生物圈的温室气体管理
一个方法来讨论温室气体减排和适应在加拿大的农业政策的背景下被称为生物圈温室气体管理。生物圈温室气体管理包含三个组件:删除,减少,replace1(图14.2)。“删除”删除是指大气中的二氧化碳通过农业土壤固碳(下沉)。“减少”是指减排和“替代”是可再生生物质能源的替代bet雷竞技 。消除和减少短期和中期策略而“取代”代表着新的和创新的技术,长期将变得更加重要。平衡的这一章,我们推断生物圈未来温室气体管理策略,目的是探索如何可能导致一个更环保的农业系统和生物能源经济。我们问未来的农业实践如何影响温室气体的必要性
1基于删除生物圈温室气体管理的概念,首次提出的减少、替换BIOCAP基础。更多的信息可以在这个网站:www.biocap.ca。
减缓和适应气候变化。raybet雷竞技最新我们不能预测农业如何改变在未来几十年,这不是我们的意图。相反,我们希望深入了解我们应该问的问题当我们思考未来如何农业系统看起来和功能。
我们有些任意选择关注两个时期:2020年到2050年和2050年到2080年。所需的时间变化等复杂系统的农业,20年探索之路不是很长,但2020年之后可以提供一些见解,我们可以从2004年的趋势和起点。即使在2020年到2050年预计将农业主要是反映当前趋势的延续,到了第二个时期,2050年到2080年,减排政策和适应气候变化的影响可能会导致大量的作物生产系统的变化。raybet雷竞技最新
当我们认识到其他场景一样,我们未来的预测基于以下假设2050年气候:raybet雷竞技最新
•温度、蒸散率和干旱的可能性增加了。作为回应,草原和森林时,他们开始继续向北迁移大陆冰原撤退一万年前。
•温暖和干燥的气候危害堆积的雪落基山脉在草原河流减少融雪和水流,产生在山里。没有这些河流,稳定和可靠的水源,大部分的生物多样性,该地区的工业活动和城市人口的脸水资源短缺。•草原气候raybet雷竞技最新目前的特点是生长期水分赤字(锥和范德坎普,2001)和水平衡是高度敏感的气候。raybet雷竞技最新蒸散率小、持续增加(因为气温变暖或者降水量的减少,或两者)将增加作物歉收的风险在2050年由于干旱。虽然不可能种植作物,在最干旱的地区获得保本收益下降的可能性。
变革的短期和中期的变化:2020年到2050年
道路从这里到2020年将会是由许多动态因素,如市场、天气、政策,新技术,等等,但农民使用的减灾实践2020年可能会包括免耕和直播系统,现在农民们采用。它们是“不后悔”温室气体策略,提供一系列的经济和环境效益。
“删除”策略是基于大气中的二氧化碳转移到植物光合作用和从那里碳水库如土壤。删除时生产商采用农业实践导致植物碳的数量保留在土壤有机质增加。增加土壤有机质发生,因为新的实践提高植物产量和有机物的量添加到土壤或减少土壤扰动,并添加植物材料衰变的速率和被土壤微生物。土壤碳将隔离,直到达到一个新的平衡中碳的速度增加土壤碳平衡的速率衰减。这需要几年或几十年逐步方法对土壤有机碳平衡。在这一点上,土地管理或环境的变化导致碳增加下降或亏损增加将不平衡的平衡,导致土壤再次成为净二氧化碳排放的来源。另一方面,土壤将恢复其功能净碳汇如果是设法增加有机质增加相对于损失。土壤将作为一个净源或净碳汇,直到再来与新级别的碳平衡输入和损失。
草原农业土壤有能力增加他们的有机碳含量,因为他们失去了太多的过去的农业实践农田土壤净源的二氧化碳排放量在过去的世纪。只有在过去十年中,主要从“传统”的实践,特别是那些涉及耕作和夏季休耕,土壤保护实践,如免耕和减少夏季休闲使用,使草原农田净碳“汇”。
