生物圈温室气体管理
在加拿大农业政策的背景下讨论的温室气体减排和适应方法被称为生物圈温室气体管理。生物圈温室气体管理包括三个部分:清除、减少和替换(图14.2)。“去除”指的是通过农业土壤中的碳封存(汇)从大气中去除二氧化碳。“减少”是指减排，“替代”是指替代可再生生物质能化石燃料．“消除和减少”是短期和中期战略，而“替代”代表新的和创新的技术，从长期来看将变得更加重要。在本章的平衡中，我们将生物圈温室气体管理战略外推到未来，目的是探索它们如何导致一个更环保的农业系统和基于生物的能源经济。我们想知道未来的农业实践将如何受到温室气体需求的影响
1基于去除、减少、替代的生物圈温室气体管理概念首先由BIOCAP基金会提出。欲知详情，请浏览以下网址:www.biocap.ca．
减缓和适应气候变化。raybet雷竞技最新我们无法预测未来几十年农业将如何变化，这也不是我们的意图。相反，我们希望对我们在思考未来如何发展时应该提出的问题有一些洞见农业系统可能看起来和功能。
我们有些武断地选择了两个时间段:2020年至2050年和2050年至2080年。就农业这样复杂的系统进行变革所需的时间而言，20年并不长，但探索2020年之后的道路可以让我们从2004年的趋势和起点中获得一些见解。即使2020年至2050年的农业预计将主要反映当前趋势的延续，但到第二阶段，即2050年至2080年，缓解政策和适应气候变化的影响可能会导致作物生产系统发生重大变化。raybet雷竞技最新
虽然我们认识到其他情况也同样可能，但我们对未来的预测是基于以下对2050年气候的假设:raybet雷竞技最新
•温度、蒸发速率和干旱的可能性都增加了。作为回应，草原和森林继续向北迁移，它们在一万年前大陆冰原退缩时就开始了。
温暖干燥的天气不利于积雪的积累落基山脉减少了源于山区的草原河流的融雪和水流。这些河流一直是稳定可靠的水源，如果没有它们，该地区的生物多样性、工业活动和城市人口将面临很大程度的破坏水资源短缺．•草原气候raybet雷竞技最新目前的特征是生长季节水分不足(Conly和Van der Kamp, 2001)，水平衡对气候高度敏感。raybet雷竞技最新到2050年，由于气候变暖或降水减少，或两者兼而有之，蒸发蒸腾速率的小幅持续增加将增加因干旱而导致作物歉收的风险。尽管种植作物并非不可能，但在最干旱的地区，获得盈亏平衡产量的可能性下降了。
短期和中期的变革性变化:2020年至2050年
从现在到2020年的道路将受到许多动态因素的影响，如市场、天气、政策、新技术等，但农民在2020年使用的缓解措施可能包括目前农民正在采用的免耕和直接播种系统。它们是“无怨无悔”的温室气体减排策略，能带来一系列经济和环境效益。
“去除”策略的基础是通过光合作用将二氧化碳从大气中转移到植物生物量中，并从那里转移到植物生物量中碳水库比如土壤。移除发生在生产者采用时农业实践这会导致土壤中以有机物形式保留的植物碳量增加。土壤有机质增加是因为新做法增加了植物生物量产量和添加到土壤中的有机质量，或减少了土壤扰动和添加的植物物质腐烂和被植物消耗的速度土壤微生物．碳将被隔离，直到土壤达到一个新的平衡，在这个平衡中，碳添加的速度与土壤碳衰变的速度相平衡。土壤需要几年或几十年才能逐渐达到有机碳平衡。在这一点上，土地管理或环境的变化导致碳添加减少或碳损失增加，将使平衡失衡，并使土壤再次成为二氧化碳排放的净来源。另一方面，土壤将恢复其作为土壤的功能净碳汇如果它设法增加有机物质的补充相对损失。土壤将扮演净源或净汇的角色，直到它与新的碳输入和碳损失水平再次达到平衡。
草原农业土壤有能力增加其有机碳含量，因为过去的耕作方式导致它们损失了大量的有机碳——在上个世纪的大部分时间里，农田土壤一直是二氧化碳排放的净来源。只是在过去十年中，从“传统”做法，特别是涉及耕作和夏季休耕的做法，到土壤保护做法(如零耕作和减少夏季休耕)的重大转变，才使草原农田成为碳的净“汇”。
