Углеродный след французского сельского хозяйства: что будет к 2050 году?

Франция — ведущая сельскохозяйственная страна, отличающаяся четким разделением регионов по типу специализации. С одной стороны, это товарное растениеводство без содержания скота, при котором большая часть зерна, выращенного интенсивным методом, идет на экспорт. С другой — интенсивное животноводство, сильно зависящее от импортных кормов. акая модель сельского хозяйства ведет к серьезному нарушению круговорота углерода и питательных веществ, а также к значительному загрязнению окружающей среды.

На основе балансовой модели питательных веществ GRAFS недавно были разработаны два контрастных сценария развития сельскохозяйственной системы Франции к 2050 году, оценивавшиеся с точки зрения их способности одновременно обеспечить продовольствием население страны и соответствовать экологическим нормам по загрязнению воды. Первый сценарий (О/С — открытость и специализация) предполагает сохранение текущих тенденций интенсификации, узкой специализации и открытости международным рынкам. Второй сценарий (А/В/Д — автономия, восстановление связей и демитарианская диета) предполагает радикальный переход к органическому земледелию с диверсификацией севооборотов, восстановлением взаимосвязей между растениеводством и животноводством, а также сокращением доли животных белков в рационе человека. В данной работе мы, объединив модели GRAFS и AMG, рассчитали баланс выбросов CO₂ и накопления углерода в почвах для двух этих сценариев в сравнении с текущей ситуацией в агропродовольственной системе Франции. Расчеты показывают, что совокупный баланс выбросов CO₂ по сценарию О/С значительно хуже, чем по сценарию А/В/Д, главным образом за счет выбросов, связанных с производством минеральных удобрений, импортом кормов и высокой механизацией земледелия, требующей большого количества ископаемого топлива. Поскольку содержание органического углерода в почве, как известно, сильно зависит от предшествующей траектории землепользования (то есть является наследием прошлых практик), мы протестировали два темпа внедрения указанных сценариев и оценили время отклика почвенных запасов углерода, которое составляет порядка двух десятилетий и более. Это показывает, что примерно через два-три десятилетия после начала реализации любого из сценариев система достигает равновесия, при котором почва больше ни чисто не поглощает, ни чисто не выделяет углерод.

Инициатива «4‰» (http://www.4p1000.org/), запущенная Францией на COP 21 в 2015 году, подчеркнула тот факт, что секвестрация углерода в сельскохозяйственных почвах может стать частью стратегии по смягчению выбросов парниковых газов. Некоторые авторы даже зашли так далеко, что заявили: «концепция, согласно которой почвы и сельское хозяйство являются решением глобальной проблемы изменения климата, отсутствия продовольственной безопасности и загрязнения окружающей среды, представляет собой крупный сдвиг исторического значения» (Lal, 2016). Данная статья представляет собой попытку оценить это утверждение на примере французского сельского хозяйства как парадигмального случая.

Поведение сельскохозяйственных почв как поглотителя или источника углерода для атмосферы является результатом равновесия между поступлением и минерализацией гумифицированного углерода в почве (Jenkinson and Rayner, 1977; Poulton et al., 2018). Первое зависит от количества и природы поступлений свежего органического вещества (Kong et al., 2005; Autret et al., 2016), а второе — от почвенно-климатического контекста (Kätterer et al., 1998; Stockmann et al., 2013). Эти условия сами по себе определяются сельскохозяйственными практиками, такими как удобрение и механизация сельского хозяйства, структура производства продуктов питания и кормов, а также исторические траектории агропродовольственных систем, которые определяют текущую динамику углерода в почвах (Aguilera et al., 2018; Le Noë et al., 2019).

То, можно ли рассматривать сельскохозяйственный сектор как обладающий потенциалом для смягчения последствий изменения климата за счет накопления углерода в почве, также зависит от выбросов углерода, генерируемых использованием ископаемого топлива для сельскохозяйственного производства. Gingrich et al. (2007) и Erb et al. (2007) действительно подчеркнули, что увеличенная секвестрация углерода в почвах стала возможной в середине XX века благодаря беспрецедентному использованию в сельском хозяйстве энергии, не связанной с солнечной, — феномену, описываемому как «поглотитель углерода, работающий на ископаемом топливе». Однако Garnier et al. (2019) показали, что выбросы CO2 составляют 22% от выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве Франции. Таким образом, будущие задачи смягчения последствий изменения климата и обеспечения продовольственной безопасности требуют учета системных эффектов структуры агропродовольственной системы и наследия, оставленного прошлым. Учет структурных причин выбросов/секвестрации углерода в сельскохозяйственных почвах и их пересмотр перекликаются с последним докладом МГЭИК (IPCC, 2018), в котором утверждается, что «ограничение глобального потепления до 1,5°C потребует быстрых, далеко идущих и беспрецедентных изменений во всех аспектах жизни общества».

Разработка перспективных сценариев для будущего агропродовольственной системы в целом позволяет рассмотреть влияние комбинации факторов на экологический след агропродовольственной системы. В последнее время несколько исследований использовали этот подход контрастного построения сценариев для изучения их последствий для способности прокормить людей при одновременном сохранении экосистем. В глобальном масштабе Billen et al. (2015) и Erb et al. (2016) подчеркнули, что существует широкий спектр возможностей прокормить мир к 2050 году, но только некоторые из них могут сделать это устойчивым для экосистем способом. Другие исследования (Kastner et al., 2012; Lassaletta et al., 2016; Muller et al., 2017; Billen et al., 2018a,b) подчеркнули роль рациона питания человека, сельскохозяйственных практик и специализации агропродовольственных систем как важных факторов их воздействия на окружающую среду на региональном и глобальном уровнях. Насколько нам известно, ни одно из этих исследований не изучало влияние таких сценариев на секвестрацию углерода в почвах совместно с выбросами углерода от сельского хозяйства. Такое исследование позволило бы оценить вопрос смягчения последствий изменения климата за счет секвестрации углерода на сельскохозяйственных землях. Однако, поскольку секвестрация углерода на сельскохозяйственных землях зависит от местных почвенно-климатических условий и поступления углерода в почвы, региональный уровень больше подходит для изучения влияния различных сценариев на секвестрацию углерода, чем национальный или глобальный масштаб. Кроме того, для учета углеродного бюджета сельского хозяйства необходимо также учитывать выбросы углерода, образующиеся при потреблении энергии в сельском хозяйстве.

