III Workshop de la Red Científica de Mitigación de Emisiones de GEI en el sector Agroforestal-

Remedia

UPV, Valencia 10/11 Abril 2014

El suelo como regulador del ciclo del carbono: ventajas e inconvenientes en la mitigación del

cambio climático

José Luis Rubio

Ex President European Society for Soil Conservation-ESSCVice Chair European Soil Bureau Network- ESBN (JRC,EC)

Centro de Investigaciones sobre Desertification- CIDE-CSICValencia, España

“No podemos evitar la tormenta pero si podemos sobrevivir a ella”

Warrming of climate system is unequivocal

The atmospheric concentration of CO2 (391 ppm)have increased by 40%since pre-indudtrial time to levels unprecedent in the last 800 000yrAnnual CO2 emissions from fossil fuel combustion and cement production were 8.3 GtC12 yr–1 averaged over 2002–2011, 54% above the 1990 level. • From 1750 to 2011, CO2 emissions from fossil fuel combustion and cement production have released 375 GtC to the atmosphere, while deforestation and other land use change are estimated to have released 180 GtC. • Of these cumulative anthropogenic CO2 emissions, 240 GtC have accumulated in the atmosphere, 155 GtC have been taken up by the ocean and 160 GtC have accumulated in natural terrestrial ecosystems (i.e., land sink).

IPCC Fith Assessment Report Working Group I

Soils second largest active store of carbon after the oceansEuropean soils: 75 billions t C in topsoil layer (275 T CO2)Soils as carbon sinks or carbon sources. S & PEmissions from soil around ten times those from FFThe release of soil C is threatening to undermine all the costy efforts in reducing emisions from industry, transport, …

http://ec.europa.eu/environment/soil/review_en.htm

Biogeochemical Soil Carbon Cycle

Rice, Ch.W., 2013

La estructura del suelo propiedad crucial

La interacción y adsorción de los compuestos humicos con las arcillas los estabiliza y previene su degradación y descomposición creando una asociación a largo plazo que es la base de la estructura de los agregados del suelo y la base de la retención y disponibilidad de nutrientes

Degradación Estructura del Suelo

Mineralización / Humificación Reservas de humedad Dinámica de nutrientes / Fertilidad Sales en el perfil del suelo Propiedades físicas Actividad biológica Régimen térmico Disminución funcionalismo Riesgo de desertificación Cambio Climático

Soils: EMISIONS versus SINK

• Water vapor• CO2, CH4, Nitrogen oxides

• Trace elements • Aerosols and dust

Sistema Suelo

Parámetros climáticos

Sistemas de Regulación

Degradación del Suelo-Cambio Climático:

Mecanismos y Procesos de Retroalimentación

Sistemas de Regulación CAMBIOS DE ALBEDO ALTERACIÓN EN EL BALANCE DE RADIACIONES MAYOR INTERVALO DE TEMPERATURAS HUMEDAD DEL SUELO Y EVAPOTRANSPIRACIÓN RUGOSIDAD SUPERFICIAL CAMBIOS EN SUPERFICIES DE CONDENSACIÓN

Source: NASA, Boston University, 2006; MODIS

Disminución del Albedo

Calentamiento de la superficie del suelo

Aumento de la convección

Aumento de la inestabilidad

Más precipitación

AUMENTO DE ALBEDO

Disminución neta de la emisión de radiaciones de onda corta

Enfriamiento de la superficie del suelo

Subsidencia

Reducción de la convección y de la formación de nubes

Reducción de la inestabilidad

Menos precipitación

(Hipótesis de Otterman (1974) y Charney, 1975)

IPCC 4th AR, 2007

Respiración del Suelo

4-5% del C del suelo a la atmósfera

+ de la mitad de la combustión anual de los combustibles fósiles (3 billones)

Desequilibrio por actividades humanas:

20% de emisiones combustibles fósiles

(1,2 billones)

EFECTO DE LAS VARIACIONES ESTACIONALES DE FACTORES AMBIENTALES EN LA EMISIÓN DE CO2 DE UN SUELO

MEDITERRÁNEO A.C. Maymó, J.L. RubioCentro de Investigaciones sobre Desertificación-CIDE (CSIC-UV-Generalitat Valenciana).