在草原农业发展后的最初几年里，土壤科学家和农学家认识到，当时的作物生产方式很容易耗尽草原土壤中丰富的有机物质。建议采用类似连作和少耕系统的系统，但这些系统不能获得利润(Janzen, 2001)。直到20世纪70年代，在农民完善了直接播种技术和低成本、有效的除草剂问世之后，为控制杂草而不进行夏季休耕和耕作的作物生产才开始有利可图——这对于避免早期的有机物损失来说太晚了，但对于减缓温室气体排放来说正是时候。(如果农民早期就掌握了防止土壤碳流失的技术，我们现在可能就不会谈论利用土壤来减缓温室气体排放了。)
“减少”战略是基于减少温室气体排放的实践。在大多数行业，“减少”战略旨在减少化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放。然而，农业是一种生物生产系统，氧化亚氮(N2O)和甲烷(CH4)是主要的温室气体。
来自肥料、粪肥和其他来源的氮(N)添加是农田N2O排放的主要来源。排放通常发生在土壤中氮含量高于作物所需的情况下——要么是因为施氮量或施氮时间与作物需求不匹配。减少N2O排放的策略通常包括更好地管理N循环，以减少系统中的N“泄漏”，无论是将硝酸盐转化为水还是将N2O转化为大气。
大多数农业排放的CH4来自肠内发酵在反刍动物和液体粪便储存。农田甲烷排放主要发生在大量施用液肥的土壤表面。减少排放的做法包括改善反刍动物饲料的质量(减少纤维含量)，在饲料中添加离子载体等改进剂，缩短液体粪便的储存时间，从泻湖回收排放物，以及以土壤可以容纳的速度施用肥料。
土地利用模式:2020年至2050年
加拿大大草原潜在蒸散量从西南向东北下降的强烈趋势(图14.1)是对潜在生产力的主要影响。半干旱的西南大草原(棕壤区)的作物、生产力和生产系统与更潮湿的北部和东部地区(黑土区和棕壤区)有很大的不同灰色的土壤区域)和潜在的碳封存是棕色土壤区比黑色和深灰色土壤区低得多。
半干旱棕壤地带
目前的土地利用范围从牧场和牧草，以支持棕色土壤区最干旱地区的牲畜生产，到轮作谷物生产，包括干旱风险较小的约每四年一次的夏季休耕(PFRA, 2000年)。如果到2050raybet雷竞技最新年气候变暖变干燥(正如我们在这次演习中假设的那样)，干旱的风险增加，适应将有利于牧场和干草生产，而不是谷物和牲畜将成为主要作物。
碳市场或碳抵消交易体系的发展也可以为主要转向多年生作物生产提供激励。从一年生农田到牧场和干草地的转换可以在20年内以0.7 - 0.9 Mg CO2/公顷/年的速度固碳(Smith等人，2001;McConkey等人，1999)。以每毫克二氧化碳10美元的价格计算，每公顷每年将产生约1美元的收入，可能不足以推动变化本身，但足以抵消部分过渡成本。矛盾的是，尽管更高的碳价格会导致更多的土地从农田转向牧场，但从长远来看，更低的价格可能对温室气体减排有更大的影响。问题在于固碳的非永久性——如果不保持固碳做法，与生物碳汇相关的大气中二氧化碳的移除就会被释放。如果采取封存碳的做法只是为了应对大规模的激励或市场支付，那么如果或当激励计划停止或市场结束时，将存在一个重大风险，即封存在土壤中的碳将重新释放到大气中。另一方面，减排是永久性的，因此即使减排措施被放弃，排放量恢复到以前的水平，在此期间没有排放的温室气体数量对大气是安全的。对于碳封存活动而言，碳的市场价值太低，不足以推动向永久覆盖的转变，但足够大，有助于抵消约束性过渡成本，从长远来看，这可能是最有效和最可靠的温室气体减排。
土地管理变化带来的净碳固存的潜力是新的去除速度与可能发生的N2O和CH4排放的任何增加之间的平衡。考虑到非二氧化碳排放的预期变化，估计去除率为0.7至0.9 Mg CO2/公顷/年，但N2O和CH4排放估计仍不确定，将根据以下因素变化:
•畜牧业的规模如何随着干草地和牧场产量的增加而变化;
•饲养管理的改变、饲料质量的改善和饲料添加剂是否可以减少每只动物的肠道发酵排放;
•采用替代粪肥处理和储存方法，如堆肥，更短的存储时间，和
