文摘
热带地区农业土壤已发生了显著下降,本国碳股票通过萃取农业实践的长期使用。然而,这些土壤有明显的隔离能力有限公司2通过改善土地管理实践的实现。本文综述相关的发布和灰色文献改善土地管理措施对土壤碳的影响股票在热带地区。审查表明,改善土地管理实践的实现如轮作、免耕,覆盖作物,塑料薄膜,堆肥,或粪便可以有效地提高土壤有机碳池和热带地区农业生产率。这些修正案的好处,然而,通常短暂,通常添加有机物的矿化有限公司2几个种植季节导致大规模泄漏。我们发现黑碳(C)的管理,越来越多的被称为生物炭,可能克服这些限制,并提供一个额外的土壤管理选项。在目前情况下,推荐的作物和土地管理实践是不适合绝大多数的资源受限的小农和农业系统。我们认为,扩大生物炭在农业土地的使用将是重要的隔绝大气CO2和减缓气候变化,实现推荐的作物和土地管理实践在选定地区小农不是资源约束。
1。介绍
证据来自政府间气候变化专门委员会(1]现在是压倒性的说服力,气候变化是真实的,它会加剧,最贫穷和最脆弱将不成比例地受到这些变化的影响。气候变化和差异、干旱等极端气候相关的数量和质量直接影响农业生产,在很多情况下,影响它。特别是,气候变化对农业生产的影响是严重的发展中国家,因为技术生成、创新,采用过于缓慢,以抵消负面影响不同的和不断变化的环境条件2]。
农业集约化总是有几个对环境的负面影响(3]。农业集约化的主要后果之一是转移碳(C)的形式向大气中二氧化碳(有限公司2),从而减少生态系统C池。农业占10 - 12%的全球人为温室气体排放总量(4,5]。尤其是热带农业土壤已发生了显著消耗本国碳储量,但作为公司有很大的潜力2水槽通过改善管理实践(6,7]。为此,当地合适的适应和缓解策略迫切需要增加气候变化和气候变化特别是脆弱地区食品和纤维生产对气候波动最敏感(2]。
改善土地管理实践的实现建立在陆地生态系统碳储量是一个成熟的技术在减少CO的浓度2在大气中,降低大气CO2(8]。因此,农田土壤有机碳封存的最近注意减轻增加大气CO2浓度(5,9]。
管理实践建立土壤碳必须增加土壤有机质的输入和/或减少土壤有机质分解速率。在这一点上,值得提到的是,最合适的管理实践以增加土壤碳变化区域,根据环境和社会经济因素。在热带地区,增加碳的输入通过提高作物的生育能力和生产力的土地和牧场是至关重要的,因为气候变化负面影响绝大多数小农户的生计。在广泛的系统营养休闲期间,种植法洛斯和覆盖作物可以增加碳水平种植周期(10]。使用免耕、绿色肥料和农林复合经营其他有益的实践来隔离土壤c .总的来说,改善现有的生产力和可持续性农业土地减少的速度是至关重要的新开荒和大量的有限公司2排放到大气中。
农业土壤固碳减缓经常被提升为一个实际的解决方案公司的增长率2在大气中。迄今为止,大部分的农业生产系统净碳汇研究基于建立在温带的生产系统,在热带地区有很大的不同。需要改善我们的理解土地管理实践如何影响交流过程导致的净去除大气CO2在热带地区。因此,我们回顾和分析了不同的土地管理实践的影响等农艺实践,耕作,有机(即输入管理。,addition of compost, manure, biochar, and other clay materials), and agroforestry as a means to increase carbon sequestration in agricultural soils of the tropics. Moreover, we reviewed the opportunities and constraints to adapt mitigation and adaptation options in the tropics with the goal of developing a possible framework for smallholder farmers to benefit from carbon markets.