Figura 1.Variación estacional (junio 2008-julio 2009) de la (a)temperatura (ºC) y (b)humedad del suelo (De, expresada como el gradiente de presión de vapor sobre la superficie del suelo, mBar) en la parcela Albal-1 en Albal (Valencia, España).

En un clima típico mediterráneo, la respuesta de la respiración del suelo a las variaciones de la temperatura está fuertemente limitada por la disponibilidad de agua. Las lluvias ocasionales tras periodos prolongados de sequía, ocasionan incrementos repentinos en la humedad del suelo y como consecuencia un incremento en la emisión de C desde el suelo a la atmósfera. Un seguimiento continuo de la respiración del suelo permite detectar estos pulsos de respiración. No considerar este fenómeno puede suponer subestimar la respiración del suelo especialmente en los ecosistemas áridos y semi-áridos.

La respiración del suelo varió a lo largo del año, con valores mínimos en los meses más fríos del invierno y los meses más secos del verano. Aunque en estos últimos la respiración del suelo respondió rápida y positivamente tras determinados episodios lluviosos (Fig. 2). Estos resultados concuerdan con los hallados por otros autores en estudios similares en ecosistemas mediterráneos (Inglima et al., 2009; Almagro et al., 2009).

Tras un periodo de sequía prolongado las lluvias dieron lugar, en pocas horas, a picos de emisión de CO2 que se mantuvieron varios dias hasta que declinaron exponencialmente de nuevo a un valor basal.

Figura 2. Gráfica superior: Variación estacional de la respiración del suelo. Gráfica inferior: régimen de precipitaciones durante el periodo de estudio (datos obtenidos de http://www.meteovalencia.org/anuals.htm).

Considerando conjuntamente los factores incluidos en el análisis, explicaron un 54,5% de la varianza de la respiración del suelo (R2 corregida= 0,545). La humedad explicó en mayor porcentaje (48,2%) la variabilidad en los datos. Al estudiar en detalle el efecto de la temperatura en la respiración del suelo (empleando el parámetro Q10 ):

SR = A eBT; Q10= e10B

SR = respiración del suelo (mmol CO2 m–2 s–1), T = temperatura del suelo (°C),A y B constantes.

se comprobó que, a lo largo del periodo de estudio, el valor de la Q10 varió desde 0,1 hasta 4 (en los periodos más húmedos). Es decir, al aumentar la humedad del suelo la influencia de la temperatura en la respiración del suelo se hizo más aparente.

Equipo medidor de CO2

Este fenómeno conocido como Efecto Birch, es indicativo de cambios en la componente heterotrófica de la respiración, esto es la parte de la respiración debida a los microorganismos del suelo.

Suelo Albal-1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

100 200 300 400 500 600

Nº Dia del año (2008 y 2009)

D e (m

Bar)

Suelo Albal-1

0

5

10

15

20

25

30

100 200 300 400 500 600

Nº Dia del año (2008 y 2009)

Tem

pera

tura

del

suel

o (º

C)

0

20

40

60

80

100

120

140

100 200 300 400 500 600

Nº Dia del año (2008 y 2009)

Cant

idad

lluv

ia (m

m)

Fig. 3. Relación entre la respiración, temperatura y humedad del suelo en la parcela Albal-1 durante el periodo de estudio.

Del análisis de regresión múltiple se obtuvo el siguiente modelo empírico:

SR = 0,3382 e0,026T e0,144De R2=54,5%

SR = respiración del suelo (mmol CO2 m–2 s–1), T = temperatura del suelo (°C), De = humedad del suelo expresada como el gradiente de presión de vapor sobre la superficie del suelo (mBar),

Todas las variables incluidas en el modelo fueron significativas (P 0,05).

Fig. 5. Los puntos representan los valores promedios de las medidas experimentales de la respiración del suelo realizadas diariamente. La curva representa los valores calculados del modelo empírico obtenido empleando el análisis de regresión lineal múltiple.

