Estrategias de mitigación de efectos derivados del cambio en el sector pecuario

1. Estrategias de Mitigación de Efectos Derivados del Cambio Global en Sistemas de ProducciónAgrícolas R. César IzaurraldePNNL, Joint Global Change Research Institutewww.globalchange.umd.edu IV Reunión Nacional de Innovación Agrícola y Forestal yXLV Reunión Nacional de Investigación Saltillo, MéxicoOctubre 19-23, 2009

2. Objetivos y Tópicos Revisar y discutir el efecto de los cambios climáticos sobre la agricultura y el rol de esta sobre la mitigación de estos cambios Tópicos a cubrir Causas del cambio climático Impactos del cambio climático sobre sistemas agrícolas La captura de carbono en sistemas agrícolas para mitigar los cambios climáticos Mitigación de otros gases de invernadero (N2O y CH4) La captura de carbono como forma de adaptar los suelos a los cambios climáticos

3. El Cambio Global Incremento en la concentración de anhídrido carbónico [CO2] Cambios de temperatura y precipitación Aumento de población Actual: casi 7 mil millones Proyectada: 9 mil millones Cambios en la biodiversidad Cambios de uso de la tierra Pérdida y fragmentación de ecosistemas nativos 3 Temperatura global Población mundial

4. 4 Mauna Loa, Hawaii The concentration of greenhouse gases has been increasing due to human activities El incrementocontínuo de lasconcentraciones de CO2en la atmósferadesde1958 sigueunalíneaoscilantellamada la “Curva Keeling," porC. Dave Keeling Las concentracionesatmosféricas de CO2, CH4y N2O se hanestadoincrementandodesde1750 debido a actividadeshumanas y ahoraexcedenconcentracioneshistóricasestimadas en muestras de hielo de miles de añosFuente:SummarioparaGobernantes, IPCC (2007)

5. 5 Los cambiosfuturos de temperatura y precipitaciónvaríansegún los escenarios de emisiones Sumarioparagobiernos, IPCC (2007)

6. Pero, que es un “gas de invernadero”? El nitrógeno, O2, y el Argon conforman el 99% de la atmósfera pero no son gases de invernadero El vapor de agua, CO2, CH4, y el N2O son gases de invernadero Un gas de invernadero absorbe radiación infraroja debido a su momento dipolo Este momento dipolo genera vibraciones moleculares y dobladuras que da como resultado la absorción de radiación infraroja Las colisiones transfieren energía que sirve a su vez para calentar el gas circundante http://www.ucar.edu/learn/1_3_1.htm La molécula de N2O

7. Comparando el poder de los gases de invernadero4th IPCC Assessment Report, WG I, Ch. 2 Las actividadeshumanas son principalementeresponsables de la emisión de 4 gases de invernadero: CO2, CH4, N2O y los halocarbonos (un grupo de gases quecontienen Fl, Cl y Br) Las concentracionesatmosféricas de gases de invernaderolongevoshanidoaumentandodurante los últimos 2,000 años, especialmentedesde 1750 – el comienzo de la era industrial

8. Ciclo Moderno y Global del Carbono (Pg C) (Basado en Schlesinger, 2003) 7.6 120 Fotosíntesis 60 Respiración Atmósfera 750 60 4.1 Rh Plantas 560 Emisiones de combustiblesfósiles 1.5 Destrucción de vegetación 92.2 90 60 Ríos 0.4 Océanos 38000 Suelos 1500 Sumidero oceánico -2.2 Sumidero terrestre: -2.8 Entierro 0.1 1 Pg = 1015 g = Mil millones de toneladas

9. Cambios Climático y la Agricultura: Impactos

10. El efecto de fertilización del CO2… La concentración elevada de CO2 estimula la fotosíntesis y reduce la conductancia de los estomas Akita y Moss (1973) Otros efectos Mejora la eficiencia del uso del agua Acelera el crecimiento vegetal Altera la distribución de nutrientes Reduce la concentración foliar de nitrógeno Kimball (1983): los rendimientos de cultivos debieran aumentar 33% cuando la [CO2] se duplica de 330 a 660 ppm http://www.uswcl.ars.ag.gov/epd/co2/co2face.htm

