Skip to main content
Log in

ICBM regional model for estimations of dynamics of agricultural soil carbon pools

  • Published:
Nutrient Cycling in Agroecosystems Aims and scope Submit manuscript

Abstract

Swedish arable land covers 3 Mha and its topsoil contains about 300 Mton C. The mineral soils seem to be close to steady-state, but the organic soils (about 10% of total arable land) have been estimated to lose ca. 1 Mton/year. We have devised a conceptual model (ICBMregion), using national agricultural crop yield/manuring statistics and allometric functions to calculate annual C input to the soil together with a five-parameter soil carbon model (ICBMr), calibrated using long-term field data. In Sweden, annual yield statistics are reported for different crops, for each of eight agricultural regions. Present topsoil carbon content and regional distribution of soil types have recently been measured. We use daily weather station data for each region together with crop type (bulked from individual crop data) and soil type to calculate an annual soil climate parameter for each crop/soil type permutation in each region. We use 14 soil types and 9 crop types, which gives 126 parameter sets for each year and region, each representing a fraction of the region's area. For each year, region, crop and soil type, ICBMregion calculates the change in young and old soil carbon per hectare, and sums up the changes to, e.g., national changes. With eight regions, we will have 1008 parameter sets per year, which easily can be handled, and what-if scenarios as well as comparisons between benchmark years are readily made. We will use the model to compare the soil C pools between the IPCC benchmark year 1990 and the present. In principle, we use inverse modelling from the sampled, recent soil C pools to estimate those in 1990. In the calculations, soil climate and yield for each year from 1990 onwards are taken into account. Then we can project soil C balances into the future under different scenarios, e.g., business as usual, land use change or changes in agricultural crops or cultivation practices. Projections of regional climate change are also available, so we can quite easily make projections of soil C dynamics under, e.g., different climate scenarios. We can follow the dynamic effects of carbon sequestration efforts – and estimate their efficiency. The approach is conceptually simple, fairly complete, and can easily be adapted to different needs and availability of data. However, perhaps the greatest advantage is that the results from this comprehensive approach used for, e.g., a 10-year period, can be condensed into a very simple spreadsheet model for calculating effects of management/land use changes on C stocks in agricultural soils.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Institutional subscriptions

Similar content being viewed by others

References

  • Allen R.G., Pereira L.S., Raes D. and Smith M. 1998. Crop evapotranspiration–guidelines for computing crop water requirements. FAO Irrigation and Drainage Paper 56. FAO, Rome, Italy, 300 pp.

    Google Scholar 

  • Andrén O. and Kätterer T. 1997. ICBM–the Introductory Carbon Balance Model for exploration of soil carbon balances. Ecol. Appl. 7(4): 1226–1236.

    Article  Google Scholar 

  • Andrén O. and Kätterer T. 2001. Basic principles for soil carbon sequestration and calculating dynamic country-level balances including future scenarios. In: Lal R., Kimble J.M., Follett R.M. and Stewart B.A. (eds), Assessment Methods for Soil Carbon. Lewis Publishers, Boca Raton, FL, pp. 495–511.

    Google Scholar 

  • Andrén O., Lindberg T., Paustian K. and Rosswall T. (eds) 1990. Ecology of Arable Land–Organisms, Carbon and Nitrogen Cycling. Ecol. Bull. (Copenhagen) 40, 222 pp.

