Integrating upscaling simulation methods for predicting soil organic Carbon changes in Spain

Abstract

L'avaluació d'estocs de C orgànic del sòl (COS) i emissions d'efecte hivernacle (GEH) a escala regional sota escenaris de canvi climàtic és fonamental a l'hora d'implementar estratègies de maneig per mitigar el canvi climàtic. El principal objectiu d'aquesta Tesi és avaluar els canvis del COS i GEH en diferents sistemes agrícoles (en terres de cultiu i de pastura) i en diferents condicions climàtiques (clima mediterrani i temperat humit) d'Espanya sota diferents escenaris climàtics. A més, s’avaluen les estratègies de maneig de la terra amb l'objectiu de mitigar els efectes del canvi climàtic. A l'estudi de modelització espacial, es va adoptar una versió calibrada del model de COS RothC per estimar els canvis en els estocs de COS en condicions de canvi climàtic a les terres de cultiu de l'Espanya mediterrània en una superfície total de 23 300 km2 durant el període 2010-2100. També es van simular emissions presents i futures (2010-2100) netes per a uns 4050 km2 de terres de pastura associades a la producció lletera de la zona temperada humida d'Espanya. Per a l'estimació del COS, es va modificar el model RothC per adaptar-lo a les terres de pastura temperades humides, considerant: (1) la incorporació dels diferents components dels residus vegetals (part aèria, part subterrània i rizodeposició) diferenciant-ne la qualitat i la quantitat, (2) la diferenciació de la qualitat de l'excreta dels remugants, i (3) l'extensió de la funció d'humitat del sól considerant condicions de saturació. Per a l'estimació dels GEH, es va fer servir la metodologia refinada de l'IPCC (Tier 2) considerant emissions de CH4 i N2O provinents de la fermentació entèrica, del maneig de l'excreta i del sòl de les pastures. Segons els resultats trobats en els dos agroecosistemes (és a dir, terres de cultiu i de pastura), el canvi climàtic condueix a una disminució en el contingut de COS en comparació amb els escenaris de base de referència. Concloem que l'aportació de C és el factor clau de l'emmagatzematge de COS a les terres de cultiu mediterrànies i les terres de pastura temperades humides i que la temperatura de l'aire és el factor climàtic que contribueix més a les variacions del COS. A més, la densitat ramadera és el factor que més afecta les emissions netes a les terres de pastura associades a la producció lletera al Nord d'Espanya. En conclusió, les alternatives de maneig milloren la quantitat de COS emmagatzemat i es mostren com a estratègies efectives per reduir les emissions GEH sota les condicions futures de canvi climàtic. La sembra directa, en el cas dels cultius de secà, i la coberta vegetal, per als camps d’oliveres i altres cultius llenyosos, són les alternatives de maneig que resulten més eficaces per a reduir els efectes del canvi climàtic i la pèrdua de COS. A més, en el cas de les terres de pasturea temperades i humides associades a la producció lletera, les pràctiques alternatives de maneig dels fems (en particular, la digestió anaeròbica) afavoreixen a mitigar els efectes del canvi climàtic i a reduir els GEH nets, alhora que contribueixen a la mitigació mitjançant l'optimització de la densitat ramadera.

