Assesment of the role of mediterranean agriculture as a carbon sink and diagnosis of climate change impacts: a baseline for exploring adaptation and mitigation strategies

Abstract

La agricultura és l’activitat humana més afectada pel canvi climàtic, i, actualment, està fortament impactada a la conca Mediterrània. No obstant això, el segrest i emmagatzematge de carboni a la biomassa de cultius llenyosos i sòls agrícoles podria ser considerable a l’hora de combatre el canvi climàtic a la Mediterrània. El principal objectiu d’aquesta tesi és generar coneixement empíric que serveixi de base per a simular estratègies de gestió d’usos de sòl i practiques agrícoles per l’adaptació i mitigació del canvi climàtic. Una avaluació fiable de les existències de carboni agrícoles suposa una línia de base molt útil per a quantificar la seva variabilitat espacial i temporal per comprendre millor el cicle del carboni i ajudar en la presa de decisions de les polítiques d’adaptació i mitigació a escala local i regional. D’altra banda, avaluar com s’espera que el clima afecti als cultius és extremadament útil per als diferents actors del territori, que són els que poden proposar i executar estratègies d’adaptació i mitigació a escala local i/o regional per fer possible una agricultura més resilient als canvis i millorar la seguretat alimentaria. Els objectius específics d’aquesta tesi són: i) avaluar els estocs de carboni de la biomassa dels cultius llenyosos mediterranis a partir de models específics per zona i cultiu a escala regional, ii) estimar els estocs de carboni orgànic en sòls (COS) agrícoles, avaluar la importància de les variables explicatives i entendre els patrons espacials dels estocs de COS i iii) fer una diagnosi dels impactes del canvi climàtic en les necessitats hídriques netes (NHN) i fenologia dels cultius i altres paràmetres agroclimàtics a escala de conca i subconca. El Capítol 2 ofereix estimacions espacials del total del estoc de carboni en la biomassa de cultius llenyosos a Catalunya d’uns 5.48 Tg C. Per la dècada dels 2010, i tot i que en general l’àrea ocupada pels cultius llenyosos es va reduir anualment un 2.8%, els estocs de carboni a la biomassa de cultius llenyosos van augmentar (+0.17 Tg C/any) degut al creixement en aquelles àrees on no hi va haver canvis d’ús de sòl. El segon treball (Capítol 3) va generar una estimació espacial dels estocs de COS superficials dels sòls agrícoles de Catalunya d’uns 47.9 Tg C. A més, mentre que la variació dels estocs de COS superficials va dependre principalment del clima, la textura del sòl i altres variables agrícoles, els estocs de COS de la capa subterrània van dependre principalment dels atributs del sòl. El Capítol 4 destaca l’augment generalitzat de les NHN fins al 6.7% que es produiria en les tres conques de Catalunya estudiades, tot i que les dinàmiques són diferents per les tres conques i, en general, aquestes tendències variaven entre cultius. A més, els canvis fenològics podrien representar una gran restricció per la producció agrícola. El nombre de dies de gelades decreixerà en les tres conques, mentre que els dies extremadament càlids podria incrementar-se. El cicle de creixement dels cultius podria avançar-se i escurçar-se. D’aquesta manera, els impactes avaluats en aquest treball, juntament amb el predit esgotament dels recursos hídrics a la zona d’estudi, podrien resultar en limitacions significatives per als cultius. En general, aquesta tesi aporta estimacions espacials dels estocs de carboni de la agricultura a Catalunya i una diagnosi dels principals impactes del canvi climàtic en els cultius majoritaris de tres conques representatives del nord-est Mediterrani. Tot el coneixement empíric obtingut en aquesta tesi pot contribuir significativament a avaluar les conseqüències en termes de carboni de la gestió agrícola i a avaluar l’adaptació dels cultius al canvi climàtic a escala de paisatge per a diferents escenaris de gestió agrícola i territorial, oferint assistència a responsables polítics i actors del territori.