11. Corn yield (Mg ha-1) Baseline, CO2 = 365 ppm Yield diff. (Mg ha-1) Had2030, CO2 = 365 ppm Yield diff. (Mg ha-1) Had2095, CO2 = 365 ppm Yield diff. (Mg ha-1) Had2095, CO2 = 560 ppm Un ejemplo de modelación: rendimientos y cambios de rendimiento de maíz con respecto al nivel actual en 2030 y 2095 bajo escenarios HadCM2 GCM Izaurralde et al. (2003)

12. Seguirán aumentando los rendimientos?

13. Los efectos del cambio climático sobre la agricultura, los recursos terrestres e hídricos, y la biodiversidad Informe disponible en: http://www.climatescience.gov

14. Respuesta de rendimientos y evapotranspiración a los aumentos de temperatura y [CO2] Hatfield et al. (2008)

15. 15 Rendimiento de agua: base y desviaciones en 2030 y 2095 En 2030, rendimiento de agua Aumentan en el Este y MedioOeste DisminuyedesdeAlabama a Texas En 2095, rendimiento de agua Aumentan en regiones de lasMontañasRocosas y Costa Oeste Aumenta en lasregionesorientales de lasGrandesPlanicies de Texas a Nebraska Rosenberg et al. (2003)

17. WY de SWAT

18. IRR de EPICRelaciónabastecimiento / demanda Izaurralde et al. (2003)

19. Resúmen de los efectos esperados del calentamiento global sobre los sistemas agrícolas Existe evidencia científica de que la humanidad es en buena parte responsable del cambio climático que se está experimentando Los cambios climáticos durante las próximas décadas podrían impactar significativamente los sistemas agrícolas Cultivos Un incremento de la temperatura en las próximas décadas muy probablemente reducirán los rendimientos de varios cultivos importantes tales como maíz, trigo, sorgo, algodón, y maní El aumento de la [CO2] en las próximas décadas podría favorecer los rendimientos de especies C3 sobre C4 (por el efecto de fertilización del CO2 y del aumento de la eficiencia en el uso del agua) Todos los cultivos estarían más expuestos a condiciones climáticas extremas (sequías, temperaturas extremas, etc.) Animales domésticos El ganado doméstico muestra gran adaptación a condiciones ambientales El estrés de calor puede afectar las tasas de respiración y sudor del ganado doméstico

20. Cambio Climático y la Agricultura: Mitigación y Adaptación a través de Captura de Carbono

21. El desafío de la estabilización de las concentración del CO2 atmosférico La estabilización de las concentraciones de gases de invernadero es la meta de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático La estabilización significa que las emisiones deben alcanzar un máximo en las próximas décadas y declinar indefinidamente después de este máximo El cambio climático es un problema a largo plazo, de cientos a miles de años, con mucha importancia actual. No será resuelto con un simple tratado, con una sola tecnología, por un sólo país, o en forma rápida Gráfico courtesía de Jae Edmonds

22. La estabilización de la [CO2] significa Cambiar el sistema global de energía Desarrollar un portafolio de tecnologías de costo mínimo } Tg C y-1 Llenando el Hueco de Tecnología Gráfico courtesía de Jae Edmonds

23. Los recursos terrestres en el siglo XXI… Aumento de la demanda de los recursos terrestres Alimentos y fibras Agua Bioenergía Servicios de los ecosistemas Se necesita una comprensión integral de Impactos del cambio climático sobre los sistemas de producción Mitigación de gases de invernadero Adaptación al cambio climático Tierras de cultivo en 1992 Efecto CO2 O3 troposférico Mitigación de GEI

24. Impactos del manejo y uso de la tierra sobre la calidad ambiental y de suelos La degradación de suelos provocada por el hombre El cambio de cobertura y de uso de la tierra ha afectado Calidad ambiental y de suelos La cantidad de carbono terrestre La preservacion de la calidad de suelos y aguas es esencial para combatir el cambio climático

