土壤C封存作为生物-发射策略
基斯Paustian
埃里克•拉森
杰弗里·肯特
厄尼马克思
艾米天鹅2
- 1土壤及农作物科学,科罗拉多州立大学,柯林斯堡,美国公司
- 2自然资源生态学实验室,科罗拉多州立大学,柯林斯堡,美国公司
- 3Andlinger能源和环境中心,普林斯顿大学,普林斯顿,新泽西,美国
- 4气候中心公司,普林斯顿,纽约,美国
- 5部门的森林,射程和火灾科学,爱达荷州大学、莫斯科、ID、美国
土壤固碳(C)是三个主要方法之一二氧化碳去除通过陆地生态系统管理和存储。土壤C封存是采用改进的管理实践,增加碳存储为土壤有机质,主要在农田和牧场。这些C隔离法》通过增加植物衍生的残留的输入速率,土壤和/或通过减少有机C股票周转率的利率已经在土壤中。除了二氧化碳去除潜力,增加土壤有机质、土壤C含量从土壤的角度来看非常有益健康和土壤肥力。实践以增加土壤C股票包括众所周知的,已经被证明了技巧,或者“最佳管理实践”(BMP)来构建土壤碳。第二类包括我们称之为前沿技术的重大技术和/或经济障碍存在的今天,但为进一步研发和/或经济激励措施可以提供潜在的更大的长期封存。我们回顾了发表全球土壤固碳潜力估算,代表了生物物理潜力管理农田和/或草地系统存储额外的碳假设普遍(完成)附近采用bmp。大多数研究表明,4 - 5 GtCO2/ y作为全球生物物理潜在的上限附近完全采用bmp。从长远来看,如果成功部署前沿技术,全球估计可能会增长到8 GtCO2/ y。有很强的科学依据管理农业土壤作为重要的碳(C)沉在未来几十年。两阶段策略,首先鼓励采用成熟的、传统的土壤C隔绝实践,在投资研发新的前沿技术,可能会在未来2 - 3年,在线可以利益最大化。这些政策的实施将需要健壮的、科学合理的测量、报告和验证(MRV),系统跟踪政策目标是得到满足,声称增加土壤C股票是真实的。
介绍
与其他陆生生态系统策略有限公司2删除(即。,afforestation, bioenergy with carbon capture and storage (BECCS)], soil carbon sequestration relies on plant photosynthesis to carry out the initial step of carbon “removal” from the atmosphere. However, rather than increasing the storage of carbon contained in plant biomass, soil C sequestration relies on management practices that increase the amount of carbon stored as soil organic matter, primarily in cropland and grazing lands. Part of the attraction of soil C sequestration as a biological negative emission (BNE) strategy is that carbon stocks are most depleted on lands currently under agricultural management and thus this approach to CO2删除不需要的土地利用转换(例如,森林)和对土地资源的竞争。此外,增加土壤有机质、土壤C含量从土壤的角度来看非常有益健康和土壤肥力,为采用土壤碳封存实践提供了额外的刺激。在本文中,我们回顾和总结数据和理解,从领域到全球范围内,土壤固碳能力的发挥作用,帮助减少大气CO2浓度(NASEM 2019)。
在全球范围内,土壤含有大约1500 Gt的有机碳(C)1GtC 2400 m深度和2米深度(Batjes 1996)。因此,土壤碳的总大小水库超过植被和大气中碳的总质量的总和。大约45%的全球土壤受到某种形式的农业(即使用。、农田和牧场)。在大多数土壤有机质2占一小部分(~ 1 - 10%)的土壤质量是由矿物质(即。、砂、粉砂和粘土颗粒);这些都是所谓的“矿物的土壤。“绝大多数的农业用地土壤矿物。相比之下,“有机土壤”(例如,泥炭土壤),顾名思义,有非常高的有机质含量。有机土壤厌氧条件限制分解形式,局部腐烂植物物质积累,土壤的矩阵。