В этом контексте мы исследуем влияние двух контрастных перспективных сценариев, разработанных Billen et al. (2018a), на бюджет выбросов углерода французских агропродовольственных систем на региональном уровне к 2050 году. Первый сценарий (О/С — открытость и специализация) предполагает продолжение текущих тенденций интенсификации, специализации и открытости международным рынкам. Второй сценарий (А/В/Д — автономия, восстановление связей и демитарианская диета) предполагает радикальный переход к органическому земледелию с диверсификацией севооборотов, восстановлением взаимосвязей между растениеводством и животноводством, а также сокращением доли животных белков в рационе человека. Мы объединили подход GRAFS (Billen et al., 2014; Le Noë et al., 2018) и модель AMG (Saffih-Hdadi and Mary, 2008; Milesi Delaye et al., 2013) для расчета динамики углерода в сельскохозяйственных почвах в двух сценариях, продолжая траекторию, уже описанную Le Noë et al. (2019). Затем мы оценили выбросы углерода, связанные с потреблением энергии в сельском хозяйстве, с учетом прямых (машины и отопление) и косвенных (производство азотных и фосфорных удобрений и импорт кормов) выбросов с использованием коэффициентов, предоставленных Doublet (2011) (см. также Garnier et al., 2019). Баланс между чистой секвестрацией углерода в сельскохозяйственных почвах и выбросами углерода от потребления энергии дает бюджет чистых выбросов углерода сельскохозяйственным сектором для двух сценариев. При этом мы также стремились ответить на два связанных вопроса: (i) как структурные изменения в агропродовольственных системах могут повлиять на потоки углерода и выбросы CO2; (ii) какие пути могли бы позволить нам начать переход в агропродовольственных системах к большей устойчивости с точки зрения бюджета выбросов углерода?

Два контрастных сценария для агропродовольственной системы к 2050 году

Те же допущения, что и описанные Billen et al. (2018a), используются для количественной оценки влияния двух контрастных сценариев на бюджет чистых выбросов углерода в 33 сельскохозяйственных регионах Франции, определенных Le Noë et al. (2016). Кратко резюмируя, сценарий О/С предполагает продолжение специализации с разрывом связей между животноводством и растениеводством, современный рацион питания человека с долей животных белков, достигающей 60% от потребляемого белка, и сильную зависимость от минеральных удобрений и импорта кормов. Напротив, сценарий А/В/Д характеризуется восстановлением связей между растениеводством и животноводством, обобщением практик органического земледелия и автономией в отношении животноводства без импорта кормов для удовлетворения потребностей в питании животных в каждом регионе. Оба сценария способны прокормить население Франции; сценарий О/С экспортирует большие объемы зерновых и других растительных, а также животных продуктов, но зависит от крупного импорта белковых кормов, в то время как сценарий А/В/Д является самодостаточным в отношении продуктов животноводства и кормов, но все еще может экспортировать зерновые на международный рынок в объеме более 40% от текущего уровня экспорта зерновых.

Эти перспективные сценарии для региональных агропродовольственных систем Франции могут быть представлены в терминах потоков углерода с помощью модели учета питательных веществ GRAFS (Billen et al., 2014; Le Noë et al., 2018, 2019) (Рисунок 1). Из этого рисунка должно быть ясно, что только та часть чистой первичной продукции (NPP) (надземной и подземной), которая не экспортируется и не потребляется животными и человеком, поступает в почву в виде либо растительных остатков, либо навоза; из них только та доля, которая не минерализуется, может считаться секвестрированной в почве, составляя в конечном итоге очень малую долю NPP.

Рисунок 1 – Представление GRAFS потоков углерода во французской агропродовольственной системе для текущей (референтной) ситуации в 2004–2014 гг. (A) и для сценариев А/В/Д (B) и О/С (C) к 2050 году. Соответствующее географическое распределение плотности поголовья скота (LU га−1) также показано.

Сценарий О/С использует прогнозы Национального института статистики и экономических исследований (INSEE; www.insee.fr) для оценки роста населения и его географического распределения, которое концентрируется в крупных мегаполисах, в то время как сценарий А/В/Д предполагает более однородное распределение нового населения в пользу малых и средних городов. В первом сценарии увеличение численности населения приводит к увеличению городской площади, которую, как мы предположили, вычитают из пахотных земель, в то время как во втором предполагается, что города уплотняются вместо расширения своей пространственной протяженности, а общая площадь сельскохозяйственных угодий остается постоянной на текущем уровне (см. Billen et al., 2018a).

Что касается системы земледелия, сценарий О/С предполагает усиление текущей специализации сельскохозяйственных регионов (Le Noë et al., 2017) без изменений в севооборотах и методах ведения хозяйства, хотя норма внесения химических удобрений корректируется до достижения баланса азота в пахотных почвах в размере 50 кг N га−1 год−1 в соответствии со строгими экологическими нормами. Соответствующая урожайность рассчитывается с использованием зависимости, установленной Anglade et al. (2015), между урожайностью (Y, кг N га−1 год−1) и общим поступлением азота в сельскохозяйственные почвы (F, кг N га−1 год−1), включая биологическую фиксацию азота, минеральные удобрения, семена, атмосферные выпадения и рециклинг навоза. Это выражается следующей гиперболической функцией со значением параметра Ymax, зависящим от почвенно-климатического контекста каждого региона:

(Billen et al., 2018a). Основные изменения заключаются в увеличении доли кормовых бобовых культур и сокращении производства зерновых. Урожайность рассчитывается согласно зависимости (1) с учетом фиксации азота бобовыми, внесения навоза и атмосферных выпадений как единственных источников азота. Кроме того, в сценарии А/В/Д для практик органического земледелия предполагается систематическое использование покровных культур, что дает дополнительное поступление свежих остатков в почву около 0,11 т C га−1 год−1 (Constantin et al., 2010; Justes et al., 2012), при оценке, что 70% пахотных земель будут засеяны покровными культурами.