La agricultura es la actividad humana más afectada por el cambio climático, y, actualmente, es impactada fuertemente en la cuenca del Mediterráneo. Sin embargo, el secuestro y almacenaje de carbono en la biomasa de cultivos leñosos y los suelos agrícolas podría ser considerable a la hora de combatir el cambio climático en el Mediterráneo. El principal objetivo de esta tesis es generar conocimiento empírico que sirva de base para simular estrategias de gestión de usos de suelo y prácticas agrícolas para la adaptación y mitigación del cambio climático. Una evaluación fiable de las existencias de carbono agrícolas supone una línea de base muy útil para cuantificar su variabilidad espacial y temporal a fin de comprender mejor el ciclo del carbono y apoyar las políticas de adaptación y mitigación a escala local y regional. Por otro lado, evaluar cómo se espera que el clima afecte a los cultivos es extremadamente útil para otros actores del territorio, quienes pueden proponer y ejecutar estrategias de adaptación y mitigación a escala local i/o regional para hacer posible una agricultura más resiliente a los cambios y mejorar la seguridad alimentaria. Los objetivos específicos de esta tesis, correspondientes a los capítulos 2, 3 y 4, son: i) evaluar los stocks de carbono de la biomasa de los cultivos leñosos Mediterráneos a partir de modelos específicos del cultivo y la zona a escala regional, ii) estimar los stocks de carbono orgánico en suelos (COS) agrícolas, evaluar la importancia de sus variables explicativas y entender la distribución espacial de los stocks de COS y iii) hacer una diagnosis de los impactos del cambio climático en las necesidades hídricas netas (NHN) y fenología de los cultivos y otros parámetros agroclimáticos a escala de cuenca y subcuenca. El Capítulo 2 ofrece estimaciones espaciales del total del stock de carbono en la biomasa de cultivos leñosos en Cataluña (NE de España) de unos 5.48 Tg C. Para la década de los 2010, y a pesar de que en general el área ocupada por cultivos leñosos decreció anualmente un 2.8%, los stocks de carbono en la biomasa de cultivos leñosos aumentaron debido al crecimiento de los cultivos leñosos de aquellas áreas que no presentaron cambios de uso de suelo. El Capítulo 3 generó una estimación espacial de los stocks de COS superficiales en los suelos agrícolas de Cataluña de unos 47.9 Tg C. Además, mientras que la variación de stocks de COS en la parte superficial del suelo dependió principalmente del clima, la textura del suelo y variables agrícolas, los stocks de COS de la capa subterránea dependieron principalmente de los atributos del suelo. El Capítulo 4 destaca el aumento generalizado de las NHN del 0.1% al 6.7% que se produciría en las tres cuencas de Cataluña estudiadas, aun siendo las dinámicas diferentes para las tres cuencas y, en general, estas tendencias variarían entre cultivos. Además, los cambios fenológicos podrían representar una gran restricción para producción agrícola. El número de días de heladas decrecerá en las tres cuencas, mientras que los días extremadamente cálidos podría incrementarse. El ciclo de crecimiento de los cultivos podría empezar antes y acortarse. De este modo, los impactos evaluados en este trabajo, junto con el agotamiento de los recursos hídricos predicho para la zona de estudio, podrían resultar en limitaciones significantes para los cultivos. En general, esta tesis aporta estimaciones espaciales de los stocks de carbono de la agricultura en Cataluña y una diagnosis de los principales impactos del cambio climático en los cultivos mayoritarios de tres cuencas representativas del nordeste Mediterráneo. Todo el conocimiento empírico obtenido en esta tesis puede contribuir significativamente a evaluar las consecuencias en términos de carbono de las prácticas y la gestión agrícola y a evaluar la adaptación de los cultivos al cambio climático a escala de paisaje para diferentes escenarios de gestión agrícola y territorial, ofreciendo asistencia a responsables políticos y actores del territorio.

Agriculture is the human activity most severely affected by climate change, and, at present, it is heavily impacted in the Mediterranean Basin. However, carbon sequestration and storage in woody biomass and crop soils could become important tools in the fight against climate change in the Mediterranean. The main objective of this thesis is to generate empirical knowledge that will serve as a baseline to test land use and agricultural management as strategies for adaptation and mitigation of climate change. A reliable evaluation of carbon stock in agriculture would be a useful baseline to quantify its spatial and temporal variability and gain a better understanding of the carbon cycle. Furthermore, assessing how climate is expected to affect crops is extremely useful for stakeholders, who can act at the local/regional scale to make agriculture more resilient and enhance food security. The specific objectives of this thesis are: i) to assess carbon stocks of Mediterranean woody crop biomass through crop- and site-specific models at the regional level; ii) to estimate soil organic carbon (SOC) stocks in agriculture, assessing the importance of their drivers and seeking to understand their spatial distribution; and iii) to diagnose climate change impacts on net hydric needs (NHN) and phenology of crops and other agroclimatic parameters at the basin and the sub-basin scale. The results of Chapter 2 offer spatial estimates of total biomass carbon stock on woody cropland in Catalonia (NE Spain) of 5.48 Tg C, with an average value of 16.44 ± 0.18 Mg C/ha. During the 2010s, although in general the area covered by woody crops showed an annual decrease of 2.8%, carbon stocks in biomass of woody crops increased (+0.17 Tg C/year) due to growth of remaining woody cropland. Chapter 3 generated spatial estimates of total SOC stocks under agriculture in Catalonia at the topsoil level (0-30 cm) of 47.9 Tg C, with an average value of 48.8 ± 8.9 Mg C/ha. While topsoil variation of SOC stocks depended mainly on climate, soil texture and agricultural variables, subsoil SOC stock were principally dependent on soil attributes (soil texture, clay content, soil type or depth to bedrock). Modeling revealed that the relationship between SOC stocks and drivers varied spatially. According to the results of Chapter 4, NHN are expected to increase from 0.1% to 6.7% in the three basins of Catalonia studied, although dynamics will be different for each basin and, in general, trends vary from crop to crop. Moreover, phenological changes could represent a greater constraint for crop productivity. The number of frost days will decrease (from −0.1 days in March to −8.7 days in April) in the three basins, while extremely hot days will increase (from +0.3 days in July to +3.8 days in August). Growth cycles will begin earlier (from −1 days to −12 days for crops with a base temperature of 10 °C) and will be shorter (from −8 days to −27 days). Therefore, the impacts assessed in this study, together with the forecasted depletion of water sources in the study area, could result in significant limitations for crops if adaptive strategies beyond irrigation and growing cycle issues are not applied. In summary, this thesis provides spatial estimates of carbon stocks of agriculture in Catalonia and a diagnosis of the main climate change impacts on major crops in three representative basins of the Northwestern Mediterranean. All the empirical knowledge obtained can make a significant contribution to the tasks of evaluating the carbon consequences of agricultural practices and management and assessing adaptation of crops to climate change at the landscape level for different land and agricultural management scenarios, assisting stakeholders and policy makers.