大多数农业土壤(包括无机和有机)枯竭在C语言相对于他们的当地的生态系统,由于减少了净初级生产和出口的收获biomass-which减少土壤C输入;土壤养分耗竭,密集的干扰,土壤和土壤侵蚀其他因素C损耗(Paustian et al ., 1997)。大多数农田土壤矿物失去了30 - 50%的表层土壤C股票层(0 30厘米)相对于本国条件(戴维森和阿克曼,1993年)。相比之下,草原土壤管理对放牧可能有也可能没有遭受了类似C的损失相对于他们的原生状态,取决于管理。草原的过度放牧和管理不善可能显著减少土壤C,而有序的草原可能C股票等于或超过原来的本地条件(科南特et al ., 2016)。
土壤的有机碳含量之间的平衡是由C添加到土壤从植物残体(包括根)和有机修正案(如肥料,肥料),和C的速度失去了土壤,主要是为有限公司2(即从分解过程。,heterotrophic soil respiration). Other organic C can be lost as CH4从厌氧(例如,淹没)系统以及浸出的溶解有机C,不过这些都是次要的损失过程在大多数的生态系统。土壤侵蚀可以极大地影响C股票在一个特定的位置,但在更大的尺度上侵蚀可能不代表失去的过程本身而是一种再分配的土壤侵蚀全球C C的影响平衡是一个持续的主题研究但水土流失会导致小净C水槽,因为埋葬C的沉积物减少其分解率和地下土壤侵蚀风险、低C层可以有更高的容量来存储额外的C (范东et al ., 2007)。
原生生态系统的碎屑C输入是一个函数的类型(例如,年度与多年生木本和草本)和生产力的植被,在很大程度上受气候而且养分有效性和其他经济增长决定因素。分解率控制的各种因素,包括土壤温度和水分,排水(影响土壤O2状态)和博士土壤物理特征如纹理和粘土矿物学也影响寿命和持久性(即。,平均停留时间)的土壤C影响有机质稳定过程,即。,the extent to which organic matter is “protected” from decomposition through mineral-organic matter associations (施密特et al ., 2011)。
在农田和牧场等管理生态系统C输入的速度以及土壤C的速度损失通过分解影响的土壤和作物管理实践应用。一般来说,可以增加土壤C股票:(a)增加土壤C之外,删除有限公司2从大气中,和/或(b)减少损失的相对速率(有限公司2通过分解),这样可以减少排放到大气中,就会出现这种情况。
然而,三个要点需要有关土壤C模式的收益或损失的第一,提高C输入和/或减少分解率,土壤C股市倾向于一个新的平衡状态,因此几十年C上涨后减弱,随着时间的推移变得越来越小(Paustian 2014)。其次,因为土壤C平衡是由生物过程,管理的变化导致C收益可能是可逆的,也就是说。,如果管理层返回到之前的状态,大部分或全部获得C可能会丢失。因此,实践,导致增加土壤C需要长期维护。第三,土壤矿物(即。,non-peat soils) have an upper limit or “saturation level” of soil C (6 et al ., 2002)。虽然这最大土壤C浓度远高于被发现在大多数土壤管理,这意味着土壤水平已经非常高的有机物质(例如,> 5% C质量)倾向进一步C低收益。
额外的考虑,提出了关于限制土壤C封存,咄咄逼人的目标是需要额外输入的氮(范Groenigen et al ., 2017)。在大多数矿物的土壤,土壤有机质有一个相对狭窄的C: N化学计量学,通常从8到20,C: N(10 - 12作为一般“经验法则”对农业土壤。因此,为了维持这种平衡,如果土壤有机质股票增加40亿吨CO说2情商GtC / y (1.1 / y),然后每年约1亿吨的N需要纳入增加土壤有机质。范Groenigen et al。(2017)指出,这相当于大约75%的当前全球合成氮肥生产。虽然这是一个有效的观点,实践的许多被提拔为增加土壤C包括使用更多的豆类(如促进固氮覆盖作物结瘤豆科干草/牧场轮流与年度作物),可以帮助满足要求额外的N个输入土壤有机质。此外,许多农田土壤在北美,欧洲,中国,印度,东南亚和目前失去大量的添加N(从肥料,肥料,N-fixation)气态损失和硝酸溶滤,从而改进实践,可以“吸收”其中一些N合并成土壤有机质将产生多个环境效益。毫无疑问,改善管理N的输入,来维持作物生产力和增加土壤有机质和N降到最低2O排放(每个群众基础最有效的生物温室气体)和其他损失pollution-causing活性氮的环境下,将策略的一个重要组成部分-土壤排放。
管理实践以增加土壤C存储和网络有限公司2删除