Аналогичным образом, продуктивность систем постоянных лугов рассчитывается исходя из общего поступления азота и текущего значения Ymax для лугов с учетом текущей скорости симбиотической фиксации атмосферного азота. Продукция пахотных земель и лугов впоследствии пересчитывается в терминах углерода с использованием коэффициентов, собранных Le Noë et al. (2018, 2019). Чистая первичная продукция (NPP) может быть получена из рассчитанной урожайности с применением подхода, описанного Bolinder et al. (2007). Этот подход учитывает распределение углерода между собранным продуктом, надземными остатками и корневыми остатками, причем последние два рассчитываются как доля углерода в собранном продукте. Доля углеродных остатков, которая не экспортируется, представляет собой поступление углерода на пахотные земли и луга.

Значения Ymax для сельскохозяйственных культур и лугов в каждом регионе считаются постоянными на протяжении всего периода моделирования, что позволяет не учитывать возможные последствия изменения климата для сельскохозяйственного производства.

Что касается животноводства в сценарии О/С, его плотность увеличивается до 2 LU га UAA−1 (животных единиц на гектар используемой сельскохозяйственной площади) во всех регионах, кроме Центрального Парижского бассейна, Нор-Па-де-Кале, Эльзаса, Жиронды, Ландов и регионов крайнего юго-востока, которые уже были специализированы на интенсивном растениеводстве в период 2004–2014 гг. и которые, как предполагается, полностью лишатся животноводства и лугов к 2040–2050 гг. Если местного производства пахотных земель и лугов недостаточно для кормления крупного рогатого скота, неудовлетворенная потребность покрывается импортом кормов из-за рубежа. И наоборот, в сценарии А/В/Д предполагается, что все регионы переходят к интегрированному способу производства растениеводства и животноводства. С этой целью плотность поголовья скота корректируется с учетом доступного производства трав и кормов в каждом регионе, что подразумевает полную региональную самодостаточность в области животноводства. Площади лугов корректируются для удовлетворения по крайней мере одной трети потребностей животноводства.

Все эти гипотезы в отношении обоих сценариев содержат ряд ограничений, которые компилируются и применяются ко всем регионам с помощью простой макрокоманды Microsoft Excel VBA (Billen et al., 2018a). Выходные переменные включают продукцию животноводства, растениеводства и лугов, поступление углерода на пахотные земли и луга через навоз и растительные остатки, площади пахотных земель и лугов, а также импорт кормов.

Секвестрация углерода в почвах

Чистые выбросы углерода с пахотных земель и лугов рассчитываются путем объединения подхода GRAFS с моделью AMG (Saffih-Hdadi and Mary, 2008). Этот метод был подробно описан Le Noë et al. (2019). Кратко резюмируя, модель AMG рассматривает три пула углерода: поступление свежего органического углерода, а также лабильный органический углерод почвы и инертный органический углерод почвы. Поступление гумифицированного углерода в почву оценивается на основе данных GRAFS с учетом трех основных типов поступлений: навоз, надземные остатки и подземные остатки. Баланс между годовым поступлением гумифицированного углерода и его выбытием через минерализацию лабильного SOC определяет изменение общего пула SOC на пахотных землях при отсутствии изменений в землепользовании. Хотя подход AMG изначально был разработан для пахотных земель, в этом исследовании мы также применили его к лугам.

Из-за медленной скорости изменения запасов органического углерода в почве (SOC) и связанной с этим длительной инерции необходимо знать его прошлую динамику для моделирования тенденций перспективных сценариев. Поэтому мы использовали оценку траекторий SOC в сельскохозяйственных почвах французских регионов с 1852 по 2014 год, уже рассчитанную Le Noë et al. (2019), для инициализации расчета будущих сценариев. Источники данных для оценки поступления углерода на пахотные земли и луга включают данные о собранной продукции и поголовье скота, сообщаемые Agreste (2017) за период 1970–2014 гг., а также неоцифрованные официальные регистры (доступны на Gallica.bnf.fr) с 1852 по 1965 год, коэффициенты экскреции животных для текущего и прошлых периодов (Le Noë et al., 2018) для 39 рассматриваемых категорий скота, коэффициенты гумификации свежих поступлений углерода (Justes et al., 2009; Clivot et al., 2017) и распределение внесения навоза между пахотными землями и лугами, которое было задокументировано или оценено Le Noë et al. (2018). Скорость минерализации лабильного органического углерода почвы является функцией нескольких почвенно-климатических параметров: содержания глины, pH почвы, содержания карбонатов в почве, температуры воздуха, влажности и соотношения C:N в почве (Clivot et al., 2017). Эти данные были собраны для французских регионов Le Noë et al. (2019), как и данные об изменениях температуры. Источники данных включают Ballabio et al. (2016) для содержания глины в верхнем 30-сантиметровом слое пахотных и луговых почв, Moisselin et al. (2002) и Raimonet et al. (2017) для температуры воздуха, банк данных HYDRO для влажности и Сеть измерений и качества почвы, предоставленная Национальным институтом агрономии Франции (RMQS, INRA), для соотношения C:N, pH и содержания карбонатов в верхнем 30-сантиметровом слое пахотных и луговых почв.