2。热带生产系统的概述
在热带地区,农业系统发生了重大变化从狩猎和采集到休闲地静止培养系统在历史的进程(11]。农业系统的变化主要是由于人口的增加和农业机械化(例如,12]),土地资源的质量和可用性(例如,13),进入市场(例如,12])。在热带农业系统是复杂的决策环境。第一个因素控制农民的决策是物理环境(例如,14])。第二个可以被称为家庭特征(例如,15]),制服生产商反应决策过程中统一的和合理的方式。第三个因素决定农民生产系统的选择是政治报/经济框架条件(例如,[16,17])。
此外,农业系统可能会分化成亚型,沿着不同的路径继续发展。例如,在系统在人口和市场的压力下,一些农场可以成功地加强,甚至专门生产市场,而其他人可以回归低投入/低速系统(17]。此外,在任何一个位置在农业系统中,不同的农场很可能是在进化的不同阶段,由于差异化的资源基地,家庭目标,承担风险的能力和市场准入程度(15]。农民的决策的总和,将决定未来土地资源的质量在热带地区农民的决策之间有一个反馈机制和自然资源基础的质量。链式人口压力之间的联系,农业集约化、经济增长、社会福利、农业和技术变化及其随后的环境后果因此非常复杂的自然和因果关系,因此往往很难分析和理解。
3所示。热带农业生产系统和土壤碳
热带农业的关键问题是土壤肥力的稳步下降,这主要是由于土壤侵蚀和土壤有机质的损失。一些土壤在热带农业系统估计已经失去了多达20到80 t C公顷−1,其中大部分被释放到大气中(3,18]。土壤有机碳含量低是由于低拍摄和根生长的作物和自然植被的快速周转率有机材料由于高土壤温度和动物活动尤其是白蚁和土壤粘粒含量较低19]。此外,土壤侵蚀和长期培养使用常规耕作实践减少土壤碳水平,并随着时间的推移,土壤退化,经常导致土地放弃(6,20.,21]。例如,在西非农业生态系统进行的一项研究显示,有一个巨大的SOC农田损失由于水土流失(从65到1801公斤公顷−1年−1)的损失相比SOC(从6到13公斤公顷−1年−1在不受干扰的生态系统(19]。SOC的损失可能从9到65%取决于严重的水土流失和土壤类型。
此外,燃烧生物质或植被作为传统的整地方法和利用作物秸秆和牛粪作为能源净负影响土壤有机碳,通过释放对环境有限公司2。例如,在加纳,帕克et al。22]记录减少21%土壤有机碳,因为生物质燃烧,导致释放1.4 t有限公司2哈−1到大气中。南亚的一项研究也表明,燃烧5 - 7公顷−1大米的残留物会导致空气污染通过释放13 t有限公司2哈−1(23]。
在热带农业系统中,作物残留的去除或牲畜,通过放牧或削减和携带,冲突是一种常见的做法,利用作物秸秆和覆盖作物土壤改良(24]。史密斯et al。5)表明,它更有可能观察到一个稻草切除对SOC的影响:(i)在肥沃的土壤越少,(2)当大量的残留物被移除时,和(3)更长。符合这种负面影响的残留去除土壤碳,Nandwa [25]表明,残渣去除非农使用应考虑收获只有数量不会减少SOC水平。然而,牲畜生产混合农业系统的一个重要组成部分,在缺乏替代饲料资源;农民通常不愿意放弃这至关重要的一个25]。
文献有一个共识,大多数热带农业系统导致的损耗有机物由于长期农业实践和减少有机萃取输入,因此使大部分的农业系统不可持续的。因此,迫切需要改进的管理有机的输入和热带土地利用系统的土壤有机质动态。一个理想的目标是能够通过控制土壤有机质动态管理实践,促进水土保持,确保农业生态系统的可持续生产力,并提高热带土壤的能力作为一个水槽,而不是源,大气中的碳含量。
4所示。土地和作物管理措施对土壤C封存
在过去两到三年,几个土地和作物管理措施一直提倡恢复土壤有机碳和减少公司的净排放量2从热带地区农业系统(5,26,27]。其中,实践,恢复土壤有机碳和减少公司的净排放量2包括作物轮作,避免使用裸休耕,保护性耕作,有机肥料和作物残留物等投入的管理,恢复农业土地退化,水资源管理,农林复合经营系统(例如,(28- - - - - -34])。
