Conservation Agriculture and climate change. Scientific foresight and mitigation potential

Abstract

Climate change is a significant contemporary challenge affecting both present and future generations, and greenhouse gas emissions represent a serious concern, mainly carbon dioxide (CO2), nitrous oxide (N2O), and methane (CH4) There is substantial scientific evidence supporting the notion that Conservation Agriculture can effectively mitigate the effects of climate change, particularly through carbon sequestration in plants and soil. Currently, many countries have set goals to reduce greenhouse gas emissions and enhance carbon sequestration. To reinforce these objectives, the European Union has outlined challenges in the Common Agricultural Policy 2020–2027, emphasizing the need to support and fortify environmental protection, including biodiversity, and climate action. These initiatives contribute to the European Union's broader environmental and climate objectives. Conservation Agriculture promotes minimum soil disturbance, the maintenance of a permanent soil cover, and the diversification of plant species. Conservation Agriculture is a concept in support of sustainable land management, environmental protection and climate change adaptation and mitigation. Conservation Agriculture is an important tool to mitigate climate change and have been studied in the last decades, initially in North and South America, and then in the rest of the world, especially in Asia and Europe. This thesis has produced new knowledge about the contribution of Conservation Agriculture to the mitigation of climate change and how through better soil management, the emissions of key greenhouse gas from agriculture can be reduced. In Chapter III a meta-analysis on carbon sequestration through Conservation Agriculture in Africa is presented. Africa is the smallest contributor to global greenhouse gas emissions among the continents, but the most vulnerable to the impacts of climate change. The effects will not be limited to a rising average temperature and changing rainfall patterns, but also to increasing severity and frequency in droughts, heat stress and floods. Agriculture is not only impacted upon by climate change but also contributes to global warming. However, not all agricultural systems affect negatively climate change. Conservation Agriculture is a farming system that promotes continuous no or minimum soil disturbance (i.e. no tillage), maintenance of a permanent soil mulch cover, and diversification of plant species. Through these principles it enhances biodiversity and natural biological processes above and below the ground surface, so contributing to increased water and nutrient use efficiency and productivity, to more resilient cropping systems, and to improved and sustained crop production. Conservation Agriculture is based on the practical application of three interlinked principles along with complementary good agricultural practice. The characteristics of Conservation Agriculture make it one of the systems best able to contribute to climate change mitigation by reducing atmospheric greenhouse gas concentration. In this chapter, the carbon sequestration potential of Conservation Agriculture is assessed, both in annual and perennial crops, in the different agro-climatic regions of Africa. In total, the potential estimate of annual carbon sequestration in African agricultural soils through Conservation Agriculture amounts to 143 Tg of C per year, that is 524 Tg of CO2 per year. This figure represents about 93 times the current sequestration figure for Africa, where tillage-based agriculture is the most common system. In Chapter IV, the effect of Conservation Agriculture and environmental factors on CO2 emissions in a rainfed crop rotation are studied. There are many factors involved in the release of CO2 emissions from the soil, such as the type of soil management, the soil organic matter, the soil temperature and moisture conditions, crop phenological stage, weather conditions, residue management, among others. This chapter analyses the influence of these factors and their interactions to determine the emissions by evaluating the environmental cost expressed as the kg of CO2 emitted per kg of production in each of the crops and seasons studied. For this purpose, a field trial was conducted on a farm in Seville (Spain). The study compared Conservation Agriculture, including its three principles (no-tillage, permanent soil cover, and crop rotations), with conventional tillage. Carbon dioxide emissions measured across the four seasons of the experiment showed an increase strongly influenced by rainfall during the vegetative period, in both soil management systems. The results of this chapter confirm that extreme events of precipitation away from the normal means, result in episodes of high CO2 emissions into the atmosphere. This is very important because one of the consequences for future scenarios of climate change is precisely the increase of extreme episodes of precipitation and periods extremely dry, depending on the area considered. The total of emission values of the different plots of the study show how the soils under the conventional system (tillage) have been emitting 67% more than soils under the conventional agriculture system during the 2010/11 season and 25% for the last campaign where the most appreciable differences are observed. In Chapter V the soil management, irrigation and fertilisation strategies for N2O emissions mitigation in mediterranean agricultural systems are assessed. Feeding a growing population, which will reach 10 billion in 2050, is a major challenge. Another major challenge is to increase crops’ productivity in a sustainable way, as the increase in agricultural inputs may lead to greenhouse gas emissions, including N2O fertiliser. Several factors can influence N2O emissions such as irrigation, the soil management system, or the type of fertiliser used. The aim of this chapter was to study the impact of each above-mentioned factor on N2O emissions during three growing seasons in a maize field, considering three nitrogen fertilisers: urea, ammonium nitrate, and a fertiliser with the nitrification inhibitor 3,4-dimethylpyrazole phosphate; two irrigation strategies: on demand (100%) and deficit irrigation (75% of demand); and a comparison of two soil management systems: conventional tillage systems and no-tillage. The interactions among the three factors and their effects on emissions were analysed through a principal component analysis. Higher emissions were recorded in plots that received the highest irrigation dose. The most favourable management to reduce N2O emissions derived from agricultural activity for maize crops under a Mediterranean climate was no-tillage, using a fertiliser with nitrification inhibitor and an irrigation dose of 75% of conventional irrigation.