Объединение описания GRAFS двух сценариев с моделью AMG позволяет рассчитать динамику SOC на пахотных землях и лугах, предполагая постепенное внедрение сценариев, начиная с 2014 года и достигая конечного состояния к 2050 году, следуя линейной траектории. Продление на 10 лет сценариев, изначально разработанных Billen et al. (2018a) до 2040 года, позволяет лучше оценить динамику углерода в почве как среднее за 10-летний период с 2040 по 2050 год. Также предполагается среднее повышение температуры на 1,5°C к 2050 году в продолжение тенденции повышения, наблюдавшейся в последние десятилетия. Другие почвенно-климатические параметры оставались постоянными на протяжении моделируемого периода. Расчет дает изменения содержания углерода в верхнем 30-сантиметровом слое почвы пахотных земель и лугов (тонн C га−1). Чистые выбросы углерода из сельскохозяйственных почв каждого региона за последнее десятилетие сценария (тонн C га−1 год−1) оцениваются на основе этих результатов как средняя скорость изменения запасов углерода на лугах и пахотных землях за 10 лет с учетом изменений площади поверхности следующим образом:

UAA — среднегодовые чистые выбросы углерода из сельскохозяйственной почвы за период 2040–2050 гг. в регионе i (тонн C-CO2 га UAA−1 год−1);

Stock C CL/GLyri — моделируемый запас SOC на пахотных землях или лугах в любом году (yr выражен в тоннах C yr−1), полученный как произведение содержания SOC (тонн C га−1) на соответствующую площадь пахотных земель или лугов региона (га);

Ha UAA2050i — площадь используемых сельскохозяйственных угодий в 2050 году (га UAA). Эта процедура расчета учитывает изменения запасов SOC, вызванные как изменением содержания SOC, которое зависит от динамики углерода в почве, так и изменениями площадей пахотных земель и лугов в результате гипотез для каждого сценария.

Чистые выбросы углерода из сельскохозяйственных почв были рассчитаны для обоих сценариев (средние за десятилетие 2040–2050 гг.) и для референтной ситуации (средние за период 2004–2014 гг.). Положительный чистый выброс указывает на то, что сельскохозяйственные почвы являются источником углерода либо из-за высвобождения углерода почвами, либо из-за сокращения площади сельскохозяйственных угодий, ведущего к уменьшению общего запаса углерода в почве. Отрицательный чистый выброс указывает на то, что сельскохозяйственные почвы являются поглотителем углерода либо из-за накопления углерода в почвах, либо из-за увеличения площади сельскохозяйственных угодий, ведущего к увеличению общего запаса углерода в сельскохозяйственной почве.

Подробности расчетов приведены в xls-файлах, приложенных к данной статье в качестве дополнительных материалов SM1–SM3.

Выбросы углерода, связанные с потреблением энергии в сельскохозяйственном секторе

Выбросы C-CO2, связанные с потреблением энергии в сельском хозяйстве, включают механизированные и моторизованные работы, отопление зданий, производство минеральных удобрений, производство и транспортировку импортируемых кормов. Мы рассчитали эти выбросы на основе данных, предоставленных Doublet (2011) для сельскохозяйственного сектора Франции в 2006 году, которые обобщены в Таблице 1.

Таблица 1 – Основные выбросы CO2, связанные с потреблением энергии в сельском хозяйстве.

Коэффициенты выбросов рассчитаны на основе данных, предоставленных Doublet (2011) для Франции в 2006 году (общая Таблица 3, Garnier et al., 2019).

Мы использовали эти цифры для оценки выбросов C-CO2, связанных с потреблением энергии в сельском хозяйстве, в обоих перспективных сценариях и для текущей ситуации, предполагая, что в обоих сценариях не произойдет значительной технической эволюции, так что коэффициенты останутся действительными, а выбросы C-CO2 зависят только от использования минеральных удобрений, импорта кормов и возделываемых и используемых под выпас площадей. Отметим также, что выбросы, связанные с пестицидами, орошением, калийными удобрениями и известкованием, здесь не учитывались, поскольку в 2006 году они составляли <10% от выбросов в сельском хозяйстве.

Бюджет чистых выбросов углерода в сельском хозяйстве

Бюджет чистых выбросов углерода каждого региона Франции рассчитывался как сумма чистых выбросов из сельскохозяйственных почв и чистых выбросов, связанных с потреблением энергии в сельском хозяйстве. Положительный бюджет указывает на то, что сельскохозяйственный сектор является чистым источником выбросов C-CO2, в то время как отрицательный бюджет указывает на то, что он является чистым поглотителем атмосферного C-CO2 за счет секвестрации в почве.

Анализ чувствительности

Поскольку содержание органического углерода в почве, как известно, сильно зависит от предшествующей траектории (в том смысле, что оно следует за наследием прошлых методов землепользования), мы проверили влияние различных темпов и сроков внедрения двух сценариев и оценили время отклика почвенных запасов углерода. С этой целью были рассчитаны два альтернативных пути к тем же конечным сценариям: (i) сценарии следуют раннему и быстрому линейному внедрению в течение 10 лет с 2014 года, и системы затем остаются в той же конфигурации с 2024 по 2050 год; (ii) текущая ситуация остается неизменной до 2040 года, а затем сценарии быстро внедряются по линейной траектории с 2040 по 2050 год.

На национальном уровне

Как перспективные сценарии, так и референтный уровень за период 2004–2014 гг. показывают положительный бюджет чистых выбросов углерода в сельском хозяйстве на национальном уровне. Однако степень, в которой сельскохозяйственный сектор является источником чистых выбросов углерода в атмосферу, сильно различается между тремя ситуациями. Углеродный бюджет является самым высоким в текущей референтной системе, с чистыми выбросами в размере 7,4 Мт C год−1, но очень близок к бюджету выбросов углерода по сценарию О/С (6,6 Мт C год−1). Напротив, сценарий А/В/Д позволил бы сельскому хозяйству сократить свои чистые выбросы до 2,7 Мт C год−1, что более чем в 2,5 раза ниже. Эти значения являются результатом баланса между чистыми выбросами из сельскохозяйственных почв и от потребления энергии в сельском хозяйстве.

В текущей референтной системе чистые выбросы углерода из сельскохозяйственных почв являются результатом как долгосрочной прошлой динамики SOC на пахотных землях и лугах, так и недавних изменений площадей сельскохозяйственных угодий. Хотя концентрации углерода в сельскохозяйственных почвах имеют тенденцию к увеличению из-за медленного роста поступлений гумифицированного углерода, сокращение сельскохозяйственных площадей, в частности лугов, привело к тому, что сельскохозяйственные почвы стали чистыми источниками углерода в период 2004–2014 гг. (Рисунок 2; Таблица 2). Эти потери углерода из сельскохозяйственных почв добавляются к выбросам углерода от потребления энергии в сельском хозяйстве, которые достигли 6 Мт C год−1 за период 2004–2014 гг. Механизированные работы для животноводства, растениеводства и луговодства составляют 56% этих выбросов, в то время как производство минеральных удобрений и импорт кормов составляют 37 и 8% соответственно.