研究表明,小农可以减少温室气体的排放,保持土壤和植被碳储量以相对低的成本实现农作物和土地管理实践(例如,27,35- - - - - -37])。然而,回顾马毛绳等。38]和桑切斯,2000 (39),发现了一个数量的约束,包括小农系统中的机械化程度低,缺乏适当的实现,杂草控制下免耕系统问题,缺乏适当的技术信息,阻碍了大规模采用实践的小农。Woodfine [27)补充说,一个关键瓶颈实现许多缓解实践的采用是融资促进初始的可用性变化。操作,改善农作物和土地管理实践可能比传统的农业实践(需要更多的体力劳动40]。优化这些优点和缺点可以是一个复杂的任务本身就是一个缺点,那里是一个缺乏训练有素的人员、推广人员为农民提供信息和建议。
此外,时间的模式在减轻的增加公司的影响力2也各不相同,实践,在大多数情况下,有限公司2减排的倡导实践是暂时的(5]。例如,在肯尼亚进行的一项研究证明,肥料的剩余效应申请四年只持续了七、八年当评估产量、SOC,奥尔森P [41]。免耕实践效果也容易逆转,导致公司的释放2大气中一旦系统开始被打扰。
总之,在目前情况下,推荐的作物和土地管理实践是不适合绝大多数的资源受限的小农和农业系统38]。然而,这并不意味着缓解实践主张在过去两到三年不能一个选项,可以为小农户提供实实在在的利益在热带地区,不受约束的资源和在某些地方政治、经济、和制度框架条件相对高效。识别的情况下缓解实践可以提供主要的好处是一个挑战,要求积极的研究(38]。
5。生物炭作为缓解气候变化的选择
生物炭是木炭生产在高温下(300到500°C)通过热解的过程使用农作物残留物,动物粪便,或任何类型的有机废弃物(42]。热解的两个主要方法是“快速”的热解和热解“缓慢”。生物炭快速热解生物油、收益率60% 20%,20%合成气和可以在几秒钟内完成,而慢速热解可以优化生产更多的char(~ 50%),但需要的时间来完成43]。根据原料的不同,生物炭可能类似于盆栽土壤或烧焦的物质。生物炭的生产和使用被认为是一个“减碳的过程,这意味着它将大气中的碳(42,44]。研究表明,生物炭削减大约50 - 80%的碳中可用的生物质原料被正交根据原料类型(45,46]。
6。我们能使用本地可用技术生产生物炭吗?
生物炭可以使用本地生产的技术,生产的可负担得起的当地农民和容易接受和使用。这种简单的技术之一是使用生物炭室由不锈钢(图1)。这种技术成本只有每箱70美元(基于投资的钱生产商会在老挝人民民主共和国),和系统操作和维护非常简单,可以管理的小农在热带地区。我们也测量了它有能力产生83.3(±4.2)公斤稻壳生物炭的转换效率为48.1(±2.1)% / 14.5(±1.0)小时的燃烧。其他方法用于生产生物炭在少量小规模农民使用的描述http://www.biochar.info/包括碳零实验生物炭窑,简单two-barrel生物炭反驳,简单的两个桶生物炭和加力燃烧室反驳。
此外,在荷兰,一个“Twin-retort”碳化过程已经发展到解决木炭生产效率和排放问题[47]。过去传统木炭生产系统用于露天如木炭生产,瓦窑,和传统木炭成堆,在农村地区进行,效率低下。在大多数情况下,重量传统木炭生产系统的效率在农村地区开展范围从10 - 15%,表明七到十公斤的木材需要生产一公斤的木炭(47]。Reumerman和弗雷德里克47记录,“Twin-retort”碳化过程的效率是传统木炭相比两倍多的过程。这表明减少碳排放的可能性至少两倍。
我们认为可能产生生物炭使用简单和本地可用技术加速生物炭生产系统的采用,它的使用作为缓解气候变化的措施,提高农业生产力提供障碍可能停止快速采用生物炭生产系统包括技术成本,系统操作和维护(42]。虽然生物炭研究和发展还处于早期阶段,兴趣生物炭作为一种工具来减轻公司的增加2和提高农业生产率快速增长在热带地区。
7所示。生物炭土壤C、土壤肥力和生产力
