Assessment of the exchange and interaction of carbon (C) and nitrogen (N) in arable land with a focus on the greenhouse gas emissions and nitrate leaching (NO3-) on a national scale

Abstract

Agricultural soils play a critical role in the global carbon (C) and nitrogen (N) cycles, simultaneously supporting food production and contributing to greenhouse gas (GHG) emissions, nitrate (NO₃⁻) leaching, and changes in soil organic carbon stocks. These processes are strongly influenced by interactions among soil properties, climatic conditions, crop type, and agricultural management practices. Climate change may further modify these interactions, affecting both the productivity and environmental performance of arable systems. Quantifying C and N dynamics across spatial and temporal scales is therefore essential for assessing the sustainability and climate resilience of agricultural production and for identifying potential trade-offs between crop productivity, climate mitigation, and nitrogen losses to the environment.A spatially explicit inventory of arable land cultivation data was compiled, including physicochemical soil profile information, climate data, and arable management data to drive the model on a high-resolution polygonal grid of Thessaly. Management data include the major arable crops (wheat, barley, maize, cotton, clover), their synthetic and organic fertilization rate, and irrigation data. The process-based biogeochemical ecosystem model LandscapeDNDC was applied to simulate C and N dynamics based on regional input data sets for two types of climate data; data from local weather stations and ERA5 reanalysis data. The quantification of the modelling uncertainty follows the methodology of Santabarbara (2019). The derived joint posterior distribution for parameters and input quantities have been propagated through the LandscapeDNDC model to obtain distributions for all model output quantities. 500 parameter sets have been randomly sampled from the joint parameter distributions and applied with the model to compile inventory calculations. Result distributions were obtained by statistical analysis of all 500 inventory simulations.LandscapeDNDC was subsequently applied at the national scale to simulate arable production and soil C and N cycling across Greece at a spatial resolution of 0.25° × 0.25°. Using observation data, the four most likely crop rotations were aggregated for each grid cell, incorporating nitrogen and manure fertilization, tillage, and irrigation practices. The arable management was continuously projected into the future until 2100, with plant phenology dynamically adapted to local conditions, while general properties of the arable management - such as crop selection and the share of irrigated arable land - were kept constant over time. Future climate impacts were assessed using the EURO-CORDEX regional climate model ensemble under both moderate (RCP4.5) and high-emission (RCP8.5) scenarios, using 16 datasets for RCP4.5 and 32 datasets for RCP8.5, for a total of 48 climate datasets from the ensemble. The simulation period spanned from 1990 to 2100, with the first 15 years (1990-2005) used as a spin-up phase to achieve equilibrium in the model's internal carbon and nitrogen pools following initialization. This methodological framework helped towards the evaluation of future changes in crop yields, soil carbon dynamics, nitrogen fluxes, and overall nitrogen balance in Greek arable systems under varying climate change scenarios.Overall, in this dissertation, an integrated, spatially explicit and multi-scale modelling framework for assessing the interactions between agricultural management, climate, and soil C–N cycling is established by combining detailed regional simulations and uncertainty analysis with national-scale climate projections, the research contributes to understanding the environmental performance and future resilience of Greek arable agriculture. The results can support the identification of climate-sensitive agricultural systems and provide a scientific basis for developing management strategies that balance agricultural productivity with soil carbon conservation, greenhouse gas mitigation, and reduction of nitrogen losses under changing climatic conditions.