•更好的肥料和粪肥施用技术;与农田相比，牧草地施氮率和反硝化率而且
•化石能源的使用(即耕作，化肥还有除草剂，灌溉呢)。
按照目前的速度，加拿大每年将耕地转换为牧场和干草地，预计到2008年净碳封存潜力约为400万吨，其中约一半将发生在半干旱的大草原(Boehm等，2004年)。同样的分析表明，如果转换率提高100万公顷，并在20%的放牧土地上实施轮牧和补充放牧，2008年加拿大的封存率可达到平均每年500万吨。假设需要20年时间才能达到平衡，那么这种去除速度可能会持续到2020年左右。这些预测是在与长期气候规范相关的作物生产力潜力的基础上作出的，没有考虑到未来可能变化的气候模式。raybet雷竞技最新
半湿润的深褐色和黑土地带
在半…潮湿的地区在北部大平原地区，土地主要用于一年生谷物、油籽和脉冲作物的连续生产(PFRA, 2000)，越来越多地使用免耕和直接播种技术。预计该地区生产的作物类型在未来20至50年内不会发生变化，但预计到2050年，直接播种/免耕/连作将成为常规作物生产制度。
直接播种、免耕系统正被农民所采用，因为它们在目前的生产条件下提供了经济和环境效益，包括碳封存。政府旨在减缓温室气体排放的政策，包括发展国内碳交易市场，为采用这些政策提供了一种增量激励，但预计支付的金额不会大到足以推动变化。从常规耕作转变为免耕作，每年可固碳0.4 ~ 1.3 Mg CÜ2/公顷，持续约20年(Smith等，2001,McConkey等，1999)。每毫克二氧化碳10美元的市场价格将为每公顷/年提供约0.5美元至1美元，这有助于抵消一些过渡成本，但不足以推动变化。正如在将农田转为干草地和牧场时所讨论的那样，如果放弃增加碳汇的做法，被封存的土壤碳会被释放回大气中，因此，通过采取土地管理做法来鼓励土壤碳封存是不可取的，因为如果没有碳支付，这种做法在经济上是不可可行的。从大气中移除的二氧化碳量在短期内可能会减少，但从长期来看，非永久性移除的风险更小。在加拿大的大草原上，免耕和直接播种的做法在过去十年中已被许多农民采用，因为它们具有经济和环境效益，而且不需要直接的激励付款。碳市场可以通过减轻农民的过渡成本来促进这种采用，过去十年农民的过渡成本一直是他们的限制。
碳封存不足以将大气中的温室气体浓度稳定在可能将气候变化降至最低的水平——还需要减排。raybet雷竞技最新减排的认真努力可能会提高能源价格。随之而来的是，从化肥、农药到机械设备，再到将商品运往市场，许多采购投入的价格都居高不下，这已经给粮食生产系统带来了压力。对这种价格信号的一种适应可能是进一步整合粮食和牲畜生产系统。例如，饲养生猪而不是出口粮食，不仅增加了生产系统的价值，减少了运输燃料的使用，而且如果富含氮和碳的粪便被回收到农田中，将减少氮肥的需求，降低N2O和CO2的排放。
如果在开发减排技术方面进行投资，到2020年可能具有成本效益的其他机会包括:
•缓释氮肥和硝化抑制剂以减少N2O
提高氮素利用效率;
•更好的施肥方法，如精密度农业技术使添加的氮与特定作物的需求相匹配，氮施用的时间与作物的氮需求相匹配，并在土壤中施用氮肥以减少挥发和淋失损失;
•更有效地向牲畜喂食蛋白质，以减少粪便中的氮含量;而且
•改善肥料管理，以减少储存时间，根据当地条件匹配肥料用量，并更有效地向作物输送养分。
对加拿大的预测显示，如果零耕作仍占耕地面积的32%，夏季休耕面积减少到约400万公顷，那么到2008年，净固碳量可达到每年800万吨，几乎全部在草原农田(Boehm等，2004年)。如果70%的农田采用免耕，夏季休耕面积减少到150万公顷(这是草原免耕措施的极限)，那么到2008年，农田的碳固存量可达到每年约2000万吨，并保持这一水平约20年。一项针对美国农业的建模工作表明，通过收紧整个氮循环(更好的施用技术、肥料技术和输送)，到2080年，合成氮的施用量可以减少到估计基线的72% (Scott等人，2002年)，对盈利能力、大气和水质都有明显的好处。由于土壤有机质既含氮又含碳(碳氮比约为10:1)，随着碳的封存，氮的有效性逐渐增加。结合更好的管理氮循环增加有机氮的储存可以减少未来化学氮肥的使用。然而，Boehm等人(2004)给出的固相估计假设免耕时氮肥的少量增加，因此可能低估了净固相。