Suelo Albal-1

0

1

2

3

4

5

6

100 200 300 400 500 600

Nº Dia del año (2008 y 2009)

Resp

iraci

ón d

el su

elo

(m m

ol m

-2 s

-1)

0

1

2

3

4

5

6

02

46

810

1214

1618

510

1520

25Res

pira

ción

del

sue

lo (

m mol

CO

2 m-2

s-1

)

Suelo Albal-1

0

1

2

3

4

5

6

7

100 200 300 400 500 600

Nº Dia del año (2008 y 2009)

Resp

iraci

ón d

el su

elo

(m m

ol m

-2 s

-1)

Suelo Albal-1

0

1

2

3

4

5

6

10 15 20 25 30

Temperatura (ºC)

Resp

iraci

ón d

el sue

lo (m m

ol m

-2 s

-1)

Cuando los niveles de humedad del suelo eran bajos la respuesta de la respiración fue menor.

Fig. 4. Respuesta de la respiración del suelo a los cambios en la temperatura.

Microcuenca monitorizadaPorta Coeli, Valencia

Fijación de carbono y calidad del suelo

• Se estima que aumentando el deposito de COS en 1tn/ha/a en la zona radicular, se podria aumentar la produccion de alimentos en:

– Paises no desarrollados: 12-20 millones/tn/a - Globalmente: 30-40 millones tn/a

(Lal, 2006)

Different Estimates of C Sequestration Potential

Glenn et al. (1993) 0.5-1 Pg C/yrSquires et al. (1995) 1.0 Pg C/yrLal et al. (1999) 0.9-1.9 Pg C/yr

Semiarid soils 9 tC/ha/yGlobal soils 12-65 tC/ha/y

Potencial de secuestro de carbono en los suelos de zonas aridas

Perdidas historicas de C: 19-29 Pg

Potential de secuestro en un horizonte de 25-50 años: 12-19 Pg

Potential of Desertification Control and Soil Restoration to Sequester C

Process C Sequestration (Pg C/yr)

Erosion control Restoration of eroded soils Restoration of other degraded soils Reclamation of salt-affected soils Agricultural intensification on undegraded soils Fossil fuel C offset through biofuel Secondary carbonates Total

0.2-0.3 0.2-0.3 <0.01

0.2-0.4 0.01-0.02 0.3-0.5 0.01-0.4 0.9-1.9

(Lal, 2001)

There is also significant mitigation potential through sinks: agroforestry and cropland

management

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Cropland management

Rice management

Grazingland management

Forest management

Agroforestry

Restoration degraded lands

Wetland restoration

Gt CO2e

Source: IPCC LULUCF Report

C accumulation in a model agroforestry system

Time (Years)

0 5 10 15 20 25

Net

bio

mas

s an

d c

arb

on

sto

cks

(to

nn

es p

er h

ecta

re)

0

20

40

60

80

100

120

140

SOIL CARBON DEAD WOOD MASSLITTER MASS BELOW GROUND BIOMASS ABOVE GROUND BIOMASS

How Much Carbon Can Soil Store?

Advantages : Increasing SOM a winning strategy ¡¡

Food Security & Climate Change

• Favorecer el retorno de residuos orgánicos mediante su disposición en la superficie del suelo como “mulching” o acolchado. • Disminuir drásticamente el laboreo del suelo pasando a técnicas de no cultivo o cultivo reducido • Eliminar o reducir drásticamente la quema de rastrojos y de residuos vegetales. • Favorecer la utilización de compost, enmiendas orgánicas y biofertilizantes. • Mantener cultivos intercalados o cubiertas vegetales en plantaciones arbóreas. • Mantener una adecuada gestión de la fertilización • Evitar el mantenimiento del suelo desnudo • Mantener un control adecuado de las prácticas de riego • Adoptar medidas adecuadas de conservación de suelo y agua, tanto estructurales como de gestión para evitar la erosión del suelo • Adaptar el uso del suelo a su capacidad agrológica • Planificar la ordenación del territorio teniendo en cuenta sus limitaciones y vulnerabilidad • Favorecer el mantenimiento de la biodiversidad edáfica • Favorecer el mantenimiento de las funciones ecológicas del suelo • Restaurar las zonas degradadas 

Rubio. J.L:, 2007JRC, EC, 2011

Advantages

Lal,R.,2013

•Definitions and standardized methods for the mapping and monitoring of soil organic carbon are needed •We need to initiate a joint effort towards a full assessment of the global soil organic carbon stocks (new Global Soil Map) •There is the need to develop a common framework for monitoring, verification and reporting of soil organic carbon •A targeted effort is needed towards the full inventory and regular monitoring of organic soils (peatlands and wetlands)

Some Problems

How much carbon can soil store?