在评估管理干预措施提高土壤C股票,最近国家科学院报告土壤碳封存管理实践分为两大类(NASEM 2019)。第一类包括已知的、行之有效的保护管理系统能够提高土壤C与现有的作物和土地管理技术。这些行为通常不是主要使用(还),但被更多的练习节约型农民和有潜力变得更广泛采用。这样的管理技术可以称为bmp(“最佳管理实践”)增加土壤碳储存。通过适当的激励,这样每个位置可以快速通过提供短期土壤C股票上涨。第二类的实践被称为“前沿技术”,代表系统或实践的重大技术和/或经济障碍存在。因此,他们代表技术和实践仍很大程度上实验,很少或根本没有出现在生产农业系统,因此尚不够成熟,大规模部署。然而,随着进一步研发和足够的经济激励这些前沿技术可能提供潜在的更大的长期土壤C增加。
传统的保护措施(bmp)隔离土壤C
保护实践,有助于土壤碳储量的增加是众所周知的从大量的田间试验和野外观察比较。表1列举了几类实践,分类根据其主要作用方式增加C输入土壤土壤C和/或减少损失。
表1。农业管理措施的例子可以增加有机碳储存和促进公司净除2从大气和土壤的主要行动模式C(从平衡Paustian 2014)。
改善作物轮作和覆盖种植
农民可能采用的裁剪数量的选择,增加输入C的土壤:high-residue作物的种植,季节性覆盖/绿肥作物,连作(减少休闲频率)和种植的永久或旋转多年生牧草(演员,2004)。例如,一个最近的全球覆盖作物的审查报告的年平均削减率0.32 tC /公顷/ y,几项研究报告率高于1 tC /公顷/ y (Poeplau和唐,2015)。在许多干燥的气候条件下,农民耕农田保护土壤水分每隔一年,稳定粮食产量。强化和多样化的作物轮作系统可以增加平均C输入,导致土壤C股票高于高休闲频率系统(例如,西和Post, 2002;谢罗德et al ., 2005;O 'Dea et al ., 2015)。在潮湿的环境中,添加2 - 3年的多年生草/饲料作物行作物轮作增加C输入从细根和提高SOC股票(例如,迪克et al ., 1998)。
粪肥和堆肥添加
有机质增加堆肥和肥料能提高土壤C等内容,同时通过添加C的修正案本身,通过改善土壤物理属性和养分有效性,这样植物生产力和残渣C输入增加(Paustian et al ., 1997)。一个困难在评估的总体影响有机修正案网络有限公司2删除,修改通常源自一个“离线”位置,因此不直接反映农场有限公司2从大气中吸收与其他实践在这一节中描述。因此一个完整的生命周期评价(LCA)方法,即评估的边界扩展农场包括源以外的修正案,需要一个精确的会计的权责发生制和净温室气体减排。给出的一个例子是工作在加州堆肥牧场,银和同事(瑞尔斯和银,2013年;瑞尔斯et al ., 2015)发现大幅增加在土壤C存储后适度堆肥添加(一次性~ 1.3厘米厚面酱),在一定程度上归因于提高渗透和保水性,提高草地生产力,因此更大的草根和输入土壤残留。没有计算C的堆肥,他们估计增加C存储0.5 tC /公顷(1.8 tCO2情商/公顷)和3.3 tC /公顷(12.1有限公司2情商/公顷)在两个对比牧场网站,分别3年后堆肥。进一步,堆肥是来自有机废物的常态情况下涉及土地填充,因此潜在的大排放的甲烷,DeLonge et al。(2013)估计平均净温室气体减排23 tCO2情商/公顷,在3年的研究时间,考虑到完整的LCA包括减少垃圾填埋场的废物排放和堆肥生产、运输、应用程序,以及随后的土壤改良的影响。考虑城市中心所产生的大量的有机废物和用垃圾填对温室气体排放的影响,有机土壤,修正案的潜在好处使用堆肥是一种潜在的吸引力的选择价值附加研发评估全方位的环境成本和收益。
耕作
耕作的农民使用管理作物残留物和准备作物的种子床,并且年农田土壤干扰的主要来源。耕作技术的进步和农艺实践允许农民在最近几十年里减少耕作频率和强度,有时完全停止耕作实践被称为“免耕”(NT)。许多农民为了减少耕作的主要推动力是减轻水土流失。有研究报道高度显著减少土壤侵蚀在NT下,通常高达90% (Langdale et al ., 1979;Ghidey和Alberts, 1998年;威廉姆斯和吴,2011年)。耕作也徒的分解速度稳定土壤总量,可以“保护”从分解有机物质(6 et al ., 2002)。在NT下,聚合,聚合稳定性显著增强,这被认为是主要的机制促进增加C存储在NT下(六、Paustian 2014)。很多领域的研究和评论显示增加土壤有机碳(SOC)采用降低到和NT后,由于土壤质地和气候变化(Denef et al ., 2011)。例如,媚眼et al。(2005)NT下估计增加大约0.25 tC /公顷/ y和0.29 tC /公顷/ y和桑迪non-sandy土壤,分别。在全球分析,六et al。(2004)报告增加干燥的气候条件下的0.1 tC /公顷/ y和0.22 tC /公顷/ y在潮湿的气候条件下。Sainju (2016)最近评估NT的净影响大气层,并发现NT系统低66%全球变暖潜力(GWP)和71%强度较低的温室气体(GHG排放单位收益)比传统耕作系统。然而,有时候,免耕并不增加土壤C相对传统耕作制(愤怒和Eriksen-Hamel, 2008年与已经很高),主要在土壤表面C浓度和通常凉爽和潮湿地区的农作物产量和C输入可能降低在NT下,例如,由于延迟发芽(媚眼et al ., 2012)。