深灰土区——农转林过渡
目前，在草原农田北部的草地-森林过渡地区，土地利用是在最好的土壤上进行谷物、油籽和豆类生产，同时在劣质土壤上或沿森林边缘进行牲畜生产(PFRA, 2000年)。水分不是作物生产的主要限制因素，但与棕色、深棕色或黑色土壤相比，深灰色和灰色土壤的营养状况往往较低，需要大量的营养投入来维持作物生产。从2020年到2050年，随着氮肥和其他投入成本的不断上升，该地区的年度作物生产的利润将逐渐下降，这将促使人们转向更广泛的林业和畜牧业系统，如广泛的牲畜放牧、牲畜和木材(农林复合)生产或林业。
从谷物、油籽和豆类向畜牧业或农林复合系统过渡的程度和速度将取决于对产品的相对需求。结果可能受到碳汇信用市场发展的影响，在这种情况下，森林碳信用的相对价值(从植树造林和再造林与土壤碳信用额(考虑到交易成本和测量、监测和验证成本)相比，哪个系统更有利可图。市场是否会区分森林和土壤的碳信用额度仍有待观察，但森林和农业土壤的碳信用额度之间存在差异。农业土壤中固存的碳虽然难以测量、监测和验证，但可能比森林土壤更能抵御碳的流失。除了洪水这样的灾难性事件，土壤碳的释放需要人为的干扰，比如耕作，即使这样，也需要多年的重复耕作才能释放所有的封存碳。另一方面，树木和森林更容易受到火灾等自然干扰的影响，火灾难以控制，可能在一次事件中导致整个碳汇逆转。
制造木制品的新技术，如定向刨花板(OSB)，正在扩大木材和粮食作物联合农业生产的机会。OSB使用木材纤维而不是木材来制造建筑材料，因此不需要大树。快速生长的杂交杨树品种适合OSB市场，由于它们可以在不到15年的时间内收获，因此适合农场的规划范围。
从农业转向林业，增加碳储量的潜力因土地质量而异，最初是森林的景观可能是最高的。重新造林，即在曾经被森林覆盖的土地上种植树木，可能会增加生态系统的碳储量，因为森林土壤中的有机碳含量往往较低，因此地上部生物量表示碳的相对增加。相反，在高碳含量的土壤上种植树木，比如在草地下种植的那些，如果扰动造成的土壤损失大于地上木本生物量的增加所能弥补的损失，则至少在最初阶段会导致总碳储量的下降。
对环境质素的影响
“去除”和“减少”是旨在收紧碳和氮循环并减少农业生态系统泄漏的战略，这对大气和陆地环境都有利。如果含有溶解营养物、土壤颗粒和农药的水从农田进入地表水和地下水的流动减少，水质风险就会下降。然而，如果农田中保留了更多的水，水体的数量和大小，特别是小泥沼、池塘和短暂的溪流可能会减少(Hayashi et al.， 2003;Kamp et al.， 1999,2003)。虽然农业景观中许多小而短暂的水体和湿地是过去耕地管理的产物，但它们已成为野生动物的栖息地，它们的减少可能会限制一些野生动物物种的数量。
具有讽刺意味的是，对农业系统中碳封存的最严重威胁可能正是农业系统想要阻止的现象——气候变化。raybet雷竞技最新尽管意见仍有分歧，但如果作物产量下降，气候变暖可以通过加速有机物的分解速度和减少添加到土壤中的有机物的量raybet雷竞技最新来释放土壤中封存的碳干旱变得更加频繁(阿蒙森，2001)。
长期变革:2050年至2080年
到2050年，那些打算采用有利可图的“移除”和“减少”策略的农民将会这样做，农田将开始接近碳封存的极限。如果农业要在长期内帮助减少温室气体排放，它必须做的不仅仅是有效地管理碳和氮循环并减少“泄漏”，它还必须帮助打破社会对化石能源的依赖。到2050年，该行业不仅可以生产食物和纤维，还可以生产可再生原料，用于生产二氧化碳排放自由能以“取代”化石燃料(Caldeira et al.， 2003;Hoffert et al.， 2002)。