在第一年农业发展的草原后,土壤科学家和agrologists认识到草原土壤中的有机物丰富的商店很容易耗尽的作物生产实践的时间。系统类似于连作和减少耕作系统生产商现在采用推荐的,但他们不可能盈利(简森,2001)。生产作物没有夏季休耕,耕除草开始盈利后仅在1970年代农民完善直播技术和低成本,避免早期能够获得有效的除草剂太迟了有机质的损失,但对温室气体减排的好时机。(有农民在早期技术来避免从土壤碳流失,我们可能不是现在谈论使用土壤温室气体减排)。
“减少”策略是基于实践,减少温室气体的排放。在大多数领域,“减少”策略,旨在减少在化石燃料燃烧排放的二氧化碳。然而,农业是一个生物生产系统和一氧化二氮(一氧化二氮)和甲烷(CH4)是主要的温室气体。
氮(N)的增加,从肥料,肥料,和其他来源,从农田一氧化二氮排放的主要来源。排放通常发生在有更多比作物需要N在土壤——因为数量或时间N作物需求不匹配的应用程序。策略来减少N周期的一氧化二氮排放通常涉及更好的管理减少N“泄漏”的系统,无论是硝酸为大气水或一氧化二氮。
大多数农业排放的甲烷肠内发酵在反刍动物和液体肥料存储。甲烷排放量农田主要发生在液体肥料应用于大量土壤表面。减排实践包括改善反刍动物饮食的质量(减少纤维含量),添加修改,如离子载体、饮食,减少液体肥料的时间存储,恢复排放量泻湖,施加肥料在土壤能容纳的利率。
土地利用模式:2020年到2050年
减少潜在蒸散的强烈西南东北趋势(图14.1)是加拿大大草原的主要影响是潜在的生产力。作物生产力和生产系统的半干旱草原西南部(棕壤区)是明显不同于那些更潮湿的北部和东部地区(黑色和灰色的土壤区)和潜在的碳封存大幅降低在棕壤区土壤比黑色和暗灰色区域。
半干旱棕壤区
当前土地利用范围从牧场和饲料支持畜牧生产最干旱地区的棕壤区生产谷物的旋转,包括summerfallow大约在每四年一次的风险减少干旱(PFRA, 2000)。如果气候温暖和raybet雷竞技最新干燥机在2050年(我们认为对于这个练习)和干旱的风险增加,适应将有利于牧场和干草产量而不是谷物和牲畜将成为占主导地位的作物。
碳市场的发展或抵消交易系统也可以提供一个激励转向主要是多年生作物生产。转换从年度农田牧场和干草的土地可以固碳速率约为0.7至0.9毫克/公顷/年二氧化碳20年来(史密斯et al ., 2001;麦克恩et al ., 1999)。10美元的价格/ Mg二氧化碳会产生大约1美元/公顷/年,可能没有足够的收入来驱动变化本身,但足以抵消一些过渡的成本。矛盾的是,尽管更高的碳排放价格将导致更多的土地秘密从农田到牧场,从长远来看,对温室气体减排低的价格可能会有更大的影响。问题是碳封存的非永久性性质——删除与生物相关的二氧化碳从大气中碳汇可以释放如果隔离做法不维护。如果实践固碳采用只针对大型激励或市场支付,存在重大风险,如果或者当激励计划停止或市场目的,实践将恢复和土壤中的碳隔离将释放回大气中。减排另一方面是永久性的,所以即使减排实践被遗弃和利率恢复到以前的水平,大气是安全的从温室气体的数量不是临时释放。碳封存活动,市场价值过低碳驱动转换永久覆盖但足够大的帮助抵消约束转换成本可以提供最有效的和可靠的长期温室气体减排。
净固碳潜力的变化之间的平衡是土地管理新移除率和任何一氧化二氮和甲烷排放的增加也可能发生。删除率0.7 - 0.9毫克二氧化碳/公顷/年估计考虑预期的变化的客座率排放但一氧化二氮和甲烷排放估计,它仍然很不确定,取决于:
•如何牲畜群的大小的变化响应干草增加土地和牧场生产;
•是否改变饲养管理、改善饲料品质,和饲料添加剂可以减少肠内发酵人均排放的动物;
•采用替代的粪便处理和存储实践,如堆肥存储时间短,和
•更好的肥料和粪肥应用技术;氮肥和反硝化作用在牧场和干草土地农田相比;和
•化石能源(即使用。耕作,化肥和除草剂如何灌溉)。