El cambio climático es un importante desafío contemporáneo que afecta tanto a las generaciones presentes como a las futuras, ya que las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) representan un grave riesgo, principalmente el dióxido de carbono (CO2), el óxido nitroso (N2O) y el metano (CH4). Existen pruebas científicas que apoyan la hipótesis de que la Agricultura de Conservación puede mitigar eficazmente los efectos del cambio climático, en particular mediante el secuestro de carbono en las plantas y el suelo. En la actualidad, muchos países se han fijado objetivos para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y potenciar el secuestro de carbono. Para reforzar estos objetivos, la Unión Europea ha esbozado retos en la Política Agrícola Común 2020-2027, haciendo hincapié en la necesidad de apoyar y reforzar la protección del medio ambiente, incluida la biodiversidad, y la acción por el clima. Estas iniciativas contribuyen a los objetivos medioambientales y climáticos más amplios de la Unión Europea. La Agricultura de Conservación promueve la mínima alteración del suelo, el mantenimiento de una cubierta permanente y la diversificación de las especies vegetales. La Agricultura de Conservación es un sistema que apoya la gestión sostenible de la tierra, la protección del medio ambiente y la adaptación al cambio climático y su mitigación. La Agricultura de Conservación es una herramienta importante para mitigar el cambio climático y se ha estudiado en las últimas décadas, inicialmente en América del Norte y del Sur, y después en el resto del mundo, especialmente en Asia y Europa. Esta tesis aporta nuevos conocimientos sobre la contribución de la Agricultura de Conservación a la mitigación del cambio climático y sobre cómo, a través de una mejor gestión del suelo, se pueden reducir las emisiones de gases de efecto invernadero clave procedentes de la agricultura. En el Capítulo III se presenta un meta-análisis sobre el secuestro de carbono mediante la Agricultura de Conservación en África. África es el continente que menos contribuye a las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero, pero el más vulnerable a los efectos del cambio climático. Los efectos no se limitarán al aumento de la temperatura media y a la modificación de los regímenes de precipitaciones, sino también al aumento de la gravedad y la frecuencia de las sequías, los golpes de calor y las inundaciones. La agricultura no sólo se ve afectada por el cambio climático, sino que también contribuye al calentamiento global. Sin embargo, no todos los sistemas agrícolas afectan negativamente al cambio climático. La Agricultura de Conservación es un sistema agrícola que promueve la no perturbación o la perturbación mínima del suelo (es decir, la siembra directa), el mantenimiento de una cubierta vegetal permanente y la diversificación de las especies vegetales. Gracias a estos principios, mejora la biodiversidad y los procesos biológicos naturales sobre y dentro del suelo, contribuyendo así a una mayor eficiencia en el uso del agua y los nutrientes y a una mayor productividad, a sistemas de cultivo más resistentes y a una producción de cultivos mejorada y sostenida. La Agricultura de Conservación se basa en la aplicación práctica de tres principios interrelacionados junto con buenas prácticas agrícolas complementarias. Las características de la Agricultura de Conservación la convierten en uno de los sistemas más aptos para contribuir a la mitigación del cambio climático mediante la reducción de la concentración atmosférica de gases de efecto invernadero. En este capítulo se evalúa el potencial de secuestro de carbono de la Agricultura de Conservación, tanto en cultivos anuales como perennes, en las diferentes regiones agroclimáticas de África. En total, la estimación del potencial de secuestro anual de carbono en los suelos agrícolas africanos a través de