25. Secuestro de Carbono Terrestre: Definición y Antecedentes Definición: La implementación de una práctica de manejo de la tierra que a través del incremento de la productividad primaria neta, reducción de la respiración heterotrófica, or ambas induce un incremento en el almacenamiento de C del ecosistema Ejemplos: plantar árboles, reducir la intensidad de labranza en tierras de cultivo, o restaurar pastizales en tierras degradadas pueden resultar en un incremento del C almacenado en plantas, suelo, o ambos compartimentos Justificación: Pérdidas históricas de C de los compartimentos terrestres (~200 Pg C) Beneficios ambientales (calidad del suelo, biodiversidad) Bajo costo comparado con otras prácticas de mitigactión En 1995, el 2o informe IPCC (Capítulo 23) estimó que el potencial de C en el suelo era de 40 Pg C a lograr durante un período de 50-100 años

26. …del IPCC WG III, 4to Informe de Evaluación “Las prácticas agrícolas colectivamente pueden contribuir con bajo costo a incrementar los sumideros de C del suelo, a reducir la emisión de gases de invernadero, y contribuir biomasa como materia prima para producción de energía (acuerdomedio, evidencia media) Una gran proporción del potencial mitigante de la agricultura (excluyendo la bioenergía) se origina del secuestro del C edáfico, el cual se complementa muy bien con la agricultura sustentable y generalmente reduce la vulnerabilidad al cambio climático El C almacenado en el suelo puede ser vulnerable a las pérdidas a través de cambios de manejo y clima En algunos sistemas agrícolas existe un potencial considerable de mitigamiento a partir de reducción de emisiones de metano [CH4] y óxido nitroso [N2O] No hay una lista de prácticas de mitigación universal; las prácticas necesitan ser evaluadas para cada caso La biomasa generada a partir de residuos agrícolas y cultivos dedicados a energía puede ser una fuente importante de bioenergía, pero su contribución a la mitigación depende de la demanda de bioenergía del transporte y del abastecimiento de energía, de la disponibilidad del agua, y de los requerimientos de tierra para la prodcción de alimentos y fibras. El uso expansivo de las tierras agrícolas para la producción de biomasa para energía puede competir con otros usos de la tierra y tener efectos ambientales positivos y negativos y además repercusiones en la seguridad de los alimentos”

27. Efectos del cambio de uso de la tierra y manejo de suelo sobre los niveles de materia orgánica del suelo Laboreo de tierras Oxidación del carbono y mineralización de nutrientes Erosion Eólica e hídrica Prácticas mejoradas Sistemas agrícolas Cambios de uso de la tierra Barbecho de verano en Canadá Erosión eólica en Argentina

28. Captura de carbono en el suelo: una tecnología de mitigación de bajo costo, aplicación inmediata, pero de potential limitado (40 Pg C) Productividad primaria neta Materia orgánica fresca Complejos organo-minerales

29. Maíz y café en Oaxaca, México El manejo agrícola juega un papel fundamental en la emisión de gases de invernadero pero ofrece muchas oportunidades para su mitigación Arrozales Riego Fertilización química y orgánica Manejo de residuos de cosecha Tierras de cultivo Labranza reducida Rotaciones Cultivos de cobertura Manejo de la fertilidad Control de la erosión Manejo del riego Arrozales en Filipinas 470 kg C ha-1 y-1 Agroforestación Manejo mejorado de árboles y cultivos Causarano et al. (2006) Adopción de labranza cero a nivel mundial(Mha) Izaurralde y Rice (2006)

30. Entendiendo los efectos del manejo sobre la dynámica del C del suelo Parcelas Clásicas de Breton Bosque a agricultura en ~1900 Experimento iniciado en 1930 Tratamientos actuales (1938) Rotaciones de cultivo Barbecho-trigo Rotación de 5 años Tratamientos de fertilización Control Fertilizante Estiércol Izaurralde et al. (2001)

31. Biochar: La aplicación de una práctica antigua para capturar carbono y mejorar a los suelos Creación de tierra negra a través de la aplicación de materiales quemados por los nativos de la Cuenca Amazónica 250 Mg C ha-1 vs. 100 Mg C ha-1 Biochar actúa como acondicionador del suelo Aumenta el rendimiento Mejora las propiedades físicas y biológicas del suelo Oportunidades para usar biochar en sistemas de manejo Sistemas de milpa Producción de charcoal Reciclado de residuos agrícolas Producción de energía con biocombustibles Plantar árboles de crecimiento rápido para producir biochar © Glaser “Terra Preta” Suelo normal Lehmann et al. (2006)