Рисунок 2 – (A,B) Прошлая и будущая траектория землепользования, поступления гумифицированного углерода на пахотные земли и луга, а также результирующая эволюция общего SOC в сельскохозяйственных (пахотных и луговых) почвах в масштабе Франции для сценариев OS и ARD. Пунктирные и штриховые линии соответственно представляют эффекты быстрого раннего или позднего внедрения сценария вокруг центральной гипотезы постепенного линейного изменения с 2014 по 2050 год.

Таблица 2 – Основные переменные, участвующие в чистых выбросах углерода французского сельскохозяйственного сектора (национальный уровень) для текущей референтной ситуации (2004–2014 гг.) и двух контрастных сценариев.

Положительные значения указывают на то, что почвы ведут себя как источник углерода (выброс), а отрицательные значения указывают на то, что почвы ведут себя как поглотитель углерода (секвестрация).

В сценарии А/В/Д (Рисунок 2) площади сельскохозяйственных угодий остаются стабильными, а поступления гумифицированного углерода на пахотные земли немного увеличиваются благодаря внедрению покровных культур. Однако поступления на луга немного снижаются из-за меньшей плотности поголовья скота. В целом эти изменения приводят к небольшому увеличению запасов органического углерода в почве, которое, однако, компенсируется с 2040 года повышенными скоростями минерализации углерода, вызванными повышением температуры (Рисунок 2). В конце периода чистым эффектом является небольшое снижение содержания углерода в почве со средней скоростью выброса за период 2040–2050 гг., достигающей 0,01 и 0,02 т C га−1 год−1 с пахотных земель и лугов соответственно. Однако, поскольку площади лугов увеличиваются за счет деспециализации интенсивных систем растениеводства и деинтенсификации интенсивных систем животноводства, сельскохозяйственные почвы в целом достигают почти сбалансированного бюджета чистых выбросов в размере -0,03 Мт C год−1 (Рисунок 2; Таблица 2). Однако при отсутствии минеральных азотных удобрений и импорта кормов выбросы углерода, вызванные прямым и косвенным потреблением энергии для сельского хозяйства, были бы гораздо ниже, достигая только 2,7 Мт C год−1. Около 76% этих выбросов углерода были бы вызваны механизацией и другим оборудованием, а на фосфорные минеральные удобрения пришлось бы еще 24% выбросов.

Напротив, в сценарии О/С, несмотря на потери площадей лугов, увеличенное поступление гумифицированного углерода через навоз и растительные остатки привело бы к среднему накоплению запасов углерода в сельскохозяйственных почвах на уровне до 2,4 Мт C год−1 (т.е. отрицательные чистые выбросы -2,4 Мт C год−1) за период с 2040 по 2050 год (Рисунок 2; Таблица 2). Наиболее значительные потери углерода из почвы возникали бы при преобразовании лугов в пахотные земли (средние потери 3,4 Мт C год−1). В то время как запасы углерода на гектар лугов все еще накапливались бы со скоростью 3% год−1 (0,15 т C га−1 год−1), сокращение площади лугов ответственно за чистую потерю запасов углерода (Таблица 2). Это является результатом гипотезы специализации, в которой как интенсивные системы растениеводства, так и животноводства требуют отсутствия или очень малой площади лугов. Однако в этом сценарии увеличенные запасы углерода в пахотных почвах, являющиеся результатом улучшенного поступления навоза и остатков, стали бы возможны благодаря существенному использованию минеральных азотных удобрений (в регионах, где преобладает растениеводство) и импортируемых кормов (в регионах животноводства). В результате выбросы углерода от потребления ископаемого топлива для сельского хозяйства достигли бы 9 Мт C год−1. Около 25% этих выбросов углерода были бы вызваны производством и транспортировкой импортируемых кормов, на минеральные удобрения пришлось бы еще 26%, в то время как механизация и другое оборудование составили бы 49% выбросов.

На региональном уровне

Анализ результатов только на национальном уровне скрывает значительные диспропорции на региональном уровне, сильно связанные с текущей специализацией сельскохозяйственных регионов либо на интенсивном животноводстве (например, Бретань), либо на товарном растениеводстве без содержания скота (например, Эр), либо на смешанном растениеводстве и животноводстве (например, Луара Амон), как описано Le Noë et al. (2018). Применение гипотез сценариев приводит к различной динамике с точки зрения изменения землепользования и поступления гумифицированного углерода в почвы, как показано на Рисунке 3. Рисунки 4, 5 показывают сильно различающиеся структуры на региональном уровне в изменениях площадей постоянных лугов и пахотных земель, а также в бюджетах чистых выбросов углерода.

Рисунок 3 – (A–C) Прошлая и будущая траектория землепользования, поступления гумифицированного углерода на пахотные земли и луга, а также результирующая эволюция общего SOC в сельскохозяйственных (пахотных и луговых) почвах в масштабе трех примеров сельскохозяйственных регионов Франции для сценариев OS и ARD. Пунктирные и штриховые линии соответственно представляют эффекты быстрого раннего или позднего внедрения сценариев вокруг центральной гипотезы постепенного линейного изменения с 2014 по 2050 год.

Рисунок 4 – Относительное изменение общей полезной сельскохозяйственной площади (A–C) и площади постоянных лугов (D–F) (% от общей полезной сельскохозяйственной площади в год) в референтном случае (A,D), сценарии А/В/Д (B,E) и сценарии О/С (C,F).