提出了与生物炭土壤改良剂来隔离C(表1),提高土壤肥力。应用土壤木炭是假设增加可利用的水,建立土壤有机质,提高养分循环,较低的体积密度,作为浸灰剂,减少浸出的杀虫剂和营养地表水和地下水的(48- - - - - -51]。浸出等。52)也证明,生物炭在土壤中的应用使农业生产率的增加,或减少,无机肥料的应用程序。此外,哈利(53起诉,生物炭是一种有前途的修正案改善大大干扰土壤由于其微量化学,营养和生物属性(表2)。Biochar-based策略从而被提供有价值的途径建立可持续农业期货,特别是对资源贫困农民来说,土壤肥力和水的可用性被视为关键限制作物产量和粮食安全52]。
的程度生物炭对作物生产力和土壤固碳的影响,然而,变量主要是由于不同的生物物理的相互作用和过程发生在生物炭应用于土壤,还没有完全理解(59]。例如,在有限的土壤氮,高生物炭的应用可能会影响经济增长负由于固定效应(46]。此外,原料和热解条件(温度、保持时间等)可能会影响稳定性和生物炭的养分含量和可用性59- - - - - -61年]。考虑到不一致的生物炭对收益率的影响和土壤固碳和如何对其长期影响,农民使用生物炭在各自领域承担相当大的风险,如可能减少作物产量早期种植季节。
因此,我们认为应该小心的数量和类型生物炭添加到土壤恢复退化的土壤。此外,检测结果是至关重要的土壤有机碳的积累和增加作物产量在不同的土壤和气候条件。长期研究生物炭在田间试验也需要更好地了解土壤中生物炭的影响并探讨其行为,从而减少相关的风险。
8。生物炭,以减轻公司的增长的潜力2
研究表明,覆盖作物、塑料薄膜、堆肥或肥料能有效地提高土壤有机碳池和农业生产率在热带地区(例如,29日,34,62年])。这些修正案的好处,然而,通常是短暂的,尤其是在热带地区,因为分解率很高,和添加有机物通常矿化有限公司2在只有少数种植季节。因此有机修正案必须应用间歇性地维持土壤生产力。农业用地转化为免耕系统,储存的碳可以释放一旦我们将免耕回到传统耕作制。因此,碳隔离这些作物和土壤管理措施通常被认为只是暂时隔离大气和风险高的快速或大规模泄漏44]。
黑碳(C)的管理,越来越多的被称为生物炭,可能克服这些限制,并提供一个额外的土壤管理选项。一旦纳入土壤生物炭,很难想象任何事件或变化在实践中会导致突然失去存储碳表明生物炭是一种低风险的策略比其他封存选项(44]。因此,生物炭可能是一个潜在的强大的工具,为减轻人为气候变化的碳生物炭,据称,抗拒退化和可以在土壤固碳数百数千年(26,44,54,63年,64年]。土壤中C木炭的半衰期是超过1000年65年]。Laird et al。49)提出了一个有趣的图,比较稳定的有机输入作为渣添加生物质和生物炭(图2)。
当前的分析表明,有全球大气CO的年度封存的潜力2在billion-tone规模(109年−1在30年()59]。伍尔夫et al。66年)还表示,每年净排放的二氧化碳(有限公司2)可以减少最多1.8 Pg公司2- c等效(有限公司2- c e)(每年12%的人为有限公司2e - c排放;1 Pg = 1 Gt)和净排放总量由130 Pg公司在过去的一个世纪2- c e,没有危害食品安全,保护栖息地,或土壤。此外,憔悴和莱曼[67年记录,减排可以增加12 - 84%如果生物炭是放回进入土壤,而不是燃烧来抵消化石燃料的使用。此外,生物炭的应用在每十年估计15×109公顷的农田将导致全球有限公司2等效增益为0.65 Gt C年−1(68年,69年]。这些反过来表明生物炭封存可以一个选项来改变生物能源为减碳产业(44]。
9。机会和约束减少碳排放在热带农业生产系统
在热带地区,土壤有机碳在农业景观已经耗尽通过萃取农业实践的长期使用18,70年,71年]。大多数农业土壤失去了30到40 t C公顷−1,他们目前的土壤有机碳储量远远低于他们的潜在能力,表明有巨大的技术潜力,增加土壤碳在农业土壤和减少温室气体排放。根据拉尔(71年),大多数土壤都有技术或最大下沉能力从20 - 50 t C公顷−1可以隔离20-to-50-year一段。封存潜力最大的是在这些地区的土壤,失去了最土壤碳。这些地区土壤严重退化,已经用于萃取农业实践了很长一段时间。在发展中国家,这些地区包括撒哈拉以南非洲、南亚和中亚、加勒比海、中美洲和安第斯地区(71年]。等,将退化土壤转化为恢复土地和采用免耕等实践有机C输入管理,如添加肥料,肥料、生物炭,农林实践能够增加土壤碳池在热带地区(71年]。