  • Anonymous 1990a. Statistiska meddelanden. J 12 SM 9002. Hektarskördar och totalskördar 1989. Definitiva resultat. Rapport från de objektiva skördeuppskattningarna 1989 [Objective crop yield surveys 1989]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1990b. Statistiska meddelanden. J 10 SM 9001. Rapporter från lantbrukets företagsregister 1989. Ägoslag och åkerarealens användning den 8 juni 1989 [Type of land and use of arable land on the 8th of June 1989]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1991a. Statistiska meddelanden. J 12 SM 9102. Hektarskördar och totalskördar 1990. Definitiva resultat. Rapport från de objektiva skördeuppskattningarna 1990 [Objective crop yield surveys 1990]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1991b. Statistiska meddelanden. J 10 SM 9101. Rapporter från lantbrukets företagsregister 1990. Ägoslag och åkerarealens användning den 14 juni 1990 [Type of land and use of arable land on the 14th of June 1990]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1992a. Statistiska meddelanden. Na 30 SM 9202. Gödselmedel i jordbruket 1990/91. Tillförsel till åkergrödor [Use of fertilizers and animal manure in agriculture in 1990/91]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1992b. Statistiska meddelanden. J 12 SM 9203. Hektarskördar och totalskördar 1991. Definitiva resultat [Crop yields per hectare and total yields in 1991]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1992c. Statistiska meddelanden. J 10 SM 9201. Rapporter från lantbrukets företagsregister 1991. Ägoslag och åkerarealens användning den 13 juni 1991 [Type of land and use of arable land on the 13th of June 1991]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1993a. Statistiska meddelanden. J 12 SM 9301. Hektarskördar och totalskördar 1992. Definitiva resultat [Crop yields per hectare and total yields in 1992]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1993b. Statistiska meddelanden. J 10 SM 9301. Rapporter från lantbrukets företagsregister 1992. Ägoslag och åkerarealens användning samt omställningsarealer den 11 juni 1992 [Type of land and use of arable land and converted areas on the 11th of June 1992]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1994a. Statistiska meddelanden. Na 30 SM 9402. Gödselmedel i jordbruket 1992/93. Tillförsel till åkergrödor [Use of fertilizers and animal manure in agriculture in 1992/93]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1994b. Statistiska meddelanden. J 12 SM 9401. Hektarskördar och totalskördar 1993. Definitiva resultat [Crop yields per hectare and total yields in 1993]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1994c. Statistiska meddelanden. J 10 SM 9401. Rapporter från lantbrukets företagsregister 1993. Ägoslag och åkerarealens användning samt omställningsarealer den 10 juni 1993 [Type of land and use of arable land and converted areas on the 10th of June 1993]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1995a. Statistiska meddelanden. J 12 SM 9501. Hektarskördar och totalskördar 1994. Definitiva resultat [Crop yields per hectare and total yields in 1994]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1995b. Statistiska meddelanden. J 10 SM 9501. Rapporter från lantbrukets företagsregister 1994. Ägoslag och åkerarealens användning samt omställningsarealer den 9 juni 1994 [Type of land and use of arable land and converted areas on the 9th of June 1994]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1996a. Statistiska meddelanden. Na 30 SM 9602. Gödselmedel i jordbruket 1994/95. Tillförsel till åkergrödor [Use of fertilizers and animal manure in agriculture in 1994/95]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1996b. Statistiska meddelanden. J 12 SM 9601. Hektarskördar och totalskördar 1995. Definitiva resultat [Crop yields per hectare and total yields in 1995]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1996c. Statistiska meddelanden. J 10 SM 9601. Rapporter från lantbrukets företagsregister 1995. Ägoslag och åkerarealens användning den 8 juni 1995 [Type of land and use of arable land on the 8th of June 1995]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1997a. Statistiska meddelanden. J 12 SM 9701. Hektarskördar och totalskördar 1996. Definitiva resultat [Crop yields per hectare and total yields in 1996]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1997b. Statistiska meddelanden. J 10 SM 9701. Rapporter från lantbrukets företagsregister 1996. Åkerarealens användning och trädgårdsväxter den 13 juni 1996 [Use of arable land and cultivation of horticultural plants on the 13th of June 1996]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1998a. Statistiska meddelanden. Na 30 SM 9803. Gödselmedel i jordbruket 1996/97. Tillförsel till åkergrödor samt hantering och lagring av stallgödsel [Use of fertilizers and animal manure in agriculture in 1996/97]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1998b. Statistiska meddelanden. J 12 SM 9801. Hektarskördar och totalskördar 1997. Definitiva resultat [Crop yields per hectare and total yields in 1997]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1998c. Statistiska meddelanden. J 10 SM 9801. Rapporter från lantbrukets företagsregister 1997. Åkerarealens användning och trädgårdsväxter den 12 juni 1997 [Use of arable land and cultivation of horticultural plants on the 12th of June 1997]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1999a. Statistiska meddelanden. J 16 SM 9901. Hektarskördar och totalskördar 1998. Definitiva resultat [Crop yields per hectare and total yields in 1998]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1999b. Statistiska meddelanden. J 10 SM 9901. Rapporter från lantbrukets företagsregister 1998. Åkerarealens användning den 11 juni 1998 [Use of arable land on the 11th of June 1998]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 1999c. Statistiska meddelanden. Mi 63 SM 9901. Utnyttjandet av halm och blast från jordbruksgrödor 1997 [Utilization of straw and tops from agricultural crops in 1997]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 2000a. Statistiska meddelanden. MI 30 SM 0002. Gödselmedel i jordbruket 1998/99. Tillförsel till åkergrödor samt hantering och lagring av stallgödsel [Use of fertilizers and animal manure in agriculture in 1998/99]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 2000b. Statistiska meddelanden. J 16 SM 0001. Hektarskördar och totalskördar 1999. Definitiva resultat [Crop yields per hectare and total yields in 1999. Final results]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 2000c. Statistiska meddelanden. J 10 SM 0001. Rapporter från lantbrukets företagsregister 1999. Åkerarealens användning och trädgårdsväxter 1999 den 10 juni [Use of arable land and cultivation of horticultural plants on the 10th of June 1999]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 2001a. Statistiska meddelanden. J 16 SM 0101. Hektarskördar och totalskördar 2000. Definitiva resultat [Crop yields per hectare and total yields in 2000. Final results]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 2001b. Statistiska meddelanden. J 10 SM 0102. Rapporter från lantbrukets företagsregister 2000. Åkerarealens användning år 2000 [Use of arable land in the year 2000]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 2002a. Statistiska meddelanden. J 10 SM 0201Åkerarealens användning i juni 2001. Definitiva uppgifter [Use of arable land in the year 2001]. Statens jordbruksverk, Jönköping, Sweden.

