Углеродное земледелие — это набор сельскохозяйственных методов, направленных на хранение углерода в почве , корнях сельскохозяйственных культур, древесине и листьях. Технический термин для этого — секвестрация углерода . Общая цель углеродного земледелия — создать чистую потерю углерода из атмосферы. [1] Это делается путем увеличения скорости, с которой углерод секвестрируется в почве и растительном материале. Одним из вариантов является увеличение содержания органического вещества в почве . Это также может способствовать росту растений, улучшить способность почвы удерживать воду [2] и сократить использование удобрений . [3] Устойчивое управление лесами — еще один инструмент, который используется в углеродном земледелии. [4] Углеродное земледелие является одним из компонентов климатически оптимизированного сельского хозяйства . Это также один из способов удаления углекислого газа из атмосферы .
Сельскохозяйственные методы для углеродного земледелия включают корректировку обработки почвы и выпаса скота , использование органической мульчи или компоста , работу с биоуглем и terra preta , а также изменение типов культур. Методы, используемые в лесном хозяйстве, включают лесовосстановление и выращивание бамбука .
Методы углеродного земледелия могут иметь дополнительные затраты. В некоторых странах действуют государственные политики, которые предоставляют фермерам финансовые стимулы для использования методов углеродного земледелия. [5] По состоянию на 2016 год варианты углеродного земледелия достигли сотен миллионов гектаров во всем мире, из почти 5 миллиардов гектаров (1,2 × 10 10 акров) мировых сельскохозяйственных угодий. [6] Углеродное земледелие имеет некоторые недостатки, поскольку некоторые из его методов могут влиять на экосистемные услуги . Например, углеродное земледелие может привести к увеличению расчистки земель, монокультур и потере биоразнообразия . [7] Важно максимизировать экологические преимущества углеродного земледелия, одновременно учитывая экосистемные услуги. [7]
Общая цель углеродного земледелия — хранить углерод в почве , корнях сельскохозяйственных культур, древесине и листьях. Это один из нескольких методов секвестрации углерода . Это может быть достигнуто путем изменения методов ведения сельского хозяйства, поскольку почва может выступать в качестве эффективного поглотителя углерода и, таким образом, компенсировать выбросы углекислого газа . [8]
Сельскохозяйственные методы секвестрации могут иметь положительное влияние на качество почвы , воздуха и воды, быть полезными для дикой природы и расширять производство продуктов питания . На деградированных пахотных землях увеличение запасов углерода в почве на одну тонну может увеличить урожайность пшеницы на 20–40 килограммов с гектара , кукурузы на 10–20 кг/га и коровьего гороха на 0,5–1 кг/га . [9]
По сравнению с естественной растительностью , почвы пахотных земель обеднены органическим углеродом почвы (SOC). Когда почва преобразуется из естественной земли или полуестественной земли, такой как леса , лесистые местности, луга , степи и саванны , содержание SOC в почве уменьшается примерно на 30–40%. [10] Потеря углерода в результате сельскохозяйственной практики может в конечном итоге привести к потере почвы, пригодной для сельского хозяйства. [11] Потеря углерода из почвы происходит из-за удаления растительного материала, содержащего углерод, посредством сбора урожая. Когда землепользование меняется , углерод почвы либо увеличивается, либо уменьшается. Это изменение продолжается до тех пор, пока почва не достигнет нового равновесия. Отклонения от этого равновесия также могут быть вызваны изменением климата. [12] Уменьшение можно противодействовать путем увеличения поступления углерода. Это можно сделать с помощью нескольких стратегий, например, оставляя остатки урожая на поле, используя навоз или чередуя многолетние культуры . [13] Многолетние культуры имеют большую долю подземной биомассы, что увеличивает содержание SOC. [10] По оценкам, в почвах мира содержится более 8580 гигатонн органического углерода, что примерно в десять раз больше, чем в атмосфере, и намного больше, чем в растительности. [14]
Частично считается, что почвенный углерод накапливается, когда разлагающиеся органические вещества физически смешиваются с почвой. [15] Мелкие корни умирают и разлагаются, пока растение живо, откладывая углерод под поверхностью. [16] Совсем недавно была подчеркнута роль живых растений, где углерод высвобождается по мере роста растений. [17] Почвы могут содержать до 5% углерода по весу, включая разлагающиеся растительные и животные вещества и биоуголь .
