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Stephan, Ludwig Peter, 2022. Microbial Carbonisation and its potential for on-farm composting : exploring reductive composting as an approach for regenerative agriculture. Second cycle, A2E. Alnarp: SLU, Department of Biosystems and Technology (from 130101)

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12MB

Abstract

The search for agronomic solutions to the decline of soil health, open-ended
nutrient cycles and greenhouse gas (GHG) emissions from agriculture, against
the background of impending climate change, were motivations for this thesis.
A composting trial on a Swedish farm was designed to find answers to the
overarching research question of how feasible and climate-friendly on-farm
composting using Microbial Carbonisation (MC) is, compared to conventional
windrow composting (CC). MC can be understood as the biological
transformation of biomass under mesophilic and anoxic conditions, in contrast
to CC, which is an aerobic and partly thermophilic decomposition process.
The investigation of the MC method was approached using natural and
social science methodologies. Field trials were carried out, accompanied by
substrate, soil, emission and pore-gas measurements, as well as records of
machinery use. In addition, interviews were conducted with farmers already
using MC in Germany, to gain a better insight into its practical application and
farmers’ needs.
The results suggest that MC substrates can be richer in nitrogen (N) and
carbon (C) after composting than CC. The machinery requirement of MC was
only one tenth of the more labour-intensive CC process, which is associated
with lower fossil emissions. A novelty of the present research was that nitrous
oxide (N2O) emissions were measured for the first time on a MC compost.
Overall, on a weight basis, MC showed 30 – 40 % lower GHG emissions
during composting, compared to CC. This advantage, however, was offset by
28 – 40 % higher emissions in the field on an area basis. In addition, GHG
balances are highly dependent on the appropriateness of the measurementmethodology,
the period under consideration and the reference unit in which
the emissions are expressed. As CC showed higher N-losses during the
composting process, MC overall emitted 5 – 29 % less GHG per kg N applied
to the field. It was therefore not entirely clear whether MC or CC performed
better in terms of GHG emissions.
As MC can provide N- and C-rich substrates in a cost-efficient way, it
appears promising for the use in regenerative agriculture. The farmers’
interviews supported the results of MC being cost-efficient and practicable for
on-farm composting. Nevertheless, the field application of compost can
substantially increase the GHG balance of what at first sight appears to be a
climate friendly composting process. Future studies need to further address
this issue, as well as the impact of MC substrates on soil health.

,

Die Suche nach ackerbaulichen Lösungen für die Abnahme der
Bodengesundheit, offene Nährstoffkreisläufe sowie Treibhausgasemissionen
(THG) der Landwirtschaft, vor dem Hintergrund des drohenden Klimawandels,
waren Motivation für diese Studie. Ein Kompostierungsversuch auf einem
schwedischen Landwirtschaftsbetrieb sollte Antworten auf die übergeordnete
Forschungsfrage liefern, wie praktikabel und klimafreundlich
landwirtschaftliche Kompostierung mittels Mikrobieller Carbonisierung (MC) im
Vergleich zur konventionellen Kompostierung (CC) ist. MC kann als
biologische Umwandlung von Biomasse unter mesophilen und anoxischen
Bedingungen verstanden werden, im Gegensatz zu CC, welchem ein aerober
und teilweise thermophiler Abbauprozess zugrunde liegt.
Die MC-Methode wurde mithilfe natur- und sozialwissenschaftlicher
Methoden untersucht. Es wurden Feldversuche durchgeführt, begleitet von
Substrat-, Boden-, Emissions- und Porengas-Messungen, sowie
Aufzeichnungen des Maschineneinsatzes. Darüber hinaus wurden Interviews
mit Landwirten geführt, welche MC in Deutschland bereits anwenden, um
einen besseren Einblick in die praktische Anwendung und die Bedürfnisse der
Landwirte zu erhalten.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass MC-Substrate nach der
Kompostierung reicher an Stickstoff (N) und Kohlenstoff (C) als CC-Substrate
sein können. Der Maschinenbedarf für MC betrug nur ein Zehntel von CC, was
mit geringeren fossilen Emissionen einhergeht. Ein Novum war, dass zum
ersten Mal Lachgas-Emissionen (N2O) von MC gemessen wurden. Insgesamt
waren die THG-Emissionen bei MC während der Kompostierung pro Tonne
Kompost um 30 — 40 % niedriger als bei CC. Dieser Vorteil wurde jedoch
durch 28 – 40 % höhere Emissionen (pro Hektar) auf dem Feld wieder
ausgeglichen. THG-Bilanzen sind in hohem Maße von der Messmethodik,
dem betrachteten Zeitraum und der Bezugseinheit abhängig, in der die
Emissionen ausgedrückt werden. Da CC während der Kompostierung höhere
N-Verluste aufwies, emittierte MC insgesamt 5 – 29 % weniger THG pro auf
dem Feld ausgebrachtem kg N. Es war daher nicht eindeutig, ob MC oder CC
in Bezug auf die THG-Emissionen besser abschnitt.
Wie auch durch die Interviews bestätigt wurde, liefert MC auf
kosteneffiziente Weise N- und C-reiche Substrate und erscheint damit
vielversprechend für den Einsatz in der regenerativen Landwirtschaft. Da die
Ausbringung des Komposts jedoch die THG-Bilanz eines auf den ersten Blick
klimafreundlichen Prozesses deutlich erhöhen kann, sollten künftige Studien
sich mit dieser Problematik sowie mit den Auswirkungen von MC-Substraten
auf die Bodengesundheit näher befassen.

Main title:Microbial Carbonisation and its potential for on-farm composting
Subtitle:exploring reductive composting as an approach for regenerative agriculture
Authors:Stephan, Ludwig Peter
Supervisor:Ernfors, Maria and Spendrup, Sara
Examiner:Hultberg, Malin
Series:UNSPECIFIED
Volume/Sequential designation:UNSPECIFIED
Year of Publication:2022
Level and depth descriptor:Second cycle, A2E
Student's programme affiliation:LM005 Agroecology - Master's programme 120 HEC
Supervising department:(LTJ, LTV) > Department of Biosystems and Technology (from 130101)
Keywords:on-farm composting, reductive composting, regenerative agriculture, microbial carbonisation, mikrobielle carbonisierung, greenhouse gas emissions
URN:NBN:urn:nbn:se:slu:epsilon-s-17641
Permanent URL:
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-s-17641
Subjects:Nature conservation and land resources
Soil biology
Language:English
Deposited On:31 Mar 2022 07:47
Metadata Last Modified:01 Apr 2022 04:00

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