  • Anonymous 2002b. Statistiska meddelanden. MI 30 SM 0202. Gödselmedel i jordbruket 2000/01. Handelsoch stallgödsel till olika grödor samt hantering och lagring av stallgödsel [Use of fertilizers and animal manure in agriculture in 2000/01]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Anonymous 2002c. Statistiska meddelanden. J 16 SM 0201. Hektarskördar och totalskördar 2001. Definitiva resultat [Crop yields per hectare and total yields in 2001. Final results]. Statistiska centralbyrån, Stockholm, Sweden.

  • Heidmann T., Christensen B.T. and Olesen SE 2002. Changes in soil C and N content in different croppings systems and soil types. DIAS Report Plant Production no 81, pp. 77–86.

  • Hénin S. and Dupuis M. 1945. Essai de bilan de la matière organique du sol. Ann. Agron. 15: 17–29.

    Google Scholar 

  • Eckersten H., Blombäck K., Kätterer T. and Nyman P. 2001. Modelling C, N, water and heat dynamics in winter wheat under climate change in southern Sweden. Agric. Ecosyst. Environ. 86: 221–235.

    Article  CAS  Google Scholar 

  • Eriksson J., Andersson A. and Andersson R. 1997. Tillståndet i svensk åkermark [Current status of Swedish arable soils]. Swedish Environmental Protection Agency, Stockholm, Sweden, Report 4778.

    Google Scholar 

  • Eriksson J., Andersson A. and Andersson R. 1997. Åkermarkens matjordstyper [Texture of agricultural topsoils in Sweden]. Swedish Environmental Protection Agency, Stockholm, Sweden, Report 4955.

    Google Scholar 

  • Falloon P., Smith P., Szabo J. and Pasztor L. 2002. Comparison of approaches for estimating carbon sequestration at the regional scale. Soil Use Manage. 18: 164–174.

    Article  Google Scholar 

  • IPCC 1997. The Revised 1996 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. <http://www.ipcc-nggip.iges.or-. jp/public/gl/invs1.htm>.

  • Kätterer T., Reichstein M., Andrén O. and Lomander A. 1998. Temperature dependence of organic matter decomposition: a critical review sing literature data analyzed with different models. Biol. Fertil. Soils 27: 258–262.

    Article  Google Scholar 

  • Kätterer T. and Andrén O. 1999. Long-term agricultural field experiments in Northern Europe: Analysis of the influence of management on soil carbon stocks using the ICBM model. Agric. Ecosyst. Environ. 72: 165–179. Erratum: 75: 145–146.

    Article  Google Scholar 

  • Kätterer T., Andrén O. and Persson J. 2004. The impact of altered management on long-term agricultural soil carbon stocks–a Swedish case study. Nutr. Cycl. Agroecosyst. 70: 179–187 (this issue).

    Article  Google Scholar 

  • Kuzyakov Y. and Domanski G. 2000. Carbon input by plants into the soil. Rev. J. Plant Nutr. Soil Sci. 163: 421–431.

    Article  CAS  Google Scholar 

  • Lomander A., Kätterer T. and Andrén O. 1998. Modelling the effects of temperature and moisture on CO2 evolution from top-and subsoil using a multi-compartment approach. Soil Biol. Biochem. 30: 2023–2030.

    Article  CAS  Google Scholar 

  • Rummukainen M. 2002. SweClim–Swedish regional climate modeling program. <http://www.smhi.se/sweclim>

Download references

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Andrén, O., Kätterer, T. & Karlsson, T. ICBM regional model for estimations of dynamics of agricultural soil carbon pools. Nutrient Cycling in Agroecosystems 70, 231–239 (2004). https://doi.org/10.1023/B:FRES.0000048471.59164.ff

Download citation

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1023/B:FRES.0000048471.59164.ff

Navigation