PhD thesis, Institute for Agricultural Sciences - ETH E

DISS. ETH NO. 22831
BRIDGING THE GAP BETWEEN ANIMAL AND
ECOSYSTEM EMISSIONS: PERFORMANCE OF CH4 AND
CO2 EDDY COVARIANCE MEASUREMENTS OVER A
GRAZED PASTURE
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
RAPHAEL FELBER
MSc ETH Environmental Sc., ETH Zurich
born on 20.03.1981
citizen of Egerkingen (SO)
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Michael Kreuzer
Dr. Christof Ammann
Prof. Dr. Nina Buchmann
2015
Summary
Greenhouse gas (GHG) emissions from agriculture are responsible for 14 % of total global
GHG emissions and represent the largest contribution of anthropogenic non-CO2 emissions. Methane (CH4 ) from enteric fermentation by ruminants (cattle, goats, sheep, etc.)
contribute the most to agricultural GHG emissions, followed by nitrous oxide (N2 O) emissions from manure management and synthetic fertilizer use. While being a source for GHG
emissions, agriculture also has the potential to mitigate global warming by weakening the
increase of the atmospheric CO2 concentration through the sequestration of carbon in the
soil. Grassland management by grazing is considered as one of the most cost-effective
mitigation options. However, emission and mitigation estimates from the agricultural
sector have been associated with large uncertainties of up to 150 %.
Most frequently, CH4 emissions from animals are derived from individual animal measurements during relatively short-term experiments (several days) and are not free of
interference on the animal (e.g., the confinement of animals in chambers). By contrast,
the exchange of CO2 and N2 O of ecosystems is commonly measured by area-related methods (soil chambers or micrometeorological flux approaches), whereby the eddy covariance
(EC) method is commonly used for CO2 exchange measurements over ecosystems. Due to
advances in laser technology for CH4 and N2 O measurements, the application of EC measurements for these gases has also become feasible. The EC method offers non-intrusive
measurements that integrate over a larger area (’footprint’), and provides advantages to
investigate long-term in-situ exchange of GHGs from agricultural ecosystems. However,
meaningful EC measurements are dependent on meteorological conditions (wind direction,
stability of the atmosphere, etc.), which influence the footprint, as well as on spatial and
temporal homogeneity. In grazing systems, EC measurements are especially challenging
due to the uneven distribution of animals contributing to the flux.
This thesis investigates the applicability of EC measurements on pasture. It focuses on
CH4 and CO2 fluxes because these gases on one hand are directly emitted by the animals
and on the other hand occur as exchange fluxes from soil/vegetation processes. Data used
in the thesis cover a measurement period of one year including a 209-day grazing season,
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during which 20 dairy cows were managed in a rotational grazing system. The cows were
equipped with GPS devices for position tracking and with mastication sensors for CH4
flux interpretation.
Cow position information allowed a reliable distinction between measurement intervals
with and without cow contributions. CH4 fluxes measured when cows were present in the
footprint were typically in the range of 100 to 1200 nmol m−2 s−1 , whereas CH4 fluxes
without cow contributions were much smaller (around 4 nmol m−2 s−1 ). However, cow
contributions to CO2 fluxes (up to around 10 µmol m−2 s−1 ) were in the same order of
magnitude as CO2 fluxes measured during situations without cows present in the footprint.
Thus the determination of cow contributions from measured fluxes was more difficult for
CO2 than for CH4 . A common flux partitioning method was used to model CO2 emissions
from soil/vegetation processes, and cow respiration was derived from the residuals of
modelled soil/vegetation fluxes to measured fluxes for periods with cows in the footprint.