Около половины почвенного углерода находится в глубоких слоях почвы. [18] Около 90% из них стабилизировано минерально-органическими ассоциациями. [19]
Углеродное земледелие может компенсировать до 20% выбросов углекислого газа в 2010 году ежегодно. [8] По состоянию на 2016 год варианты углеродного земледелия достигли сотен миллионов гектаров во всем мире, из почти 5 миллиардов гектаров (1,2 × 10 10 акров) мировых сельскохозяйственных угодий. [6]
Однако последствия секвестрации почвы можно обратить вспять. Если почва нарушена или используются интенсивные методы обработки почвы, почва становится чистым источником парниковых газов. Обычно после нескольких десятилетий секвестрации почва становится насыщенной и перестает поглощать углерод. Это означает, что существует глобальный предел количества углерода, которое может удерживать почва. [20]
Все культуры поглощают CO
2во время роста и высвобождать его после сбора урожая. Целью удаления углерода в сельском хозяйстве является использование урожая и его связи с углеродным циклом для постоянного связывания углерода в почве. Это достигается путем выбора методов ведения сельского хозяйства, которые возвращают биомассу в почву и улучшают условия, в которых углерод в растениях будет восстановлен до своей элементарной природы и сохранен в стабильном состоянии. Методы достижения этого включают:
Домашний скот, как и все животные, является чистым производителем углерода. Жвачные животные, такие как коровы и овцы, производят не только CO2 , но и метан из-за микробов, находящихся в их пищеварительной системе. Небольшое количество углерода может быть секвестрировано в почвах пастбищ через корневые экссудаты и навоз. Регулярно перемещая стадо через несколько загонов (так часто, как ежедневно), загоны могут отдыхать/восстанавливаться между периодами выпаса. Такая схема создает стабильные пастбища со значительным количеством кормов. [25] Однолетние травы имеют более мелкие корни и умирают после выпаса. Ротационный выпас приводит к замене однолетних растений многолетними с более глубокими корнями, которые могут восстанавливаться после выпаса. Напротив, если позволить животным перемещаться по большой площади в течение длительного периода, это может разрушить пастбища. [26]
Лесопастбища включают выпас скота под покровом деревьев, при этом деревья находятся достаточно далеко друг от друга, чтобы обеспечить достаточное количество солнечного света для питания травы. [25] Например, ферма в Мексике посадила местные деревья на загоне, охватывающем 22 гектара (54 акра). Это превратилось в успешную органическую молочную ферму. Операция стала натуральным хозяйством, приносящим доход от консультирования/обучения других, а не от выращивания сельскохозяйственных культур. [27]
Углеродное земледелие сводит к минимуму нарушение почв в течение цикла посадки/выращивания/сбора урожая. Обработка почвы исключается с помощью сеялок или аналогичных методов. [28] Домашний скот может вытаптывать и/или поедать остатки убранного поля. [25] Сокращение или полная остановка обработки почвы приведет к увеличению концентрации почвенного углерода в верхнем слое почвы. [11] Вспашка расщепляет почвенные агрегаты и позволяет микроорганизмам потреблять их органические соединения. Повышенная микробная активность высвобождает питательные вещества, изначально повышая урожайность. После этого потеря структуры снижает способность почвы удерживать воду и противостоять эрозии, тем самым снижая урожайность. [6]
Мульчирование покрывает почву вокруг растений мульчей из древесной щепы или соломы. В качестве альтернативы остатки урожая можно оставить на месте, чтобы они попали в почву по мере разложения. [25]
Компост изолирует углерод в стабильной (труднодоступной) форме. Фермеры, выращивающие углерод, распределяют его по поверхности почвы без обработки. [25] Исследование 2013 года показало, что однократное применение компоста значительно и надолго увеличило запасы углерода на пастбищах на 25–70%. Дальнейшее поглощение, вероятно, произошло из-за увеличения удержания воды и «удобрения» путем разложения компоста. Оба фактора способствуют повышению производительности. Оба протестированных участка показали значительное увеличение производительности пастбищ: увеличение корма на 78% на более сухом участке долины, в то время как на более влажном прибрежном участке в среднем наблюдалось увеличение на 42%. CH
4и Н
2Выбросы O и не увеличились существенно. Потоки метана были незначительны. Почва N
2Выбросы O2 с лугов умеренного пояса, обработанных химическими удобрениями и навозом, были на порядки выше. [29] Другое исследование показало, что луга, обработанные 0,5" коммерческого компоста, начали поглощать углерод с годовой скоростью около 1,5 тонны/акр и продолжали это делать в последующие годы. По состоянию на 2018 год это исследование не было воспроизведено. [26]
Смешивание анаэробно сожженного биоугля с почвой секвестрирует примерно 50% углерода в биомассе. В глобальном масштабе до 12% антропогенных выбросов углерода от изменения землепользования (0,21 гигатонны) может быть компенсировано ежегодно в почве, если подсечно-огневое земледелие заменить подсечно-огневым . Отходы сельского и лесного хозяйства могут добавить около 0,16 гигатонн/год. Производство биотоплива с использованием современной биомассы может производить побочный продукт биоугля посредством пиролиза, секвестрируя 30,6 кг на каждый гигаджоуль произведенной энергии. Секвестрированный почвой углерод легко и проверяемо измеряется. [30]
Покровные культуры — это быстрорастущие виды, которые высаживают для защиты почвы от ветровой и водной эрозии в период невегетации. Покровная культура может быть включена в почву для увеличения содержания органического вещества в почве. Бобовые покровные культуры также могут производить небольшое количество азота. Содержание углерода в почве не следует увеличивать без обеспечения того, чтобы относительное количество азота также увеличивалось для поддержания здоровой почвенной экосистемы.