转换的每年净固碳潜力年度农田牧场和干草的土地在当前利率预计将由2008年加拿大大约4吨,其中约有一半将发生在半干旱草原(Boehm et al ., 2004)。同样的分析表明,如果转化率增加一百万公顷,旋转和补充20%的牧场放牧盛行,削减利率每年平均将达到5吨在2008年加拿大。假设需要20年才能达到平衡,去除的利率可能继续约2020。的预测是基于作物生产力潜力与长期气候相关规范,没有考虑将来可能的气候变化模式。raybet雷竞技最新
土壤湿润区暗棕色和黑色区域
在半潮湿的地区大平原北部的土地主要用于连续生产的年度谷物、油籽、脉冲作物(PFRA, 2000)越来越多地使用免耕和直接播种技术。不是预期的类型作物生产在这个地区将会改变在未来20到50年,但预计直播/免耕/连作将到2050年传统的作物生产系统。
直接播种,免耕系统被采用的农民,因为他们提供经济和环境效益在目前的生产条件,包括碳封存。政府的政策旨在缓解温室气体,包括国内碳交易市场的发展,为他们提供了增量动力采用但支付并不将大到足以推动改变。转换从传统耕作制免耕土壤固碳速率范围从0.4到1.3毫克的忍耐力/公顷每年大约20年(史密斯et al ., 2001年,麦克恩et al ., 1999)。二氧化碳的市场价格10美元/ Mg将提供约1 - 0.50美元/公顷/年可能帮助抵消一些过渡成本,但不会大到足以推动改变。作为转换的讨论了农田hayland和牧场,隔离土壤碳释放回大气中如果sink-enhancing实践是放弃了所以不需要激励通过采用土壤碳封存的土地管理实践,没有碳付款不会是经济可行的。大气中二氧化碳的量在短期内可能会降低,但在长期有非永久性迁移的风险较小。加拿大草原,免耕和直播实践已经通过许多农民在过去的十年中,因为他们的经济和环境效益,而不需要直接的激励费用。采用的碳市场可能进一步宽松政策的转型成本的农民来说,过去十年一直是一个约束。
碳封存将不足以稳定大气中温室气体的浓度水平可能减少气候变化——减排也是必需的。raybet雷竞技最新努力减少排放可能会提高能源价格。随之而来的高价格购买的很多投入,从化肥和农药机械和运输大宗商品市场,已经在粮食生产系统上施加压力。一个适应价格信号可能是一个更大的谷物和家畜生产系统的集成。例如,喂猪,而不是出口粮食不仅增加价值为运输生产系统,减少燃料的使用,但如果氮和肥料富含碳的回收到农田将减少氮肥需求和较低的一氧化二氮和二氧化碳排放。
其他的机会,到2020年,可能是成本效益如果投资在发展中国家减排技术包括使用:
•缓释氮肥和硝化抑制剂减少一氧化二氮
排放和提高总的氮素效率;
•更好的施肥方法,如精度农业技术与特定的作物需求匹配添加氮,氮的时机应用程序匹配作物氮需求,和土壤中的氮肥放置位置以减少挥发和淋溶损失;
•更高效的蛋白质用来饲养牲畜以减少肥料的氮含量;和
•改善肥料管理以减少存储时间,匹配率当地条件,并提供作物的营养成分更有效。
对加拿大预测显示,如果采用免耕法仍然保持在32%的农田和夏季休闲使用下降约400万公顷,每年净碳封存可能达到8吨,到2008年,几乎所有在草原农田(Boehm et al ., 2004)。如果免耕是用于70%的农田和夏季休耕拒绝150万公顷,是草原上的限制对这些实践,在农田固碳可能达到每年约20吨,2008年保持在这一水平约为20年。造型练习美国农业表明通过收紧整个氮循环(更好的应用程序技术,肥料技术和交付),合成氮的应用可以减少到2080年72%的估计基线(Scott et al ., 2002)对盈利能力明显的好处,大气和水的质量。因为土壤有机质含有氮以及碳(C: N比率约为10:1),氮的可用性逐渐增加碳封存。更好的管理的结合氮循环的和增加商店的有机氮可以减少化学氮肥的使用。然而,封存估计Boehm et al。(2004)认为一个小氮肥的增加与免耕,从而可能低估净封存。