Using the monitored cow positions in combination with an analytical footprint model,
cow fluxes were converted into average emissions per animal. Average animal CH4 emissions of 423 ± 24 g CH4 head−1 d−1 and CO2 emissions of 4.6 ± 1.6 kg C head−1 d−1 for the
grazing season were found. These values agree well with previously reported respiration
chamber measurements of cows of similar performance and live weight. However, derived
shorter-term (days to months) values showed considerable uncertainty that was attributed
to the strong variability of the cows’ presence in the footprint. On annual time scales the
applied setup and meteorological conditions averaged out this variability and reduced the
uncertainty. Thus the performed EC measurements over the investigated pasture are regarded as suitable for assessing longer-term ecosystem GHG budgets that are necessary
to improve national inventories, but may not be appropriate to resolve small differences
in animal CH4 emissions during short-term experiments, for example applied to determine emission reductions from different feeding situations like supplementary feeding to
pasture grass.
Using the CH4 and CO2 flux measurements in combination with other management related carbon fluxes, the 1-year carbon budget for two different system boundaries (including and excluding cows) was determined. Both approaches led to similar results revealing
no significant carbon storage change in the pasture system, partly due to the considerable
uncertainty range. Considering the GHG budget (CH4 and N2 O in CO2 -equivalents), the
CH4 emissions from the animals dominated the total emissions, but the carbon budget
showed a much larger uncertainty, despite its in-situ determination. The carbon budget
uncertainty could be reduced to some degree by better constraining the carbon fluxes
related to animal intake and respiration, which can be achieved by the combination of
long-term field observations with measurements on the individual animals.
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Zusammenfassung
Die Landwirtschaft ist für 14 % der globalen Emissionen von Treibhausgasen (THG) verantwortlich, und sie ist der grösste anthropogene Emittent an Methan (CH4 ) und Lachgas
(N2 O). CH4 aus der Fermentation im Magen von Wiederkäuern (Rindvieh, Ziegen, Schafe,
etc.) macht den grössten Anteil an landwirtschaftlichen THG-Emissionen aus. An zweiter
Stelle folgt N2 O aus Gülle und aus biologischen Bodenprozessen nach Einsatz von Düngemitteln. Neben ihrem Beitrag als THG-Quelle hat die Landwirtschaft aber auch das
Potenzial, den anthropogenen THG-Effekt zu mindern, indem Kohlenstoff in den Böden
eingelagert und so der Anstieg der atmosphärischen CO2 -Konzentration gebremst wird.
Graslandbewirtschaftung mit Weidehaltung wird als eine kosteneffektive Möglichkeit zur
Milderung des Klimawandels angesehen. Dabei ist jedoch zu beachten, dass sowohl die
Emissions- als auch die Milderungsabschätzungen zur Zeit noch mit sehr grossen Unsicherheiten behaftet sind.
Bisher folgen die Emissions- bzw. Austauschmessungen von den in der Landwirtschaft
wichtigen THG unterschiedlichen Ansätzen: Experimente zur Quantifizierung von CH4 Emissionen von Tieren finden auf Einzeltier-Basis statt und sind aufgrund ihrer Komplexität auf einige Tage beschränkt. Die Messungen werden in Respirationskammern und
somit in einer künstlichen Umgebung unter potentieller Beeinflussung des Tieres durchgeführt. Im Gegensatz dazu wird der CO2 -Austausch von Ökosystemen üblicherweise mit der
’Eddy Kovarianz’ (EC) Methode gemessen. Neuerungen in der Lasertechnik und die Entwicklung von sensitiven und schnellen Messgeräten ermöglichen nun die Anwendung der
EC Methode auch für CH4 und N2 O Messungen. Die Methode ermöglicht eine beeinflussungsfreie Messungen des THG-Austauschs einer bestimmten Fläche (dem sogenannten
’Footprint’) über eine längere Zeitspanne. Lage und Grösse des Footprints sind dynamisch und hängen von meteorologischen Bedingungen ab. Für aussagekräftige Resultate
zum Austausch eines bestimmten Ökosystems wird deswegen eine gewisse räumliche und
zeitliche Homogenität vorausgesetzt. Bei beweideten Systemen wird die Messung des Spurengasaustausches durch die anwesenden Tiere (und deren variable räumlich und zeitliche
Verteilung) verkompliziert.