在湿润和半湿润气候的农田,尤其是土壤中度到落后的排水系统和高C浓度表面层相对于地下,一次性深反演耕作可能是非常有效的促进显著增加土壤C股票,在数十年的时间里。这种做法需要c的表面的葬礼视野深度60 - 80厘米深度和低廉、底土材料表面的转移。埋葬的C的表层土壤可显著减缓其分解(根渗透,促进更深层次),而C隔离practices-e.g“传统”。、高残留作物覆盖作物,no-till-applied新暴露的底土的材料,可以快速构建新的C股票在土壤表面层次。例如,阿尔坎塔拉et al。(2016)采样10网站在德国已经受到一个深耕操作在1965年和1978年之间(减轻压实的地下一层),发现deep-tilled网站包含平均42吨/公顷SOC股票(1.5米深)大于土壤没有deep-tilled相似。作物产量相似的领域深耕处理和未经处理的领域。土壤C的隐含的平均利率提高后,深耕行动0.96 tC /公顷/ y (3.5 tCO2情商/公顷/ y), 45年。
转换为多年生牧草和豆类
在农田转化为多年生植被(草、树木),我们观察C输入的增加和减少土壤扰动(Denef et al ., 2011)。土地退出农田种植通常被称为“储备品。“在美国,the Conservation Reserve Program (CRP) pays farmers to retire marginal and highly erodible croplands, with peak cumulative enrollments of just over 35 million acres (美国农业部FSA, 2012)。EPA国家温室气体清单报告学分CRP土地作为农业土壤碳汇的主要贡献者(在美国构成,2017)。的合成科南特et al。(2016)估计C转换后股票涨幅在39%的年度农田永久植被,几乎平均速度0.9 tC /公顷/ y。最初的SOC积累下能高储备品,和长期的实地研究指出,积累可以持续几十年,接近水平的本地SOC股票(贝尔et al ., 2010;老李et al ., 2012)。
再湿润土壤有机
土壤和实践讨论这一点与土壤中矿质土壤,“大量的土壤质量是由矿物质,例如、沙子、淤泥和粘土和有机物通常构成的地方只有几总质量的百分比。相比之下,有机土壤(称为“有机土”正式的土壤分类系统),包括泥炭和muck-derived土壤的总质量主要由有机物质。这些土壤浸满水的条件下形成的(因此很低啊2浓度),强烈抑制分解过程,导致形成的深层,部分分解植物材料。与土壤矿物相比,有机土壤不受饱和度相同的方式——即,有机物可以继续积累,随着土壤“深度”增加,只要抑制分解的条件依然存在。当土壤有机农业利用它们通常排干,用石灰处理,受精。他们可以为年度种植卓有成效,但农业转换产生极高的有限公司2排放,高达40 - 80 tCO2/公顷/ y(以及大量N2O排放;联合国政府间气候变化专门委员会,2006)作为土壤质量是被氧化,可以继续只要保持接触的有氧(即有机层。,环境2浓度)的条件。因此,有机生产和水文条件的土壤可以恢复(称为“再湿润”),高有限公司2和N2O排放可以减弱和土壤C积累可以恢复(威尔逊et al ., 2016)。湿地条件恢复时,CH4排放可以增加,但总的来说,恢复种植有机土壤提供了非常大的每公顷净减排。然而,有机土壤种植的面积很小,相比于矿物的土壤,这样总体减排潜力相对温和的(Paustian et al ., 2016 a)。
改善牧场管理
在美国,不出所料牧场通常分化成两个主要类别:草地和牧场。一般来说,牧场草原由本地物种,通常发生在干燥环境中,传统的管理干预措施在很大程度上局限于操纵放牧强度和持续时间。相比之下,牧场通常由非土著和/或非本地物种,通常来自其他土地覆盖和支持更密集、更多样化的管理选项(如施肥、灌溉、植物种类的介绍,以及放牧管理)。