深灰色的土壤区——农业森林过渡
grassland-forest过渡地区当前土地利用在北方草原农田的程度是谷物、油籽、脉冲生产最好的土壤,再加上畜牧生产质量差的土壤或沿着森林边缘(PFRA, 2000)。水分不是作物生产的主要约束,而是暗灰色和灰色的土壤往往低营养状态相比,棕色,深棕色或黑色的土壤和高水平的养分输入需要维持作物生产。随着氮肥和其他投入的成本上升随着时间的推移,从2020年到2050年,年度作物生产在这个地区将逐渐变得不那么有利可图,鼓励转向更广泛的林业和畜牧业系统,如大量的家畜放牧牲畜,和木材生产或silvaculture(农林复合经营)。
的程度和速度从谷物、油籽、脉冲牲畜或农林复合经营系统将取决于对产品的需求相对。结果可能会受到一个水槽市场信用的发展,在这种情况下,相对价值的森林碳信用额度(从造林和再造林项目)相比,土壤碳排放信用(考虑交易费用和成本的测量、监控、和验证)可能影响哪个系统更有利可图。还有待观察市场是否区分森林和土壤碳信用额删除但有差异在森林和农业土壤。农业土壤碳封存,尽管难以测量,监控,并验证,可能会更有弹性比森林碳损失。短的灾难性事件如洪水、土壤碳释放需要深思熟虑的人为干扰,如耕作,而且还需要重复一段多年耕作操作释放所有的碳封存。树木和森林,另一方面,更容易受到自然干扰如火,难以控制,可能会导致整个水槽逆转一个事件。
新技术使木材产品,如定向结构刨花板(的OSB),正在扩大的机会结合农业生产的木材和粮食作物。的OSB使用木材纤维而不是木材生产建筑材料,所以不需要大树。快速增长的杂交杨树品种适合的OSB市场,因为它们是准备收获在不到15年,他们适合的规划周期内一个农场。
潜在的增强的碳储存,从农业转向森林变化取决于土地的质量和最高可能是最初是森林的景观。植树造林,种植树木在陆地上森林后,可能会增加生态系统碳储量因为在森林土壤有机碳含量往往是低的地上部生物量代表一个相对碳增加。相反,植树对土壤碳含量高,就像那些在草原,会导致下降,至少在最初,在总碳储量如果土壤的扰动造成更大的损失比可以在地上木本生物质取而代之的是权责发生制。
影响环境质量
“删除”和“减少”战略旨在收紧碳和氮循环,使农业生态系统漏的少,对大气和陆地环境都有好处。水质风险将会下降,如果不运动的水溶解营养素,土壤颗粒,和农药从农田到地表和地下水。然而,如果更多的水被保留在农田、水体的数量和规模,尤其是小泥沼池塘,和短暂的流可能下降(Hayashi et al ., 2003;坎普et al ., 1999, 2003)。虽然许多的小而短暂的水体和湿地农业景观中工件过去的农田管理,他们已成为野生动物栖息地和可能会限制一些野生动物的数量下降。
具有讽刺意味的是,在农业系统碳隔离最严重的威胁可能的现象,其目的是阻止——气候变化。raybet雷竞技最新尽管观点也依然存在分歧,气候变暖会释放碳隔离土壤加速有机物的分解率和减少有机物的数量如果作物生产力下降和raybet雷竞技最新添加到土壤干旱变得更加频繁(Amundson, 2001)。
改变长期的变化:2050年到2080年
到2050年,农民将采用有利可图的“删除”和“减少”策略将已经这么做了,农田将开始方法限制碳封存。如果农业长期是帮助减少温室气体排放,它将不得不做更多的工作比管理碳和氮循环效率和减少“泄漏”——它将不得不帮助打破社会的化石能源的依赖。到2050年,该行业不仅可以生产食品和纤维,也可再生原料生产的二氧化碳排放iOS雷竞技 “替换”化石燃料(卡尔德拉et al ., 2003;Hoffert et al ., 2002)。