Многолетние культуры обладают потенциалом для секвестрации углерода при выращивании в многослойных системах. Одна система использует многолетние основные культуры, которые растут на деревьях, которые являются аналогами кукурузы и бобов, или виноградных лозах, пальмах и травянистых многолетниках. [31]
Лесное и сельское хозяйство являются видами человеческой деятельности, связанными с землей, которые в совокупности вносят примерно треть мировых выбросов парниковых газов. [32] Существует большой интерес к лесовосстановлению, но в отношении углеродного земледелия большая часть этой возможности лесовосстановления будет на небольших участках, где деревья будут высажены отдельными землевладельцами в обмен на выгоды, предоставляемые программами углеродного земледелия. [33] Лесное хозяйство в углеродном земледелии может быть как лесовосстановлением, то есть восстановлением лесов на территориях, которые были обезлесены , так и лесонасаждением , то есть посадкой лесов на территориях, которые исторически не были покрыты лесами. [4] Не все леса будут поглощать одинаковое количество углерода. Поглощение углерода зависит от нескольких факторов, которые могут включать возраст леса, тип леса, количество биоразнообразия, методы управления, которые использует лес, и климат. [34] [35] Биоразнообразие часто считается побочным эффектом углеродного фермерства, но в лесных экосистемах увеличение биоразнообразия может увеличить скорость связывания углерода и может быть инструментом в углеродном фермерстве, а не просто побочным эффектом. [35]
Бамбуковый лес будет хранить меньше общего углерода , чем большинство типов зрелых лесов. Однако он может хранить такое же общее количество углерода, как каучуковые плантации и сады деревьев, и может превзойти общее количество углерода, хранящегося в агролесах , плантациях пальмового масла , лугах и кустарниках. [36] Бамбуковая плантация поглощает углерод быстрее, чем зрелый лес или плантация деревьев. [37] Однако было обнаружено, что только новые плантации или плантации с активным управлением будут поглощать углерод быстрее, чем зрелые леса. [38] По сравнению с другими быстрорастущими видами деревьев бамбук превосходит по своей способности поглощать углерод только при выборочной уборке. [39] Бамбуковые леса особенно обладают высоким потенциалом поглощения углерода, если выращиваемый растительный материал превращается в долговечные продукты, которые удерживают углерод в растительном материале в течение длительного периода, поскольку бамбук быстро растет и сильно отрастает после ежегодного сбора урожая. [36] [40]
Хотя бамбук обладает способностью хранить углерод в виде биомассы в возделываемом материале, более половины углерода, поглощаемого бамбуком, будет храниться в виде углерода в почве. [40] Углерод, поглощаемый бамбуком в почве, хранится в корневищах и корнях, которые являются биомассой, которая останется в почве после того, как растительный материал над почвой будет собран и сохранен в течение длительного времени. [37] Бамбук можно высаживать на неоптимальных землях, непригодных для выращивания других культур, и выгоды будут включать не только поглощение углерода, но и улучшение качества земли для будущих культур и сокращение площади земель, подлежащих вырубке. [37] Использование торговли выбросами углерода также доступно фермерам, которые используют бамбук для получения углеродного кредита на невозделываемых землях. [37] Таким образом, выращивание бамбуковой древесины может иметь значительный потенциал поглощения углерода. [41] [42] [43]
На стоимость секвестрации углерода влияют многие факторы, включая качество почвы , транзакционные издержки и различные внешние факторы, такие как утечка и непредвиденный ущерб окружающей среде. Поскольку сокращение атмосферного CO
2является долгосрочной проблемой, фермеры могут не захотеть применять более дорогостоящие методы ведения сельского хозяйства, если нет четкой выгоды для урожая, почвы или экономики.