文献显示,在过去两到三年,允许并鼓励更广泛的采用缓解选项是主张通过市场化机制。这可以创建所需的催化剂提升农业作为关键部分全球减缓气候变化的方法。然而,通过提倡作物和土壤土壤C封存管理实践目前并不适合在排放贸易(ET),清洁发展机制(CDM),或者联合实现(JI)和《京都议定书》的第3.3条和3.4具体包括土壤碳作为一个选项(72年]。根据莱曼[44土壤C],一些原因封存通过作物和土壤管理实践是不允许进入交易市场在当前协议包括(1)公司的净撤军2通过倡导作物和土壤管理措施通常是短暂的,(2)问责C封存的过程并不简单,以及监测和认证C股市的变化是昂贵和困难的,和(3)C封存的过程也伴随着快速或大规模泄漏。Sohi和Shackley26)还指出,分解率与气候变化可能会增加土壤碳储存容易”的反馈。“只有一小部分添加有机物稳定了更长时间,和积累速率随时间减少导致低效率使用平衡后的有机资源。
然而,考虑土壤碳作为一种商品,创造另一个收入来源资源匮乏、小型土地持有者是必不可少的先决条件,广泛采用推荐的管理实践在发展中国家,粮食不安全问题和土壤/环境恶化非常严重。实现这些收入将大幅需要更大的政策支持和投资可持续土地使用比目前的情况73年]。此外,在土壤和作物管理措施,提高土壤碳池一般来说显然提供经济和生态优势,健壮的系统的开发符合涉众需求和需求是我们有限的理解受到生存需求之间的权衡,可接受的风险和成本(74年]。
10。我们可以将生物炭集成到交易市场在当前协议?
资金从碳交易被认为是必要的金融研究和发展必要的发现和利用作物和土壤管理实践的全部潜力有助于减缓气候变化,使更广泛的采用实践固碳在全球重要的水平(52]。当涉及到包括生物炭的排放交易方案、持久性的问题,土地使用权,泄漏,生物炭项目的额外性更重要比项目隔离C在生物质或土壤植物生产力的管理(44]。这是因为生物炭碳封存可能避免困难,如准确监测土壤碳,这是主要的农业土壤管理纳入排放交易壁垒(44,75年]。此外,不需要复杂的预测模型或分析工具,与其他土壤封存方法一样。添加生物炭的来源很容易被土壤分析,如果需要确认下碳交易计划。
我们认为有巨大的潜力,允许相关减排利用生物炭交易市场在目前的协议,因为减排单位获得由于使用生物炭可以很容易地解释,监控和验证。此外,它会加剧气候变化是真实的,有一种紧迫感不仅识别,而且实现的解决方案。生物炭封存不需要一个基本的科学进步,和潜在的生产技术是健壮和简单,使它适合世界许多区域(44]。此外,使用本地可用的技术生产生物炭(图1)甚至使它更适合资源贫穷的小农生活在热带地区。
11。考虑在升级生物炭
认识到生物炭的技术仍处于初期发展阶段,有许多担忧的适用性技术在热带地区。三个问题是原料可用性、生物炭处理,生物炭系统部署。到目前为止,对生物炭的原料是主要的植物和农作物残留物,能源和牲畜饲料的主要来源为小农在热带地区。因此,仍有可持续性的担忧与大规模生物炭生产提供原料。理想的时间应用生物炭和如何确保应用依然存在一次,不会导致对人类健康的风险或降低空气质量也是一个问题。此外,开发一个“一刀切”生物炭系统还将是一个挑战,生物炭系统设计要分解的原料和能源需求的一个操作(42]。
文献表明,生物炭可以有效地改善土壤有机C、养分循环和作物产量(例如,(49])。然而,生物炭生产涉及的作物残留物从农业土地和加速侵蚀的风险将增加。因此,确定可持续作物残留的去除率和实施额外的保护措施如等高耕作、保护性耕作、和覆盖作物农业土地是至关重要的。此外,与粮食生产和竞争引起的土地利用变化会减少的碳汇潜力甚至战略一样有前途的生物炭(75年]。作为生物炭碳封存取决于碳交易收入,重要的是要确保大规模生物炭应用农业土地不会导致耗尽陆地碳股票,因为它减少了生物炭的经济可行性。
我们认为重要的是要考虑原料可用性等问题,同时促进生物炭作为缓解气候变化选项在热带地区的热带地区农业系统是由混合农畜生产系统。在这样的系统总是存在竞争使用作物残留的土壤改良剂或牲畜饲料。然而,这种冲突的问题可以被解决通过安排替代饲料喂养牲畜。