Рисунок 5 – Чистые выбросы углерода от потребления энергии в сельском хозяйстве для референтной ситуации (2014–2014) (A), сценариев А/В/Д (B) и О/С (C); чистые выбросы углерода из сельскохозяйственных почв для референтной ситуации (2014–2014) (D), А/В/Д (E) и О/С (F); бюджет чистых выбросов углерода сельскохозяйственного сектора (2014–2014) (G), А/В/Д (H) и О/С (I). Все цифры выражены в кг C-CO2 га UAA−1. Обратите внимание, что чистые выбросы углерода из сельскохозяйственных почв относятся к балансу углерода из сельскохозяйственных почв, причем положительные значения указывают на то, что почвы ведут себя как источник углерода (выброс), а отрицательные значения указывают на то, что почвы ведут себя как поглотитель углерода (секвестрация). Названия регионов: A — Альпы; Al — Эльзас; AL — Аверон-Лозер; AR — Эн-Рона; B — Бургундия; Br — Бретань; C-A-Y — Шампань-Арденны-Йонна; CC — Канталь-Коррез; CdA — Лазурный Берег; CO — Кальвадос-Орн; DL — Дордонь-Ло; E — Эр; EandL — Эр-и-Луар; Gar — Гаронна; Gd J — Гранд-Юра; Gd M — Гранд-Марсель; Gde L — Гранд-Лотарингия; G-H — Гар-Эро; Gir — Жиронда; I-D-A — Изер-Дром-Ардеш; IdF — Иль-де-Франс; L Am — Луара Амон; L Av — Луара Аваль; Lan — Ланды; LC — Луара Центральная; M — Манш; N-PdC — Нор-Па-де-Кале; Pic — Пикардия; Pocc — Западные Пиренеи; POr — Восточные Пиренеи; S — Савойя; VC — Вандея-Шаранта.

В референтной ситуации регионом с самыми высокими чистыми выбросами углерода является Бретань, за которой следуют Кальвадос-Орн, Изер-Дром-Ардеш, Ланды и Приморская Сена (Рисунок 4). Эти регионы характеризуются выбросами углерода от потребления энергии выше 200 кг C-CO2 га UAA−1 (кроме Изер-Дром-Ардеш) и положительными чистыми выбросами углерода из сельскохозяйственных почв выше 200 кг C-CO2 га UAA−1 (кроме Приморской Сены, см. Рисунок 4). Эти высокие выбросы углерода от потребления энергии в сельском хозяйстве обусловлены интенсивным животноводством (в случае Бретани животноводство вносит более 50% чистых выбросов углерода от потребления энергии) или высокими затратами минеральных удобрений (в случае Ландов затраты минеральных удобрений составляют более 50% чистых выбросов). Чистые выбросы углерода из сельскохозяйственных почв в основном обусловлены сокращением сельскохозяйственных площадей (Рисунок 5), но также возникают из-за минерализации SOC, которая не компенсируется свежими поступлениями углерода (как в Бретани и Кальвадос-Орн). Действительно, в предыдущем исследовании мы показали, что снижение содержания SOC в основном было вызвано уменьшением поступлений свежего углерода и NPP, особенно от кормовых культур и временных лугов (Le Noë et al., 2019). Напротив, регионы с самыми низкими бюджетами чистых выбросов углерода — это Луара Амон, Эн-Рона, Аверон-Лозер, Эр и Савойя. В этих регионах выбросы углерода от потребления энергии варьируются от 100 до 300 кг C-CO2 га UAA−1 (Рисунок 4), в то время как сельскохозяйственные почвы всегда ведут себя как поглотитель углерода, т.е. имеют отрицательные чистые выбросы по крайней мере -100 кг C-CO2 га UAA−1 (Рисунки 3, 4). Увеличение запасов SOC в сельскохозяйственных почвах в этих регионах является результатом накопления углерода на пахотных землях и постоянных лугах со скоростями от 0,24 до 4,4% год−1 и от 0,14 до 0,74% год−1 соответственно.

В сценарии А/В/Д большинство регионов имеют бюджет чистых выбросов углерода от 0 до 200 кг C-CO2 га UAA−1 (Рисунок 3B). Эти значения могут быть объяснены относительно низкими выбросами углерода от потребления энергии почти во всех регионах (от 100 до 200 кг C-CO2 га UAA−1; см. Рисунок 5B), которые значительно снижены по сравнению с референтной ситуацией (Рисунок 5A). Как упоминалось в разделе «На национальном уровне», такое снижение потребления энергии может быть достигнуто в этом сценарии благодаря отсутствию использования минеральных азотных удобрений для растениеводства и самодостаточности в области животноводства, что позволяет снизить импорт кормов и связанные с ним выбросы углерода. В нескольких регионах, где расширение площадей лугов ведет к увеличению запасов SOC (Кальвадос-Орн, Эр), совокупный эффект как низкого потребления энергии в сельском хозяйстве, так и отрицательных чистых выбросов углерода из сельскохозяйственных почв приводит к общему отрицательному бюджету чистых выбросов (Рисунок 2), что указывает на то, что сельское хозяйство в целом способствует смягчению выбросов CO2 за счет секвестрации углерода в почве в этих немногих регионах.

В сценарии О/С Бретань по-прежнему является регионом с самыми высокими чистыми выбросами углерода с чистыми выбросами, достигающими 470 кг C-CO2 га UAA−1 (Рисунок 5I). Этот высокий углеродный бюджет является результатом совпадения высоких выбросов углерода от потребления энергии (Рисунок 5C) и чистых выбросов углерода из сельскохозяйственных почв (Рисунок 5F), причем последние выбросы являются следствием как минерализации SOC на пахотных землях, так и сокращения площади лугов. Эти изменения являются результатом усиления специализации интенсивного животноводства в Бретани и последующего увеличения кормов для животных и уменьшения площади лугов. Несколько других регионов имеют бюджет чистых выбросов углерода выше 300 кг C-CO2 га UAA−1 год−1. Поскольку сельскохозяйственные почвы этих регионов часто ведут себя как поглотитель углерода, их относительно высокий бюджет чистых выбросов углерода должен быть отнесен к увеличенным выбросам углерода от потребления энергии, которые возникают из-за увеличенного использования минеральных удобрений и/или увеличенной плотности поголовья скота и импорта кормов. Регионами с наименьшими выбросами являются те, которые характеризуются отрицательными чистыми выбросами углерода из сельскохозяйственных почв (например, Луара Амон, Канталь-Коррез, Гаронна и др.; см. Рисунок 5F). В этих регионах увеличенные запасы SOC в сельскохозяйственных почвах могут быть отнесены к накоплению углерода на пахотных землях и постоянных лугах из-за роста поступлений углерода в почвы, возникающего в результате увеличения NPP и/или дополнительного поступления навоза.