“取代”策略包括生产一系列的化石燃料的替代品,如生物柴油从油籽、谷物或纤维素乙醇,从作物残留物、生物甲烷从液体粪便的厌氧消化,和电力从木本作物或草。生物燃油生产用热化学过程从生物质残留有热值低于石油但它可以添加燃料柴油发动机(NRCan, 2003)。乙醇发酵生产的谷物或纤维素。把汽油和10%乙醇(E10)可在加拿大和混合高达15%乙醇可能很快就会很快呈现给大家。废物丰富的C,如液体猪的粪便,可以治疗在厌氧消化器产生甲烷,可以替换bet雷竞技 发电或热量。剩余有机物消化后可以添加到土壤后堆肥(NRCan, 2003)。
尽管商业生产生物能源仍然需要多年的研究和开发,它可以改变农业和农业生态系统。生产历史的多样性意味着越来越多不同种类的食物在同一农场,例如,谷物、牛奶、牛肉、蔬菜,但在未来农场多样性可能意味着越来越多的不同种类的产品(猪肉、木材、甲烷和生物油、例如)针对不同的市场。所面临的挑战将是开发协同和高效的系统生产食物,纤维和能源联系在一起。
速度以及土地利用和土地管理的变化从20202050到2050年- 2080年将取决于程度和速率气候变化,如何快速的经济发展和采用低排放和生物能源,以及食物的相对价格,纤维和能源大宗商品随时间变化。raybet雷竞技最新如果加拿大发展国内政策旨在减少温室气体排放,应对气候变化,生物能源经济的转型应该起步于2050年,生产的生物质在农场可以用于能源生产。raybet雷竞技最新早期的分析表明,能源生产作物的需求可能会大于食品市场的需求。例如,加拿大目前每年消耗250亿升柴油,主要用于越野设备像农业拖拉机和运输卡车。2加拿大还生产500万吨的油菜每年20亿升100%bet雷竞技 可以生产。加拿大人均消费的油菜食用油是30升,我们略低于一半的油菜
2安德烈Hucq博士,主任,加拿大农业能源数据分析中心,萨斯卡通,萨斯喀彻温省大学提供的加拿大,本例中使用的信息。
生产。我们对人均700升柴油的消耗量,显然有潜在的对生物柴油的需求,农业可以填补。
但在鼓励生物能源作物的广泛生产之前,我们可能需要考虑更广泛的影响。例如:从能源作物的净储蓄能量,减去后能量输入?除去碳能源如何影响土壤中储存的碳的数量(,因此,大气中)?在一个迅速增长的人口和世界粮食需求,我们可以证明使用'食品生产土地种植油?
土地利用和土地管理模式:2050 - 2080
如何“取代”技术和气候变化相互作用改变土地利用和土地管理2050 - 2080吗?raybet雷竞技最新探讨这个问题,我们推测,到2050年气候变暖,但仍有很大的不确定性对未来气候变化。raybet雷竞技最新
暗棕壤区,更多的土地将用于饲料和牧草作物。谷物、油籽、脉冲将向北转移到生产黑色和暗灰色土区。3棕壤区将会更加干旱,但土地使用仍将主要用于牧场、饲草和广泛的家畜放牧。在最干旱的地区,干旱的频率在2050年甚至导致水和饲料短缺使广泛的家畜放牧无利可图。“风”与大型涡轮机建造农业能源生产可能是最合适的土地利用在棕壤区。
国家农业部2080年可能是一个指标的严重社会行动与生物质能源取代化石燃料,它的成功在制定土地管理系统,整合食品和能源生产。尽管土地利用和土地管理模式将改变随着时间的流逝,最明显的区别的农业系统2080年和2020年可能是大宗商品市场和如何使用。例如,如果在2080年我们在发展可再生生物质是成功的能源系统,草原上的作物生物质生产的农场将被用来养活人类,动物和能源生产。我们面临的挑战将是开发系统和生产作物类型能满足食品、能源和环境卫生的要求,也许通过使用产品我们不吃或维持土壤质量对能源的要求。猪肥料等产品,现在认为是微生物的来源,硝酸盐、磷酸盐、气味,甲烷和一氧化二氮污染,可以转化为能源和土壤营养物质,都有明确的环境效益。
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