rhizodeposited carbon: An analysis of 

the literature. Soil Sci. Soc. Amer. J. 70, 1489–1503 (2006). 

11. PRISM. 2004‐2011. PRISM Climate Group, Oregon State University, 

http://prism.oregonstate.edu, created between Feb. 13, 2004 & Apr. 8, 2011. 

12.  Department of Commerce, Census Bureau, Geography Division.  2000. County & County 

Equivalent Area, Jan. 1, 2000. https://www.census.gov/geo/maps‐data/data/tiger‐line.html 

13. Yang, H. S., Dobermann, A., Cassman, K. G., & Walters, D. T. Hybrid‐Maize: A simulation 

model for maize growth and yield (University of Nebraska‐Lincoln, 2006). 

14. Verma, S. B. et al. Annual carbon dioxide exchange in irrigated and rainfed maize‐based 

agroecosystems.  Ag. Forest Met. 131, 77‐96 (2005). 

15. Suyker, A. E. & Verma, S. B. Coupling of carbon dioxide and water vapor exchanges of 

irrigated and rainfed maize–soybean cropping systems and water productivity. Ag. Forest Met. 

150, 553‐563 (2010). 

16. Biscoe, P. V., Scott, R. K., & Monteith, J. L. Barley and its environment. III. Carbon budget of 

the stand. J. Appl. Eco. 12, 269‐293 (1975). 

17. Papale, D. et al. Towards a standardized processing of net ecosystem exchange measured 

with eddy covariance technique: Algorithms and uncertainty estimation. Biogeosciences 3, 571‐

583 (2006). 

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 12: Biofuels from crop residue can reduce soil carbon and ... · Biofuels from Crop Residue Can Reduce Soil Carbon and Increase CO2 Emissions Adam J. Liska1,2*, Haishun Yang2, Maribeth

12  

18. Richardson, A. D. & Hollinger, D. Y. Statistical modeling of ecosystem respiration using eddy 

covariance data: Maximum likelihood parameter estimation, and Monte Carlo simulation of 

model and parameter uncertainty, applied to three simple models. Ag. Forest Met. 131, 191‐

208 (2005). 

19. Kazi,  F. K. et al., Techno‐economic comparison of process technologies for biochemical 

ethanol production from corn stover. Fuel 89, S20‐S28 (2010). 

20. Liska, A. J. et al. Improvements in life cycle energy efficiency and greenhouse gas emissions 

of corn‐ethanol. J. Indust. Ecol. 13, 58‐74 (2009). 

21. Spatari, S. & MacLean, H. L. Characterizing model uncertainties in the life cycle of 

lignocellulose‐based ethanol fuels. Envir. Sci. Tech. 44, 8773‐8780 (2010). 

22. Liska, A.J. in Sustainable Biofuels: An Ecological Assessment of Future Energy (eds Bhardwaj, 

A. K., Zenone, T. & Chen, J. K.) (Walter De Gruyter, in press). 

23. Cherubini, F. & Strømman, A. H. Production of biofuels and biochemicals from 

lignocellulosic biomass: Estimation of maximum theoretical yields and efficiencies using matrix 

algebra. Energy Fuel 24, 2657‐2666 (2010). 

 

 

 

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.