Mitigation strategies : temporarygrasslands, intensive fertilisation (eg.

timing, quantity) and irrigation Katja Klumpp

Animal Change training 12-01-2015 Dakar

INRA, Grassland Ecosystem Research, Clermont-Ferrand, France

2

Mitigation & Adaptation

N2O - Nitrous oxyde•Nitrous oxide in the atmosphere has risen by more than 16 percent since 1750.

Principale source :‐ Fabrication d’engrais azotés en agriculture.‐ Fertilisation azotee

EU‐27 emissions in 

2008 (kg N per ha of agricultural land 

per year).

Velthof et al 2014

4(Davidson, 1991; Granli & Bøckman, 1994; Wrage et al. 2001,  Lehuger, 2009)

Principale source :‐ chaîne de réactions réalisées par la micro‐flore du sol, la dénitrification

5

The role of N2O in the nitrogen cyclePrecipitation & dry deposition

Mineral N fertiliser

Organic residue

Atmosphere

Vegetation

Atmospheric N2

N fixation

Ammonium                             Nitrite                              Nitrate

Groundwater, river, lakes

Soil ho

rizon

s

Nitrification

Organic Matter (R‐NH2)

Clay Minerals

Ammoniaixation

Dissolved organic N

N2O

N2

Nitrate, N2O, N2

NH3

NO N2O

NON2O

N2N2O

Plant consumption

6

Spatial variability of grasslands• Hot spots of N2O due to

– N-application from animals – Botanical composition – Soil parameters

• Inter-annual (climate)

7

Facteurs physiques du sol: Saturation en eau de la porosité du sol , température Oxygénation du sol Teneur en nitrate et en ammonium Teneur en N minéralisable et C organique métabolisable pH de la solution du sol

Facteur d’émission (EF) après d’apport d’unengrais N en fonction de la température du solet la saturation en eau de la porosité du sol(WFPS). (Flechard et al., 2007)

Facteur d’émission (EF) = émissions N20/ apport N

Facteurs de contrôle les émissions de N2O

N2O emissions across temporal and spatial scales

flux at 0‐2cm

flux at 0‐5cm

chamber flux

Neftel et al 2007 

•Soil depth and diffusivity

2/3 of N2O is consumed before efflux

Ball et al 2013 

•Soil properties (Stehfest & Bouwman 2006) 

‐ pH :  Low emissions generally observed for pH values > 7.3 (complete denitrification). ‐acidic soils generally exceed those from alkaline soils‐Texture: Emissions are generally higher for fine‐textured soil than for coarse‐and medium‐textured soils.

Bulk density, texture

Ball  et al 2013

N2O emissions across temporal and spatial scales

Herold et al 2012

pH4.2 6.66.34.5

Grassland

DOY

140 150 160 170 180 190 200 210

%15

N2O

em

issi

on

01020304050

Wat

er fi

lled

pore

spa

ce(%

)

0

20

40

60

80

N2O

em

issi

on (m

g N

m-2

d-1

)

0

1

2

3

4

5

6

N2O high cloverN2O low clover

**

*

*

*

•species identity: LegumesLegumes content may partly explain N2O emissions

Klumpp et al 2011

N2O emissions across temporal and spatial scales

Emissions are more attributable to the N release from root exudates and decomposition of N rich residues rather than from BNF per se. 

(Rochette et al 2005, meta‐analyse, Stehfest&Bouwman 2006)

Cut+fert

11

Contrôle des émissions de N2O par dénitrification

(Rochette, 2011)

•Reducing grazing time is an effective option to reduce N2O losses (Schils et al 2012, Luo et al 2010, deKlein et la 2006).

e.g. Rees et al 2013 Soil Sc&Nutr, Li et al 2013 J Env Manag, Luo et al 2010 AGEE

Grasslands: Grazing vs cutting

N2O emissions and management

•True for unfavorable soil and climate conditions (i.e. humid soil)

Rafique et al 2012

grazing grazing mowingmowing

Nfert Nfert NfertUrea

N2O emissions are difficult to ascribe to grazing‐urine events as other variables favouring emissions often coincident (e.g. Tsoil, WFPS, Nfert).

Grasslands: Grazing vs cutting

N2O emissions and management

•Soil tillage

Ball et al 2013

N2O emissions and management

Luo et al 2010

• N2O emissions does not necessarily increased in anaerobic soils because of possible N2O consumption and microbial adaptation. •Soil matrix potential, volumetric water content, relative diffusivity, air permeability play a role

•Soil tillage 

Ball et al 2013

N2O emissions and management

Luo et al 2010

• N2O emissions does not necessarily increased in anaerobic soils because of possible N2O consumption and microbial adaptation. •Soil matrix potential, volumetric water content, relative diffusivity, air permeability play a role

VanKessel et la 2013

N2O emissions and management

239 case studies using direct comparisons:  In contrast to earlier studies, averaged across all comparisons, NT/RT

did not alter N2O emissions compared with CT

•Soil tillage

•Fertilisation techniques:  nitrification inhibitors 

Akiyama et al  2010 GCB

N2O emissions and management

(NIs), polymer‐coated fertilizers (PCFs), and urease inhibitors (UIs)]

Large differences in inhibitor efficiency depending on: ‐ inhibitor type (e.g. low for UI)‐ crop type‐ soil 