la Agricultura de Conservación asciende a 143 Tg de C al año, es decir, 524 Tg de CO2 al año. Esta cifra representa unas 93 veces la cifra actual de secuestro en África, donde la agricultura basada en el laboreo es el sistema más común. En el Capítulo IV se estudia el efecto de la Agricultura de Conservación y de los factores ambientales sobre las emisiones de CO2 en una rotación de cultivos de secano. Son muchos los factores que intervienen en la liberación de emisiones de CO2 del suelo, tales como el tipo de manejo del suelo, la materia orgánica del suelo, las condiciones de temperatura y humedad del suelo, el estado fenológico del cultivo, las condiciones climáticas, el manejo de residuos, entre otros. El objetivo de este capítulo es analizar la influencia de estos factores y sus interacciones en la determinación de las emisiones, evaluando el coste medioambiental expresado como kg de CO2 emitido por kg de producción en cada uno de los cultivos y campañas estudiadas. Para ello, se realizó un ensayo de campo en una finca de Sevilla (España). El presente capítulo compara la Agricultura de Conservación, incluyendo sus tres principios (no laboreo, cubierta permanente del suelo y rotación de cultivos), con el laboreo convencional. Las emisiones de dióxido de carbono medidas a lo largo de las cuatro estaciones del experimento mostraron un incremento fuertemente influenciado por las precipitaciones durante el periodo vegetativo, en ambos sistemas de manejo del suelo. Los resultados de este capítulo confirman que eventos extremos de precipitación alejados de las medias normales, dan lugar a episodios de elevadas emisiones de CO2 a la atmósfera. Esto es muy importante, ya que una de las consecuencias para futuros escenarios de cambio climático es precisamente el aumento de episodios extremos de precipitación y periodos extremadamente secos, dependiendo de la zona considerada. El total de valores de emisión de las diferentes parcelas del estudio muestran como los suelos bajo el sistema convencional (laboreo) han estado emitiendo un 67% más que los suelos bajo el sistema de agricultura convencional durante la campaña 2010/11 y un 25% para la última campaña donde se observan las diferencias más apreciables En el Capítulo V se evalúan las estrategias de gestión del suelo, riego y fertilización para mitigar las emisiones de N2O en los sistemas agrícolas mediterráneos. Alimentar a una población creciente, que alcanzará los 10.000 millones en 2050, es un reto importante. Otro reto importante es aumentar la productividad de los cultivos de forma sostenible, ya que el aumento de los insumos agrícolas puede provocar emisiones de gases de efecto invernadero, incluido el N2O de los fertilizantes. Varios factores pueden influir en las emisiones de N2O, como el riego, el sistema de gestión del suelo o el tipo de fertilizante utilizado. El objetivo de esta investigación es estudiar el impacto de cada uno de los factores mencionados sobre las emisiones de N2O durante tres campañas agrícolas de cultivo en un cultivo de maíz, considerando tres fertilizantes nitrogenados: urea, nitrato amónico, y un fertilizante con el inhibidor de la nitrificación 3,4- dimetilpirazol fosfato; dos estrategias de riego: a demanda (100%) y riego deficitario (75% de la demanda); y una comparación de dos sistemas de manejo del suelo: sistemas de laboreo convencionales y siembra directa. Las interacciones entre los tres factores y sus efectos sobre las emisiones se analizaron mediante un análisis de componentes principales. Se registraron mayores emisiones en las parcelas que recibieron la dosis de riego más alta. El manejo más favorable para reducir las emisiones de N2O derivadas de la actividad agrícola para cultivos de maíz bajo clima mediterráneo fue la siembra directa, el uso de un fertilizante con inhibidor de la nitrificación y una dosis de riego del 75% del riego convencional.