Методы углеродного земледелия могут иметь дополнительные расходы. Отдельные землевладельцы иногда получают стимулы для использования методов углеродного земледелия через государственную политику. [5] Правительства Австралии и Новой Зеландии рассматривают возможность разрешить фермерам продавать углеродные кредиты, как только они документально подтвердят, что они достаточно увеличили содержание углерода в почве. [21] [44] [45] [46] [47] [48]
Одобренные методы могут дать фермерам право на федеральное финансирование. Не все методы углеродного земледелия были рекомендованы. [26]
Углеродное фермерство не лишено своих проблем и недостатков. Когда восстановление экосистемы используется как форма углеродного фермерства, может возникнуть недостаток знаний, что невыгодно при планировании проекта. [7] Экосистемные услуги часто являются побочным эффектом восстановления экосистем вместе с углеродным фермерством, но часто экосистемные услуги игнорируются при планировании проекта, поскольку, в отличие от связывания углерода, не являются глобальным товаром, которым можно торговать. [7] Если и как дополнительные методы связывания углерода фермерства могут повлиять на экосистемные услуги, следует исследовать, чтобы определить, как различные методы и стратегии повлияют на ценность экосистемной услуги в конкретных областях. [7] Следует отметить одну проблему: если политика и стимулы направлены только на связывание углерода, то углеродное фермерство может фактически быть вредным для экосистем . [7] Углеродное фермерство может непреднамеренно привести к увеличению расчистки земель и монокультур , когда разнообразие видов не является целью ландшафтного проекта, поэтому следует попытаться сбалансировать цели углеродного фермерства и биоразнообразия . [7]
Критики говорят, что связанное с этим регенеративное сельское хозяйство не может быть достаточно принято, чтобы иметь значение, или что оно может снизить цены на сырьевые товары. Влияние повышенного содержания углерода в почве на урожайность еще не решено. [ необходима цитата ]
Другой критический взгляд заключается в том, что практика нулевой обработки почвы может привести к увеличению использования гербицидов, что уменьшит или устранит выгоды от выбросов углерода. [26]
Компостирование не является одобренной NRCS технологией, и его воздействие на местные виды и выбросы парниковых газов во время производства не были полностью решены. Кроме того, коммерческие поставки компоста слишком ограничены, чтобы покрыть большие площади земли. [26]
Углеродное земледелие может учитывать сопутствующие проблемы, такие как деградация грунтовых и поверхностных вод. [2]
В 2011 году Австралия начала программу ограничения и торговли квотами на выбросы . Фермеры, которые секвестируют углерод, могут продавать углеродные кредиты компаниям, нуждающимся в компенсации выбросов углерода . [25] План прямых действий страны гласит: «Единственная крупнейшая возможность для CO
2Сокращение выбросов в Австралии происходит за счет биосеквестрации в целом и, в частности, за счет пополнения углерода в нашей почве». Исследования на опытных участках за 20 лет показали повышенную микробную активность, когда фермеры вносили органические вещества или сокращали обработку почвы. Уровни углерода в почве с 1990 по 2006 год снизились в среднем на 30% при непрерывном возделывании сельскохозяйственных культур. Внесения только органических веществ было недостаточно для создания углерода в почве. Для этого необходимо было также добавлять азот , фосфор и серу . [43]
Крупнейшее международное усилие по продвижению углеродного земледелия — это «четыре на 1000», возглавляемое Францией. Его цель — увеличить содержание углерода в почве на 0,4% в год за счет изменений в сельском хозяйстве и лесном хозяйстве. [26]
К 2014 году более 75% пахотных земель Канадских прерий приняли «консервативную обработку почвы», а более 50% приняли нулевую обработку почвы . [52] Двадцать пять стран обязались принять эту практику на климатических переговорах в Париже в декабре 2015 года . [25] В Калифорнии многочисленные районы сохранения ресурсов (RCD) поддерживают местные партнерства по разработке и внедрению углеродного земледелия, [2] В 2015 году агентство, которое управляет биржей углеродных кредитов Калифорнии, начало предоставлять кредиты фермерам, которые компостируют пастбища. [25] В 2016 году Chevrolet заключила партнерство с Министерством сельского хозяйства США (USDA) для покупки 40 000 углеродных кредитов у владельцев ранчо на 11 000 акров земли с нулевой обработкой почвы. Эта сделка эквивалентна удалению 5000 автомобилей с дорог и является крупнейшей на сегодняшний день в США. [25] В 2017 году несколько штатов США приняли законы в поддержку углеродного земледелия и здоровья почвы . [53]
Другие штаты рассматривают аналогичные программы. [53]