Στην παρούσα ΔΔ, το κύριο ερευνητικό ερώτημα είναι ο προσδιορισμός των επιπτώσεων από τη συνεισφορά του άνθρακα και ενεργού αζώτου σε ότι αφορά στο καθαρό ισοζύγιο αερίων του θερμοκηπίου από τα γεωργικά εδάφη σε δύο κλίμακες: α) περιφερειακή (Θεσσαλία) και β) εθνική (ελληνική επικράτεια). Στο πλαίσιο της Διδακτορικής Διατριβής χρησιμοποιήθηκε το βιογεωχημικό μοντέλο LandscapeDNDC (Haas et al., 2013), το οποίο περιγράφει τις βασικές βιογεωχημικές διεργασίες προκειμένου να αξιολογηθούν τα συστήματα αγροτικών καλλιεργειών στην περιοχή της Θεσσαλίας αλλά και σε oλόκληρη της χώρα. Αρχικά καταγράφηκαν και αξιολογήθηκαν τα ισοζύγια άνθρακα (C) και αζώτου (N) των καλλιεργειών, περιλαμβάνοντας όλες τις σχετικές ροές όπως είναι οι εκπομπές CO2, N2O, NH3 καθώς η στράγγιση NO3-, μαζί με τις αλλαγές στα αποθέματα του άνθρακα στο έδαφος όπως απαιτείται από τους Grosz et al. (2023). Επιπλέον, βελτιώθηκε η αξιοπιστία της μοντελοποίησης του ισοζυγίου C και N εκτιμώντας και ποσοτικοποιώντας την αβεβαιότητα που σχετίζεται με την προσομοιωμένες εκτιμήσεις του άνθρακα (C) και του αζώτου (N), απαντώντας στις απαιτήσεις που έχουν τεθεί από την Διακυβερνητική Επιτροπή για την Κλιματική Αλλαγή (IPCC, 2019). Τέλος, η διατριβή προτείνει μια μεθοδολογία αξιολόγησης αβεβαιότητας για τον κύκλο του C και του N σε περιφερειακή κλίμακα προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η προσομοίωση του ισοζυγίου. Η διαδικασία αυτή πραγματοποιήθηκε εφαρμόζοντας το μοντέλο 500 φορές, κάθε φορά με διαφορετικό συνδυασμό παραμέτρων και δεδομένων εισόδου. Κάθε μία από αυτές τις εκτελέσεις αντιπροσωπεύει μια ολοκληρωμένη προσομοίωση του ισοζυγίου άνθρακα και αζώτου σε περιφερειακό επίπεδο. Από το σύνολο αυτών των προσομοιώσεων εξάγονται μέσες κατανομές αποτελεσμάτων για κάθε εκτίμηση του μοντέλου.Η ανάλυση σε εθνικό επίπεδο (NUTS 2) βασίστηκε στη μεθοδολογία και τα αποτελέσματα σε περιφερειακό επίπεδο (ΝUTS 3) όπου αναπτύχθηκε η νέα απογραφή ισοζυγίων άνθρακα και αζώτου. Η κύρια εστίαση της ΔΔ είναι στην εκτίμηση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου καθώς και στη δυναμική του άνθρακα και ενεργού αζώτου σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις στην Ελλάδα υπό την πίεση της κλιματικής αλλαγής, χρησιμοποιώντας το μοντέλο LandscapeDNDC λαμβάνοντας υπόψη το σύνολο περιοχικών κλιματικών προσομοιώσεων EURO-CORDEX (Jacob et al., 2014) για σενάρια RCP4.5 και RCP8.5. Η περιοχή της Μεσογείου, και ειδικότερα η Ελληνική Επικράτεια χαρακτηρίζεται ως hot-spot κλιματικής αλλαγής (Giorgi 2006) με ποικίλες γεωργικές πρακτικές αναμένοντας να έχει σημαντικές επιπτώσεις στη γεωργία της περιοχής και στο δυναμικό των εκπομπών θερμοκηπιακών αερίων. Για την αξιολόγηση αυτών των επιπτώσεων, είναι απαραίτητο να κατανοηθεί η υφιστάμενη δυναμική των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, η δυναμική άνθρακα και αζώτου στις καλλιεργήσιμες εκτάσεις της περιοχής, και να υπολογιστούν οι μελλοντικές αλλαγές σύμφωνα με τα υπό εξέταση διαφορετικά κλιματικά σενάρια.