“替代”战略包括生产一系列化石燃料替代品，如从油籽中提取生物柴油，从谷物或纤维素中提取乙醇，从作物残渣中提取生物油，从液体粪便厌氧消化中获取甲烷，以及从木本作物或草中获取电力。使用热化学工艺从生物质残留物中生产的生物油的热值比石油低，但它可以添加到燃料柴油发动机中(NRCan, 2003)。乙醇是通过发酵谷物或纤维素生产的。在加拿大可以买到含有高达10%乙醇的混合汽油(E10)，而含有高达15%乙醇的混合汽油可能很快就会上市。富含C的废物，如液态猪粪，可以在厌氧消化器中处理，产生甲烷，甲烷可以替代天然气产生电或热消化后剩余的有机质可在堆肥后添加到土壤中(NRCan, 2003)。
尽管生物能源的商业化生产仍需要多年的研究和开发，但它可以改变农业和农业生态系统。生产的多样性在历史上意味着在同一个农场种植不同种类的食物，例如谷物、牛奶、牛肉和蔬菜，但在未来的农场多样性可能意味着针对不同市场种植不同种类的产品(例如猪肉、木材、甲烷和生物油)。挑战将是开发协同高效的系统，共同生产食物、纤维和能源。
从20202050年到2050-2080年，土地利用和土地管理变化的速度和程度将取决于气候变化的程度和速度，经济体开发和采用低二氧化碳排放和生物基能源的速度，以及粮食、纤维和能源大宗商品的相对价格随时间的变化。raybet雷竞技最新如果加拿大制定旨在减少温室气体排放以应对气候变化的国内政策，那么到2050年，向生物能源经济的过渡应该会顺利进行，农场生产的一些生物质可以用于能源生产。raybet雷竞技最新早期的分析表明，用于能源生产的作物需求可能大于粮食市场的需求。例如，加拿大目前每年消耗250亿升柴油，主要用于农用拖拉机和运输卡车等越野设备加拿大每年还生产500万吨油菜籽，其中20亿升100%生物柴油可以产生。加拿大人均菜籽油消费量为30升，略低于我们菜籽油的一半
2 Andre Hucq博士，加拿大萨斯喀彻温省萨斯卡通大学加拿大农业能源数据分析中心主任，提供了本例中使用的信息。
生产。我们的人均柴油消费量约为700升——显然，农业可以满足生物柴油的潜在需求。
但在鼓励广泛生产生物能源作物之前，我们可能需要考虑更广泛的影响。例如:在减去能源投入后，能源作物的净节能是多少?为获取能源而去除碳是如何影响土壤(以及大气)中储存的碳量的?在这个人口迅速增长的世界里粮食需求那么，我们是否有理由使用主要的粮食生产土地来种植石油呢?
土地利用和土地管理模式:2050年至2080年
到2050年至2080年，“替代”技术和气候变化将如何相互作用，改变土地使用和土地管理?raybet雷竞技最新为了探讨这个问题，我们推测到2050年气候已经变暖，但未来的气候变化仍有很大的不确定性。raybet雷竞技最新
在深棕色土壤区，更多的土地将用于饲料和牧草作物。粮食/油籽/豆类生产将转移到北部的黑色和深灰色土壤地带棕壤区将更加干旱，但土地利用仍将主要用于牧场、牧草和广泛的牲畜放牧。在最干旱的地区，到2050年，频繁的干旱将导致水和饲料短缺，甚至大规模的牲畜放牧也将无利可图。为能源生产而建立的大型涡轮机的“风力”农业可能是棕壤地区最适合的土地用途。
2080年的农业状况可能是一个指标，反映出社会在以生物质能取代化石燃料方面的认真态度，以及它在设计将粮食和能源生产结合起来的土地管理系统方面的成功程度。尽管土地利用和土地管理模式将随着时间的推移而逐渐改变，但2080年和2020年农业系统之间最显著的差异可能是商品的营销和使用方式。例如，如果到2080年我们成功地开发出可再生生物质能源系统在美国，草原农场生产的作物生物量将用于喂养人类、动物和能源生产。我们的挑战将是开发生产系统和作物类型这可以满足食品、能源和环境健康的需求，也许可以使用我们不吃的产品，或者使用我们不需要的产品来维持土壤质量以获取能源。像猪粪这样的产品，现在被认为是微生物、硝酸盐、磷酸盐、气味、甲烷和一氧化二氮污染的来源，可以转化为能源和土壤养分的来源，两者都有明显的环境效益。
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