除了一些管理牧场,牧场通常不会耕种。因此,提高SOC股票下多年生牧草主要依赖提高C输入从植物根和残留物。农场主可能实现这一管理植物去除从放牧或增加饲料生产通过改善物种,灌溉和施肥、SOC的股票收益率增加10% (科南特et al ., 2016)。其他分析的牧场bmp(包括调整动物放养率和管理植物物种)发现SOC股票增加0.07 - -0.3 tC /公顷/ y在牧场和0.3 - -1.4 tC /公顷/ y在牧场管理(摩根et al ., 2010)。看个人的实践,科南特et al。(2016)估计平均积极股票变化改善放牧(0.28 tC /公顷/ y),播种豆类(0.66 tC /公顷/ y)和受精(0.57 tC /公顷/ y)。
为提高生产力和土壤条件在牧场,有高度兴趣集中放牧行为在短时间内使用动物放养率高,从几小时到几天,在一个区域的牧场,频繁的动物运动和相对较长的“休息时间”之间的植被放牧活动。各种条款包括旋转放牧、暴民放牧或自适应multi-paddock (AMP)放牧等用于标签管理系统虽然术语标准化。一些研究表明从AMP放牧系统非常有戏剧性效果的改善生产力和土壤物理性质,提高土壤碳储量。爱尔兰人et al。(2011)报道的土壤C积累大约3 tC /公顷/ y在安保系统相比,重,连续放牧系统和Machmuller et al。(2015)C报道更高利息的利率每年8 tC /公顷/ y出现土壤转化为密集循环放牧系统。不过,也有人质疑AMP /循环放牧系统优于管理良好的连续放牧系统(Briske et al ., 2008),有一个在科学界争论。混杂的问题是,自适应放牧系统,根据定义,是动态响应不同气候和其他环境条件影响草地生产力。因此很难建立传统复制田间试验比较不同的放牧系统在景观尺度(爱尔兰人et al ., 2013)。在任何情况下,额外的研究和更好地理解放牧影响SOC股票需要确定最优管理条件增加股票和减少土壤C N2O和CH4排放的牲畜在这些系统。
“前沿技术”隔离土壤C
一些“非常规”管理实践提供相当大的承诺产生负排放,但需要进一步研究开发必要的技术和/或更好的约束估计成本和生命周期排放在大规模部署。技术,我们认为这里包括生物炭应用于农田土壤,常年粮食作物的部署,采用年度作物,培育生产更深和更大的根系增强C输入。
生物炭的添加
生物炭是一种富含碳的固体产生生物质通过热化学转换过程称为热解。一系列可用于热解温度,较低的温度/不再居留时间有利于固体生物炭形成和更高的温度/住宅短时间产生更大比例的气体和液体生物燃油和更少的字符(特里帕西et al ., 2016)。能源生产之间的权衡因此产生,这通常更喜欢最大生产挥发物和生物油、和土壤的应用程序支持最大生物炭的生产。生物炭也出现在许多易燃的土壤生态系统(通常被称为火成的碳),包括草原、热带稀树草原和森林,可以多达35%的总有机C在这些系统(Skjemstad et al ., 2002;格拉泽和阿梅龙,2003;鸟et al ., 2015)。因此生物炭/火成的许多土壤和土壤的碳是一种天然成分函数通常没有受损(和可能增强)的大量(例如,100吨/公顷以上)生物炭。因此,许多土壤添加生物炭的潜在巨大的存储容量。
生物炭的修改会影响土壤C存储和网络有限公司2删除从大气中三种不同的方式。生产生物炭作为生物燃料热解过程的副产物,当添加到土壤中,大部分的生物炭质量(80 - 95%)是高度耐微生物腐蚀,平均停留时间100年代年以上(桑托斯et al ., 2012;王et al ., 2016)。因此,生物炭本身代表一个碳股票,一旦添加到土壤往往持续很长时间。其次,生物炭的添加也可以与原生有机质已经存在于土壤,并刺激或减少原生土壤有机质的分解速率。这些交互可能涉及许多因素,包括对土壤持水量和土壤水分的影响,pH值的变化或营养可用性和直接添加生物炭对微生物群落的影响活动和组成。正面和负面影响本地SOM分解后发现了生物炭添加(例如,歌et al ., 2016;王et al ., 2016),但在大多数情况下,这些影响长期土壤C平衡很小(王et al ., 2016)。最后,生物炭的添加可以影响植物生产力,因此C输入土壤植物残体的形式。生物炭添加植物生产力可以相差很大的影响取决于生物炭的特征和土壤/植物特征。荟萃分析的结果表明,生物炭的添加通常有中性或积极的对植物生长的影响,用小增加平均(一般< 10%)在温带作物体系和更大的增加(例如,10 - 25%)在热带系统中,特别是在酸、贫瘠土壤(刘et al ., 2016)。