Relative emission 

Relative emission 

Fertiliser placement and soil tillage

VanKessel et al 2013

•N fertilizer placement depth experiment and climate regime

•When fertilizer‐N was placed at > 5 cm depth, NT/RT reduced under humid climatic conditions•Therefore, in humid climates, deep placement of fertilizer‐N is recommended when implementing NT/RT. 

e.g. Rees et al 2013 Soil Sc&Nutr, Li et al 2013 J Env Manag, Luo et al 2010 AGEE

Most effective measures to reduce N2O emissions

20

• Direct seeding

• superficial tillage

• Cover crops and catch crops

• Life span of temporay sown grasslands

• use crops with high residues

• grass buffer strips

• hedges

Mitigation options linked to soil tillage and cropping systems

21

French study : The potential of agricultural practices to increase C storage in agricultural soils

French  study : The potential of agricultural practices to increase C storage in agricultural soils

practices decreasing soilmineralisation rates practices increasing plant biomass input to soilpractices doing both

Selected measures:‐ Reduction in tillage‐ Introduction of cover crops‐ Expanding agroforestry and hedges‐ Grassland managementAdditional C storage /ha.yr

Additional C storage /yr

Pellerin, S.et al. 2013. How can French agriculture contribute to reducing greenhouse gasemissions? Abatement potential and cost of ten technical measures. Summary of the studyreport, INRA (France). 

For some mitigation option, due to the low area concernedby the options, only low additional C could be stored

Taking into account the concerned area 

Outline

Grassland management to mitigate climate change

FCH4FCO2

Flessivage

Stockage net de carbone

Fproduction animale

Example for C balance and GHG

FN2O

Grassland management to mitigate climate change

GreenGrass (2003 – 2005) Sur 9 sites prairial

26Soussana, Tallec et Blanfort 2010

FCH4FCO2

Flessivage

Stockage net de carbone = 1290

Fproduction animale

1450 40

100

20

(kg de carbone/ha/an)

Bilan de carbone : pâturage

27

Bilan de carbone : fauche

Stockage net de carbone = 710 SNC @ étable = 270

SNC TOTAL = 980

A l’étable

FCO2@étable

FCH4@étable

Fproduction animale@étable

Fperte C labile

Feffluents

FCH4-effluents

340

Ffumier

Flessivage

100

FCO2

3700

Soussana, Tallec et Blanfort 2009

(kg de carbone/ha/an)

1910

130

60

510

1130

10

Stockage net de carbone = 270

Frécolte

3230

28

CO2 CH4 N2O

Concentration atmosphérique en 2005 (ppm) 379 1.774 0.319

Pouvoir de réchauffement global en équivalents CO2 1 25 298

Durée de vie atmosphérique (années) 50-200 12 120

Pour compare stockage C avec émission GES du secteur agricole il faut passe en equivalent CO2

IPCC 2006

Ex. 1kg N2O-N = 298 kg CO2-C = kN2O 127

1kg CH4 = 25kg CO2-C= kCH4 9.1

29

Bilan de GES sur la parcelle (en CO2eq)

Soussana, Tallec and Blanfort 2010

Le type de gestion a un impact sur le bilan de GESPâture semble le meilleur moyen de gestion pour améliorer le bilan GES, en 

réduisant les émissions de GES, et en stockant plus de carbone Ces hypothèses sont à confirmer sur d’autres sites

Gestion StockageNetCarbonSNC

Emission CH4 Emission N2O Σ emission (CH4, N2O)

Bilan GES

parcelle

étable Total parcelle étable parcelle étable parcelle +étable

Paturage 4710 0 4710 1450 0 220 0 1670 3040

Fauche 2600 900 3590 0 4470 300 230 5000 -1410

kg CO2eq ha‐1 an‐1

source

puits

Net GHG Budget (CO2eq)

Net GHG Budget (g CO2eq m-2 yr-1)

-2000 -1000 0 1000 2000

Grazing

Mowing

All

40 (12)±48

100 (143)±69

35 (18)±75

n=163

n=66

n=144

Agricultural practices

sinksource

Net GHG Budget (g CO2eq m-2 yr-1)

-1400 -700 0 700 1400

Permanent&Natural

Temporary&Sown

Alln=163

n=129

n=43‐96 (‐280)±132

51 (118)±42

40 (12)±48

Grassland types

sinksource

median (mean) ±SE

C sequestration compensates for non CO2 emissions (CH4 , N2O) 

Projet CarboEurope/GHG Europe :29 grassland flux tower sites (since 2002; 173 site‐yrs)

Critical management leading to zero C storage (GHG budget becomes a source)  

Trade offs between production and environmental outputs

• TO1, betwen maximising C harvest (grazing and cutting) for animal

production and maximising C return to soil

• TO2, between maximising forage quality to increase digestibility and

reduce enteric CH4 and minimise root and shoot litter

decomposability (i.e. increase in mean residence time of SOC)

• TO3, between maximising animal stocking density and minimising

enteric CH4, Urin N2O and NO3leaching

Soussana & LeMaire 2014 AGEE

• Relation between grassland intensification,  C storage and GHG emissions

Soussana &Lemaire 2014

grazing mowing

animal production 

Thank you