La evaluación de stocks de C orgánico del suelo (COS) y emisiones de efecto invernadero (GEI) a escala regional bajo escenarios de cambio climático es de fundamental importancia a la hora de implementar estrategias de manejo para mitigar el cambio climático. El principal objetivo de esta Tesis es evaluar los cambios del COS y GEI en diferentes sistemas agrícolas (e.g., tierras de cultivo y pastos) y diferentes condiciones climáticas (Mediterráneo y templado húmedo) de España bajo diferentes escenarios climáticos. Además, evalué las estrategias de manejo con el objetivo de mitigar los efectos del cambio climático. En el estudio de modelización espacial, se adoptó una versión calibrada del modelo de COS RothC para estimar los cambios en los stocks de COS en condiciones de cambio climático en las tierras de cultivo de la España mediterránea en una superficie total de 23 300 km2 durante el período 2010 a 2100. También simulé las presentes y futuras (2010-2100) emisiones netas para unos 4050 km2 de pastos asociados a la producción lechera de la zona templada húmeda de España. Para la estimación del COS, se modificó el modelo RothC para adaptarlo a los pastos templados húmedos considerando: (1) la incorporación de los diferentes componentes de los residuos vegetales (parte aérea, parte subterránea y rizodeposición) diferenciando su calidad y cantidad, la diferenciación de la calidad de la excreta de los rumiantes, y la extensión de la función de humedad del suelo considerando condiciones de saturación. Para la estimación de los GEI, se usó la metodología refinada del IPCC (Tier 2) considerando emisiones de CH4 and N2O provenientes de la fermentación entérica, del manejo de la excreta y del suelo de los pastos. Según los resultados encontrados en ambos agroecosistemas (es decir, tierras de cultivo y pastos), el cambio climático generalmente condujo a una disminución en el contenido de COS en comparación con los escenarios baseline de referencia. Concluimos que el aporte de C es el factor clave del almacenamiento de COS en las tierras de cultivo mediterráneas y los pastos templados húmedos y que la temperatura del aire es el factor climático que contribuyó más a las variaciones en el COS. Además, la densidad ganadera fue el factor que más afectó a las emisiones netas en los pastos asociados a la producción lechera en el Norte de España. En conclusión, las alternativas de manejo mejoraron la cantidad de COS almacenado y eran estrategias efectivas para reducir las emisiones GEI bajo las condiciones futuras del cambio climático. La siembra directa, en el caso de los cultivos de secano, y la cubierta vegetal, para los olivares y otros cultivos leñosos, fueron las alternativas de manejo eficaces para reducir los efectos del cambio climático y la pérdida de COS. Además, en el caso de pastos templados y húmedos asociados a la producción lechera, las prácticas alternativas de manejo del estiércol (en particular, la digestión anaeróbica) ayudaron a mitigar los efectos del cambio climático y a reducir los GEI netos, mientras que se podría lograr una mayor mitigación mediante la optimización de la densidad ganadera.

Soil organic carbon (SOC) stocks and greenhouse gas (GHG) emissions assessment at the regional scale under climate change scenarios are of paramount importance in implementing management practices to mitigate climate change effect. The main objective of this Thesis was to assess SOC changes and GHG emissions under different agricultural systems (croplands and grasslands) and climatic conditions (Mediterranean and moist temperate) in Spain under different climate scenarios. Furthermore, different alternative management practices to mitigate climate change effects for the considered agroecosystems were also evaluated. A calibrated version of the SOC model RothC was constructed to estimate the changes in SOC under climate change conditions for croplands of Mediterranean Spain across a total surface area of 23 300km2 during the 2010 to 2100 period. It was also simulated current and future (2010–2100) net GHG emissions in more than 4050 km2 of moist temperate Spanish grasslands associated to dairy production under different climate scenarios. For SOC dynamics estimation, the RothC model was modified to fit to managed moist temperate grasslands considering: (1) the incorporation of distinction for plant residues components (i.e., above- and below-ground residues and rhizodeposition) in terms of quantity and quality, (2) ruminant excreta quality, and (3) the extension of soil moisture up to saturation conditions. For GHG estimation, it was used mainly Tier 2 IPCC methodologies to estimate the CH4 and N2O emissions from enteric fermentation, manure storage and handling, and grassland soils. According to my findings, among both agroecosystems (i.e., croplands and grasslands), climate change generally led to a decline in SOC content compared with baseline scenarios. Furthermore, C input was the key factor of SOC storage across Mediterranean croplands and moist temperate Spanish grasslands. Additionally, it was found that air temperature rather than precipitation was the climatic factor contributing to most of variation in SOC changes values. Moreover, livestock density was the main factor affecting net GHG emissions in the grasslands associated to dairy production of Northern Spain. It was concluded that changes in management could enhance the amount of SOC sequestered and reduce GHG emissions under climate change conditions. Under Mediterranean croplands, no-tillage, in the case of rainfed crops, and vegetation cover, for olive groves and other woody crops, were the alternative management strategies to alleviate climate change effects and SOC loss. In addition, under moist temperate grassland-based dairy livestock systems, alternative manure management practices (particularly, anaerobic digestion) were efficient to mitigate the climate change effects and to reduce the net GHG emissions, while more mitigation could be achieved by optimising the livestock density management.