除了影响土壤C存储,大量的研究表明,生物炭的修改可能会降低土壤N2O排放,这将进一步导致温室气体减排。最近的一项荟萃分析Verhoeven et al。(2017)平均减少N29 - 12%的排放而早期全球评估(Cayuela et al ., 2014)建议更大的平均减少近50%,相比non-biochar修正土壤。这些荟萃分析的差异是由于不同的选择标准和权重因素包含的研究使用。无论如何,有一种新兴共识,平均而言,生物炭应用有助于减少N2O排放。的确切机制不确定因为许多控制硝化和反硝化过程(N2O排放发生),例如pH值、矿产N浓度、土壤湿度和O2的浓度,可以影响生物炭的存在。
总之,生物炭修正案的主要作用相关的温室气体平衡是长期存储的生物炭添加到土壤里去的。因为生物炭的生产和运输(和生物能源副产物)需要许多不同的温室气体排放源,实际减排获得(对大气中)取决于完整生物炭生命周期和排放的生物质原料生产和收获,生物炭生产过程和现场应用。这个生命周期C抵消净值可能与系统设计和位置相差很大,和更好的生物炭的知识系统需要具有支持大规模部署。为数不多的全球生物炭的修正案作为评估有限公司2缓解策略,伍尔夫et al。(2010),提出了减缓气候变化每年1.8 Gt C的潜力。由于biochar-bioenergy-agricultural系统的复杂性,大规模生产和土壤生物炭应用的可行性将空间变量和过程相关的。一个成本效益分析发现(没有C价格),土壤生物炭应用程序的净现值是积极在撒哈拉以南非洲但消极在西北欧洲背景下,由于更大的生产成本和更温和的组合收益率的好处在后者的情况下(迪金森et al ., 2015)。
部署常年粮食作物
有教养的努力在过去的三十年里开发谷物与长期增长(和其他年度作物)的习惯。选择多年生牧草育种的股票,如中间麦草,明显具有深而广泛的根干物质分配比例的系统比传统的年度作物地下的。因此C输入比一年生作物土壤要大得多,因此将支持更大的SOC的股票。多年生作物也会大大减少耕作的必要性及其对SOC的负面影响股票和水土流失。更大、更深的根系也可以减少硝酸浸出损失水道和N2O排放到大气中(Glover et al ., 2010;皮门特尔et al ., 2012;Abalos et al ., 2016;人员和拉姆齐,2017)。
因为相对近期重点发展agronomically-viable多年生谷类,很少有足够的时间记录的长期实验提高SOC采用常年粮食作物。Culman et al。(2013)发现中间麦草增加的数量不稳定土壤C后4年年度冬小麦在密歇根州西南相比,但是没有总SOC显著增加。然而,从其他长期研究结果和chronosequences涉及多年生草(如干草、牧草)系统可能提供一个合理的代理是什么预期的长期反应土壤下常年谷物。SOC的一些利率变化观察年度农田转换后给出各种多年生草地管理系统表2。
表2。观察到的SOC改变下各种常年管理系统。
从表2它是合理的假设常年谷物可以隔离,平均约1 tC /公顷/ y(约3.6 tCO2/公顷/ y)许多年来,土地从连续转换年度作物生产在美国中央粮食带。
目前有几个障碍采用多年生谷类在重要领域目前的土地分配给传统的年度作物。其中最主要的障碍是低收益率,因此怀疑如果带来规模经济可行性。中间麦草产量(目前最具有商业价值的多年生谷类)通常是< 1000公斤/公顷,每年5 - 10倍小麦产量在同一地点(Culman et al ., 2016)。年之间的变化也时髦密歇根州西南部一个4年的研究,Culman et al。(2016)平均收益率从119公斤/公顷/ y(2012年)到1493公斤/公顷/ y(2011年),平均4年以上的485公斤/公顷/ y。4试验超过75行常年麦草在澳大利亚,几个有第一年收益率接近盈利能力阈值(不考虑任何价值潜在的碳减排效益),但收益率以下三个赛季拒绝可以忽略的水平(拉金et al ., 2014)。其他问题包括谷物破碎问题,住宿、小种子大小和稀疏优化农业经济学知识。这种挑战并不意外的几年活跃育种工作到目前为止,从而进一步选择、繁殖和现场实验可能会提高产量和农业经济学3。然而,有可能持续权衡涉及资源配置之间的多年生植物地下的根和地上部干物质粮食(Smaje 2015;维科et al ., 2016),将限制粮食生产能力建设。