IPCC AR5 VG I and WG II

The Working Group I report was released in September 2013, the WG II report in Yokohama in 31 March 2014, the WGIII (mitigation) report will be released in April 2014 and the Synthesis Report in October 2014.

IPCC WGII AR5 Summary for Policymakers

23.6.2. Soil Quality and Land Degradation

Adaptive land-use management can reduce the impact of climate change through soil conservation methods like zero tillage and conversion of arable to grasslands (Klik and Eitzinger, 2010). In central Europe, compared to conventional tillage, conservation tillage systems reduced modelled soil erosion rates under future climate scenarios by between 49 and 87% (Scholz et al., 2008). Preserving upland vegetation reduced both erosion and loss of soil carbon and favoured the delivery of a high quality water resource (House et al., 2011); (McHugh, 2007). Maintaining soil water retention capacity, e.g. through adaptation measures (Post et al., 2008), contributes to reduce risks of flooding as soil organic matter absorbs up to twenty times its weight in water.

IPCC WGII AR5 Summary for Policymakers

Concluding

Enhancing soil carbon is the cornerstone for the future of the Earth enable to provide food and peace for mankind

«Human beings can survive the loss of OIL reserves, but cannot survive the loss of SOIL resources»

Lester Brown, Earth InstituteJournal of Foreing Policy, April 2011

More attention is needed to the role of

soil both in the mitigation and adaptation

to climate change

“Obligated to change”

The only alternative is a radical change

Social perception, ethic, and values

Soil carbon and soil functions at the centre of the global paradigm shift

¿What to do?

Dark perspectives

Syndrome boiled frog

The role of REMEDIA

• The challenge: knowledge improvement, innovation and research gaps

• Societal perception of the relevance of soil

• Support sound agricultural productivity- food security

• Market options for SC Sequestration

The opportunity: A sense of contribution from soil and related agricultural science community to a world beaten by multiple crisis

¿What to do?

Muchas gracias

European Soil Bureau Network, ESBN

Momento de abandonar retoricas vacias y dilatorias y afrontar la realidad

• Promover la adopción de tecnicas demostradamente eficaces en la gestion de vegetación, suelo y agua para mejorar la calidad del suelo

• Mejorar la coordinacíon entre asociaciones cientificas y comunidad academica para proporcionar y transmitir una mejor base de conocimiento cientifico

• Mejorar la dimensión social, economica y politica de los temas ambientales

Dryland ‘bio-carbon’ opportunities: agriculture and land-use

15.8

10.3

7.0

5.3

3.82.6

1.40.8

Mali

Niger

Sudan

Ethio

pia

Burkin

a

Faso

Mau

ritan

ia

Seneg

al

Niger

ia

74.1

Chad

Importance of Carbon Fluxes from Agriculture & Land Use Relative to Fluxes from Industry &

Energy

Figures above 1 indicate greater importance of agriculture & land use relative to industry &

energy

Figures above 1 indicate greater importance of agriculture & land use relative to industry &

energy

Reforestation onMarginal & Degraded Land

Agro-Forestry

Rangeland Improvement

SoilRestoration

/ Soil Organic Carbon

Bio-Fuels / Bio-Energy / Bio-Gas

Dryland Rice

IPCC WGII AR5 Summary for Policymakers

IPCC WGII AR5 Summary for Policymakers

The core concepts of the WGII AR5. Risk of climate-related impacts results from the interaction of climate-related hazards with the vulnerability and exposure of human and natural systems. Changes in both the climate system (left) and socioeconomic processes including adaptation and mitigation (right) are drivers of hazards, exposure, and vulnerability.