Чувствительность к развитию сценария во времени

Был проведен анализ чувствительности для оценки того, в какой степени дизайн и гипотезы моделируемых сценариев в отношении сроков и скорости перехода от текущей ситуации к тому или иному сценарию, проверяемому к 2050 году, влияют на вышеуказанные результаты (Рисунки 2, 3).

На национальном уровне наш анализ показывает, что раннее и быстрое изменение, начинающееся в 2014 году и завершающееся в 2024 году, привело бы к более высоким запасам SOC в 2050 году в сельскохозяйственных почвах по сценарию О/С по сравнению с уровнем запасов SOC, рассчитанным при референтном допущении более медленной линейной эволюции с 2014 по 2050 год (Рисунок 4). Однако скорость секвестрации углерода в период 2040–2050 гг. была бы ниже, поскольку запас SOC был бы ближе к равновесию со скоростью поступления гумифицированного углерода. Противоположное верно для отсроченного внедрения сценария.

Что касается сценария А/В/Д, несмотря на глубокие изменения в агропродовольственной системе, скорость поступления гумифицированного углерода остается относительно стабильной на национальном уровне, так что эффект различного времени перехода менее заметен, и запас SOC, достигнутый в 2050 году, довольно схож независимо от структуры внедрения (Рисунок 2). Однако на региональном уровне значительные различия могут возникать в результате различного времени внедрения сценария, как, например, в регионе Эр (Рисунок 3).

В целом, этот тест подчеркивает временный характер секвестрации углерода в сельскохозяйственных почвах: раннее быстрое 10-летнее изменение приводит к тому, что запас SOC достигает равновесия со скоростью поступления гумифицированного углерода к 2050 году. Это равновесие означает, что ни секвестрация, ни чистые выбросы CO2 из почв не продолжаются. Секвестрация углерода в сельскохозяйственной почве, следовательно, является лишь временной характеристикой данного сценария.

Ограничения подхода

Сценарий никоим образом не является прогнозом будущего, а просто представлением того, каким оно могло бы быть при определенных ограничениях. Даже в этом случае представление такой проекции возможного будущего в понятном виде требует упрощения изучаемой системы и рассмотрения только определенных параметров для моделирования, оставляя в стороне другие аспекты системы, что ограничивает модель.

В настоящем исследовании необходимо подчеркнуть, что основным ограничением нашей гипотезы является невключение леса в качестве части углеродного бюджета. Потери или прирост углерода в почвах пахотных земель и лугов представляют здесь совокупный эффект изменений содержания SOC в почвах и изменений площадей сельскохозяйственных угодий. Когда сокращение сельскохозяйственных площадей является результатом расширения урбанизированных территорий, это действительно представляет собой эффективную потерю углерода из сельскохозяйственной системы. Однако если изменение землепользования в сельском хозяйстве связано с изменением площади лесов, то оцененное изменение запасов SOC сельскохозяйственных почв может не соответствовать чистым выбросам C-CO2 в атмосферу. Целенаправленно в проверяемых здесь сценариях не учитывались ни расширение пахотных земель или лугов за счет площади лесов, ни расширение лесов за счет сельскохозяйственных угодий, поэтому площадь лесов остается строго постоянной в обоих сценариях. Более глубокое перспективное исследование не только агропродовольственной системы, но и всей системы землепользования могло бы сформулировать представление о том, как все виды землепользования связаны друг с другом в данном социально-экологическом сценарии.

Другим ограничением этого исследования является то, что оно ограничено бюджетом выбросов углерода и не учитывает выбросы парниковых газов, не связанные с CO2, в сельском хозяйстве, а именно метан и закись азота, которые также вносят вклад в глобальное потепление. Этот аспект рассматривается в другой статье (Garnier et al., 2019).

Несколько других аспектов не были приняты во внимание, как, например, возможное влияние эрозии почв на углеродный бюджет почв. Кроме того, из-за отсутствия надежных моделей для прогнозирования изменения климата в ближайшие 50 лет в масштабе французских регионов, определенных здесь, мы рассмотрели только постепенное повышение температуры на 1,5°C с 2014 по 2050 год по отношению к текущим сезонным температурным колебаниям в каждом регионе, оцененное на основе простой линейной экстраполяции тенденции, наблюдавшейся за последние 20 лет (Le Noë et al., 2019).

Влияние двух контрастных будущих агропродовольственных систем на выбросы CO2

Несмотря на вышеуказанные ограничения, наш анализ бюджета выбросов углерода показывает, что текущий французский сельскохозяйственный сектор никоим образом не является чистым поглотителем углерода, поскольку секвестрация углерода в сельскохозяйственных почвах далека от компенсации выбросов CO2, связанных со сжиганием ископаемого топлива для механизации, производства удобрений и импорта кормов. Зависимость современного сельского хозяйства от ископаемого топлива и промышленного удобрения, а также его открытость отдаленным рынкам являются структурными причинами этого в значительной степени эмиссионного баланса CO2.

Сценарий О/С, изображающий будущее, в котором эти тенденции открытости и специализации были бы продолжены и усилены даже при соблюдении текущих экологических норм в отношении удобрения, временно увеличил бы секвестрацию углерода в сельскохозяйственных почвах благодаря более высокой NPP, а следовательно, и увеличенному поступлению углерода в почву. Однако это не приводит к очень значительному снижению чистого эмиссионного бюджета CO2 сельского хозяйства (Таблица 2).