也有明确权衡取代收益率较高的年度收益率较低的作物多年生植物在土地利用方面的影响在全球尺度的区域。如果食品/饲料供应减少由于采用低收益率的多年生植物,有压力来代替,通过转换的新土地农业生产损失,导致潜在的大量增加导致温室气体排放土地利用转换。称为间接土地利用变化,这种现象被广泛分析了粮食作物替代能源作物的情况下(例如,搜索et al ., 2008;Creutzig et al ., 2015)和作物产量之间的权衡和土地利用选择的核心论点支撑可持续土地利用集约化(例如,福利et al ., 2011;加内特et al ., 2013)。然而,潜在的混合谷物和饲料生产和针对边际土地的使用不适合粮食年产量为成功提供机会初始常年粮食作物的商业化(贝尔et al ., 2008;Culman et al ., 2016)。总之,多年生谷类显示承诺扩大一系列农业生态系统提供的服务,包括建筑SOC,但大量工作仍是生产品种与可靠的再生和充足的粮食产量,其他重要农艺性状(考克斯et al ., 2010;人员et al ., 2016)。
每年农作物育种发展更深和更大的根系
另一个未来的选择,有点类似于多年生谷类的部署,将修改,通过有针对性的繁殖和植物选择、现有的一年生作物植物产生更多的根,土壤剖面的更深。因此,虽然作物每年仍会有生命周期,都C输入土壤会增加和更深层次的根分布,分解速率慢的比表面的视野,将采取措施增加土壤C存储。摘要一个概念凯尔(2012)提出理由可能直接植物育种努力为我们开发品种主要粮食作物,如玉米、高粱、小麦、大麦,会有更大的分配C根还有更深层次的根分布相比,当前年度作物品种。
在分析支持能源部的arpa - e,发起一个新项目Paustian et al。(2016 b)进行了“边界分析”估计什么级别的增加土壤C和总温室气体减排(包括N2O排放)可能基于指定可行的增加总根质量和改变根深度分布向那些多年生牧草。他们估计,广泛采用的一年生作物表型有越来越大的根系可以产生土壤C 0.5 Gt公司股票上涨2在当前美国农田/公顷/ y。
估计生物物理潜力有限公司2去除土壤和封存
正如前一节中描述的,有各种各样的管理实践,可以采用在农田去除有限公司2从大气中,将它转化为土壤有机质。接下来的问题是“多少?“——碳可以被添加和维护土壤和足够大的事吗?
在过去的20年里已经有几个估计土壤C封存潜在的全球和美国。在几乎所有情况下,这些代表了生物物理的潜力农田或草地管理系统存储额外的碳假设普遍(完成)附近采用隔离措施。因此,这些代表上限估计C封存的潜力。经济和政策约束一般不认为他们需要一个详细的耦合的生态系统和经济建模方法。就方法而言,大多数的估计,特别是在全球范围内,基于高度聚合数据面积的土地利用类型,分为广义的气候类型,然后应用代表每公顷的估计土壤C削减利率不同的管理实践或套件的实践,基于测量长期田间试验。
尽管不同的范围(包括土地类型)和假设(实践),全球估计(当中有相当密切的对齐图1),表明技术土壤C封存2 - 5 Gt公司的潜力2每年,在上面的部分特征现有最好的保护管理措施。估计区间的低端考虑要么减少土地面积(如农田只)和/或一组更受限制的做法。毫不奇怪,这些不同的估计在合理对齐,因为两个主要决定因素,土地面积的土地利用类型和观察到的利率从长期田间试验土壤C封存,相当严格的限制。因此,似乎有很好的支持估计高达4 - 5 Gt有限公司2每年广泛采用的一套广泛的bmp全球草原和农田土壤C封存。这些利率C存储可以持续一段有限的时间,2 - 3年的下降之前,作为新的平衡土壤C水平的方法。
图1。发表估计全球生物物理的土壤固碳潜力,假设(附近)全部采用C隔离措施。估计不同的土地利用类型和混合的实践包括;例如,2000年以前估计(Paustian et al ., 1998;尔和布鲁斯,1999)集中在农田和草地边缘作物土地储备品,虽然后来估计(拉尔,2004;史密斯et al ., 2008;大梁Bossio, 2014;Paustian et al ., 2016 a;Griscom et al ., 2017;大惊小怪et al ., 2018)包括一个全面的选项在所有农业土地。的联合国政府间气候变化专门委员会(2000)估计提供了一种点估计每年而其他出版物提供一系列的利率。所示的两个估计Paustian et al。(2016)表示有和没有前沿技术。
的估计Paustian et al。(2016),高达8 Gt公司2每年,包括~ 3 Gt有限公司2/ y从我们称为“前沿技术”,在这种情况下生物炭的修正案和高根C输入作物表型,除了传统的保护技术包括在全球其他的估计。然而,这些前沿技术潜力的估计技术更不确定,因为该领域的实证数据对他们的性能(例如,在长期实地研究)也少得多了,或在小说中作物类型(例如,多年生谷类,增强根表型年度作物),技术本身还处在初级发展阶段。