32. En definitiva, la captura de carbono en ecosistemas puede aumentar la seguridad alimentaria y ayudar a crear suelos menos vulnerables al cambio climático El aumento de niveles de materia orgánica del suelo puede llegar a brindar múltiples beneficios tales como Mejores rendimientos --> mejor seguridad alimentaria Almacenamiento de nutrientes Mejora en el índice de laborabilidad Mejora de la infiltración del agua y de la capacidad de retención del agua Mejora de la capacidad de regulación del pH del suelo Todo lo anterior contribuiría a hacer los suelos más resistentes a los cambios climáticos

35. 33 Cámaras automáticas aumentan la resolución temporal de la colección de datos de gases de invernadero Cámara automática usada en Australia

36. 34 Sitio Ecológico de Largo Plazo Kellogg Biological Station Robertson et al. Science 289:1922-1925 (2000) Tipo de Ecosistema Intensidad de Manejo Annual Crops (Maíz - Soja - Trigo)Labranza convencional AltaLabranza ceroBajo insumo con cultivo de coberturaOrgánico con cultivo de cobertura Cultivos PerennesAlfalfaAlamo Comunidades de SucesiónTempranaIntermediaMadura Baja

37. 35 Contabilización Total de Carbono en AgroecosistemasRobertson et al. (2000) Science 289:1922-1925 1. Oxidación de C del suelo 2. Combustible 3. Fertilizante nitrogenado 4. Encalado (CaCO3) y Ca en agua de riego 5. Gases de invernadero no-CO2 N2O CH4

38. 36 Es cierto que los sistemas sin labranzas emite más N2O que los sistemas de labranzas convencionales?Grandy et al. (2006) J. Environ. Qual. 35:1487-1495 Los sistemas sin labranzas son percibidos como sistemas que emiten más N2O que los sistemas convencionales En Michigan, Grandy et al. (2006) midió N2O y rendimients en rotaciones de maíz-soja-trigo durante 1989-2002 Conclusiones Labranza cero Aumentó el C del suelo mejoró agregación del suelo Los flujos de N2O en labranza cero fueron mayores en 2 de 10 años, pero en promedio no fueron differentes No hubo differencias en rendimientos Potencial de Calentamiento Global

40. Actualmente, la mayoría de los biocombustibles es etanol derivado de grano de maíz o caña de azúcar

41. En los EEUU, 25-30% de la producción de maíz se usa para la producción de etanol

42. Sin embargo, este tipo de producción de biocombustibles es relativamente ineficiente con respecto a energía y también afecta la calidad del agua y la biodiversidad

44. Los mismos factores serían aplicables a la producción de biocombustibles

46. Entendiendo la sustentabilidad a nivel de predio y regional BiogeochemicalResponses Carbon Cycle – GWPWater Use & Nutrient Loss Plant-Microbe Interactions Rhizosphere Structure & Function BiodiversityResponses Invertebrates & VertebratesEcosystem Services High Input, Low Diversity Continuous Corn Corn-Soybean-Canola Switchgrass Miscanthus Poplars Mixed Grasses + Legumes Low Input, High Diversity Successional Old Fields Modeling Biophysical Modeling with APEXEconomic EvaluationLife Cycle Analysis (LCA) Native Prairie

48. Fuerte demanda por insumos para biocombustibles  aumento del precio de alimentos  amenaza de la securidad alimentaria

49. A largo plazo, un aumento de la demanda y mejores precios pueden contribuir al desarrollo rural y agrícola

50. El impacto de los biocombustibles sobre el balance de los gases de invernadero varía de acuerdo al insumo, ubicación, práctica agrícola, y la tecnología de conversión

52. Agradecimientos US DOE Carbon Sequestration in Terrestrial Ecosystems (CSiTE) US DOE Great Lakes Bioenergy Research Center CASMGS (Consortium for Agricultural Soils Mitigation of Greenhouse GaSes) - USDA & Robertson Foundation US Agency for International Development, Global Climate Change Office