Сценарий А/В/Д, с другой стороны, представляет собой совершенно иное видение будущего, основанное на расширении некоторых низкоуровневых тенденций, уже возникающих сегодня, в сторону более локальной связи между потреблением и производством продуктов питания, а также между растениеводством и животноводством, а также более умеренного пищевого режима (Billen et al., 2018b). Этот сценарий подразумевает полную перестройку текущей структуры агропродовольственной системы, включая обобщение агроэкологических практик. Этот сценарий позволяет значительно сократить бюджет чистых выбросов CO2 сельскохозяйственного сектора не за счет увеличения секвестрации углерода в сельскохозяйственных почвах, а за счет значительного сокращения потребления ископаемого топлива. Этот сценарий А/В/Д подразумевает деинтенсификацию производства сельскохозяйственных культур и, следовательно, секвестировал бы меньше углерода, чем сценарий О/С.

Таким образом, мы можем заключить, что глубокая перестройка структуры агропродовольственной системы в сторону большей автономии и локальной связи и меньшей зависимости от ископаемого топлива позволила бы сократить выбросы CO2 сельскохозяйственным сектором. Наши результаты также показывают, что роль секвестрации углерода в сельскохозяйственных почвах, хотя и весьма желательна с точки зрения улучшения их агрономических свойств, имеет довольно ограниченное значение для смягчения выбросов углерода. Более того, этот эффект ограничен во времени, поскольку он сопровождает период изменений, но исчез бы, как только пул SOC достигнет своего равновесия, что ясно видно на Рисунках 2, 3 и ранее обсуждалось Aguilera и Lassaletta (2015). С точки зрения стратегии ограничения выбросов CO2 сельским хозяйством, приоритетной целью должно быть сокращение транспортировки кормов, производства синтетических удобрений и потребления ископаемого топлива для механизации. Радикальное сокращение этих факторов требует кардинального перехода к агропродовольственным системам, основанным на агроэкологии, а не мер, направленных на повышение эффективности без структурных изменений.

Роль сценариев для реальности

Настоящее исследование полностью основано на биогеохимическом анализе двух контрастных, гипотетических сценариев будущего французской агропродовольственной системы (Billen et al., 2018a). Этот подход ставит как эпистемологические, так и политические вопросы, которые мы хотели бы кратко обсудить здесь.

Если не принимать полностью детерминистский взгляд как на человеческую, так и на естественную историю, в котором будущее можно было бы узнать так же, как прошлое, насколько мы могли бы моделировать изучаемые системы (как в известной метафоре демона Лапласа, Bergson, 1905), всегда должна существовать неотъемлемая часть непредсказуемости будущего. В науках об окружающей среде непредсказуемость усиливается тем фактом, что будущий ход событий возникает не только из неизбежности биофизических ограничений, но и из конфликта различных человеческих желаний с различными интересами и множеством желаний в отношении будущего, результаты которых не могут быть определены априори. Это сомнение относительно способности прогнозировать побуждает нас сначала занять рефлексивную позицию в отношении нашей научной позиции. Наука об окружающей среде не может предсказывать будущее, равно как и не может принимать решения за будущее. Следовательно, необходимо признать, что разработка будущих сценариев включает в себя неотъемлемую степень субъективности. Наши субъективности проявляются в выборе, сделанном для разработки одного сценария вместо другого, например, здесь, экстремальных сценариев либо открытости и специализации, либо полностью агроэкологического. Поэтому необходимо задаться вопросом, как такие выборы могут быть оправданы: какая понятная логика направляет нашу разработку сценариев?

Согласно Wright (2010), концепция «эмансипаторной социальной науки», т.е. типично конструирующей сценарии, должна выполнять три фундаментальные задачи: (1) разрабатывать систематическую критику мира таким, какой он есть; (2) воображать жизнеспособные альтернативы; (3) понимать барьеры, стоящие перед любым проектом социальной трансформации, но также и его возможности и дилеммы. Если слово «социальный» заменить словом «экологический» (эмансипаторная экологическая наука), это означает, что тип фактов, которые мы пытаемся понять, связан с взаимодействием между обществами (социо-экологический метаболизм) и их биофизической средой (встроенные региональные и национальные масштабы). Два контрастных сценария, проанализированные здесь, подчеркивают, что продолжение открытости и специализации в сельском хозяйстве было бы отчуждением к неустойчивой агропродовольственной системе, в то время как глубокое изменение в сторону более самодостаточной, органической и демитарианской агропродовольственной системы предвещало бы социально-экологическую эмансипацию.

Следуя веберианскому видению отношения между наукой и политикой (Weber, 1959), вызов, который мы рассмотрели здесь для будущей устойчивой агропродовольственной системы, должен быть отделен от политики, но произведенные результаты должны быть полезны. Вопрос в том, для кого и как? Любое лицо или коллектив, обеспокоенные изменением климата и продовольственным суверенитетом, должны быть вовлечены в принятие решений относительно их общего будущего. Следовательно, для выполнения третьего требования «эмансипаторной» науки дальнейшие перспективы включают размышление о возможности максимально широкого присвоения наших исследований.

Таким образом, ученые могут помочь продвинуться к этой цели, создавая передаваемое и присваиваемое знание, способствующее восходящему переходу к большей устойчивости агропродовольственных систем и, в более общем плане, социо-экологических систем (Gonzalez de Molina and Toledo, 2014). Ключевым вопросом для будущих исследований является, вероятно, объединение исследовательских проектов с целью сведения вместе различных научных инструментов и подходов из разных дисциплинарных областей. Кроме того, не предписывающая, но также и не нейтральная роль, учитывающая текущий баланс сил, частью которых мы являемся, может стать основой для экологического перехода, неизбежно движимого, среди прочего, горячими дебатами об устойчивости агропродовольственных систем.

Дополнительные материалы к этой статье можно найти онлайн по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fsufs.2019.00019/full#supplementary-material

Le Noë J, Billen G and Garnier J (2019) Carbon Dioxide Emission and Soil Sequestration for the French Agro-Food System: Present and Prospective Scenarios. Front. Sustain. Food Syst. 3:19. doi: 10.3389/fsufs.2019.00019

Перевод статьи «Carbon Dioxide Emission and Soil Sequestration for the French Agro-Food System: Present and Prospective Scenarios» авторов Le Noë J, Billen G and Garnier J., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык

Фото: Designed by Freepik