与巴黎的谈判气候协定,法国政府宣布了一项被称为“4千分率”的巨大努力倡导增加全球土壤C股票作为核心的温室气体减排策略。根据INRA铰接,法国国家农业研究所(INRA 2017),如果全球土壤C股票在前40厘米(GtC) 860(即平均可增加0.4%。每年4千分率),相当于3.4 GtC / y或12.6 GtCO2/ y。这一水平的网络有限公司2吸收会抵消大部分当前年度增加大气CO2(15.8 GtCO2/ y),假设当前海洋和陆地C下沉仍完好无损。有相当大的争论这种级别的土壤C封存的确是可能的,以及所有土壤或主要农业土壤是否应该有针对性的(例如,钱伯斯et al ., 2016;Minasny et al ., 2017)。在任何情况下,作为一个有抱负的目标,4千分率的概念无疑刺激了辩论和土壤的“提高”作为一个潜在的重要的缓解策略。
点的比较,目前全球温室气体排放约40 GtCO2 e/年(其中约83%来自化石燃料燃烧),和巴黎会议的目标协议可能需要大约15 Gt公司负排放2由本世纪末/年(NASEM 2019)。
结束语
农业土壤有强大的科学证据作为重要的碳(C)沉在未来几十年,从而为会议巴黎气候协议的目标。有各种各样的C隔离可以应用实践和最好的解决方案根据不同气候、土壤、和农业实践。许多实践(例如,改善作物轮作,使用覆盖作物、耕作变化,氮肥管理)已经开发和其功效相对容易理解。大规模的采用这些措施可能很快发生。其他潜在的实践,需要开发新的作物品种和土壤改良剂如生物炭的大规模使用,需要额外的研究和发展克服技术障碍和/或改善经济可行性。
这表明一个“两阶段”战略。可以立刻制定强有力的政策开始国际努力增加土壤碳封存,基于现有的技术。关键因素是有效的政策,鼓励农民采取改进(C隔绝)实践,通过补偿额外的成本和/或增加风险。扩大教育和推广也有助于克服知识或“诀窍”障碍。同时,持续研发,增加投资可以致力于进一步发展新的作物品种,同时常年粮食(和石油等其它作物种子的“perennialization”)和繁殖年度作物更大、更深的根系。这可能导致这些新作物的生存能力有关2030年及以后的使用,当需要-发射策略将会增长。
这些政策的实施将需要一个健壮的、科学合理的测量、报告和验证(MRV),系统跟踪政策目标是得到满足,声称增加土壤C股票是真实的。大部分的基础设施的有效MRV系统土壤C封存可以相对快速组装和适度的研究和开发投资(NASEM 2019;Paustian et al ., 2019)。现有的地面长期田间试验数据(例如,强化et al ., 2018)与国家田间土壤监测网络(范Wesemael et al ., 2011)可以支持持续改进和部署基于过程的预测模型。扩大使用遥感可以帮助监督管理实践(例如,蜂巢et al ., 2018)和限制局部范围的估计有限公司2同化和C输入土壤的农作物(例如,关et al ., 2017)。这种地面实验和广泛而全面的融合监控、动态预测模型、遥感和farmer-based知识管理实践可以形成量化的基础工具,可以通知政策和程序实现,在字段(Paustian et al ., 2018)部门(媚眼et al ., 2014)。
通过利用现有的科学知识和基础设施,加上适度的投资进一步推进知识库和开发新技术,许多国家可以实现负排放战略的农业部门,同时提高他们的健康和弹性的土壤。这将刺激和鼓励全球范围内活动(例如,Schleussner et al ., 2016;INRA 2017),以帮助实现的目标限制全球平均温度增加< 2°C。
作者的贡献
KP和EL制定的想法。KP领导开发和论文的写作。JK, EM,帮助编译和分析数据,对论文的写作起到了推波助澜的作用。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
脚注
1。^在这篇文章中,C是指碳和有限公司2情商是指股份有限公司2等价物。一个相当于3.67加元的语气音调的有限公司2情商。
2。^大约50%的土壤有机质是碳的质量。
3所示。^Glover et al。(2010)估计,商业上可行的多年生谷类将在2030年上市。
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关键词:生物物理的潜力,碳封存、最佳管理实践、二氧化碳去除和存储,农业土壤
引用:Paustian K,拉尔森E,肯特J,马克思E和天鹅(2019)土壤C封存作为生物-发射策略。前面。爬。1:8。doi: 10.3389 / fclim.2019.00008
收到:2019年6月30日;接受:2019年9月19日;
发表:2019年10月16日。
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