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Die vorliegende Arbeit untersucht die Anwendbarkeit von EC Messungen über einem
Weidesystem. Im Vordergrund stehen dabei CH4 und CO2 , weil diese Gase sowohl direkt
von den Tieren emittiert als auch zwischen Wiese und Atmosphäre ausgetauscht werden.
Für die einjährige Messperiode (inkl. 209 Tage Weidesaison) wurden 20 Milchkühe in
einem Umtriebsweide-System gehalten. Für eine detaillierte Interpretation der gemessenen
Flüsse wurden die Positionen (GPS) und die Fress-Aktivität (Kausensoren) der Kühe
aufgezeichnet.
Die Positionsdaten der Kühe erlaubten eine klare Trennung zwischen Austauschflüssen
mit und ohne Kuhbeitrag. Wenn sich Kühe im Footprint aufhielten, wurden CH4 -Flüsse
zwischen 100 und 1200 nmol m−2 s−1 gemessen, während Flüsse ohne Kühe im Footprint
viel geringere Werte um 4 nmol m−2 s−1 zeigten. Beim CO2 war der Einfluss der Kühe
weniger klar ersichtlich, da der Kuhbeitrag in derselben Grössenordnung wie der CO2 Austausch des Boden-Vegetationssystems war. Die Bestimmung des Kuh-Anteils in den
gemessenen Flüssen war für CO2 deshalb schwieriger als für CH4 . Für die Berechnung
des Kuh-Anteils, wurde der CO2 -Fluss des Boden-Vegetationssystems basierend auf den
Daten ohne Kuh-Einfluss modelliert und vom gemessenen Fluss abgezogen.
Flächenbezogene Kuh-Flussanteile konnten mit Hilfe der Kuhpositionen und einem
analytischen Footprint Modell in tierbezogene Emissionen umgerechnet werden. Die resultierende mittlere CH4 -Emission von 423 ± 24 g CH4 Tier−1 d−1 wie auch die mittlere CO2 Emission von 4.6±1.6 kg C Tier−1 d−1 stimmen gut mit publizierten RespirationskammerMessungen vergleichbarere Kühe (Milchleistung, Gewicht) überein. Wegen der beträchtlichen Streuung der flächenbezogenen Kuh-Flussanteile konnten für die tierbezogenen Emissionen nur Mittelwerte oder mittlere Tagesgänge über längere Zeitspannen mit der nötigen
Genauigkeit bestimmt werden. Für kürzere Messkampagnen, wie zum Beispiel Fütterungsversuche auf einer Weide, scheint die Methode zu grosse Unsicherheiten zu haben.
Unter Einbezug aller bewirtschaftungsbedingten Kohlenstoff-Flüsse wurden die CH4 und CO2 -Messungen zur Abschätzung der Kohlenstoff-Änderung im Boden verwendet.
Dabei wurde mit zwei verschiedenen Systemgrenzen gearbeitet (mit und ohne Einbezug der Kühe), welche zu vergleichbaren Resultaten für das Messjahr führten. Sie waren
mit grossen Unsicherheiten behafteten und zeigten deshalb keine signifikante Änderung
des Kohlenstoff-Speichers im Boden an. Dieses Ergebnis wurde in einer THG-Bilanz in
Bezug zu den anderen THG (CH4 und N2 O, als CO2 -Äquivalente) gesetzt. Der höchste Anteil im THG-Budget machten die CH4 -Emission der Tiere aus, während aber der
Kohlenstoff-Austausch eine viel grössere Unsicherheit aufwies. Diese Unsicherheit, könnte
durch kombinierte Messungen des Kohlenstoff-Umsatzes (insbes. Nahrungsaufnahme und
Atmung) an den Einzeltieren reduziert werden.
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