Analyses of a long-term soil temperature record for the prediction of climate change induced soil carbon changes and greenhouse gas emissions in vineyards

Abstract

Increasing soil organic carbon (SOC) stocks in Agriculture is discussed as a measure to reduce soil greenhouse gas (GHG) emissions with the potential to improve the balance between GHG emissions and carbon removal from the atmosphere, the so-called 4/1000 initiative. This implies that improving global SOC by 0.4% per year (4 per 1000) could largely compensate for GHG emissions. Yet it is difficult to deduct the impact of climatic change and cultivation practices on patterns of carbon storage or losses from soils specifically because changes in soil temperature are mostly not considered. Here an attempt is presented to quantify these potential impacts on SOC for a vineyard location using the RothC-model (Coleman and Jenkinson, 2005) in combination with the Geisenheim long-term (>100-year) soil temperature record and climate predictions by the STAR II-model of the Potsdam Institute of Climate Impact. It is shown that retaining pruning wood and using a full cover crop yielded a SOC increase of 16.2 t C ha^-1 over time. However, CO₂ emissions over the simulated time span were only slightly less than C-storage in the soil. It is concluded that cover crops in vineyards help to achieve CO₂-neutrality but additional measures are required to make vineyards a significant C-sink.

Sol, vigne, changement climatique : l’enjeu de prévoir l’évolution du carbone du sol et les émissions de gaz à effet de serre des vignobles et l’objectif de 4 pour 1000 est-il réaliste ?

L’évaluation de l’impact actuel et futur du changement climatique sur la viticulture nécessite une vision intégrée d’un système complexe en interaction au sein du continuum sol-plante-atmosphère en constante évolution. Outre l’augmentation des températures observée à l’échelle mondiale dans presque toutes les régions viticoles depuis au moins quatre décennies, nous observons plusieurs tendances claires au niveau régional dans le rapport entre les précipitations et l’évapotranspiration potentielle. En outre, le 6ème rapport d’évaluation du giec récemment publié (les bases des sciences physiques) montre, en fonction des cas, d’autres changements attendus dans les modèles climatiques qui auront des impacts substantiels sur la manière dont nous mènerons la viticulture dans les décennies à venir. Au-delà des évolutions climatiques, on observe une hausse des températures dans les couches supérieures du sol qui aura un impact sur la répartition des populations microbiennes, le taux de dégradation de la matière organique ou encore la capacité de stockage du carbone organique du sol (cos). Tout cela influence les émissions de gaz à effet de serre (ges). L’augmentation des stocks de cos dans l’agriculture est considérée comme une mesure visant à réduire les émissions de ges du sol avec le potentiel d’améliorer l’équilibre entre les émissions de ges et l’élimination du carbone de l’atmosphère, ce qu’on appelle l’initiative 4/1000. Cela implique qu’une amélioration globale du cos de 0,4 % par an (4 pour 1 000) pourrait largement compenser les émissions de ges. Il est pourtant difficile de déduire l’impact des changements climatiques et des pratiques agricoles sur les modes de stockage ou les pertes de carbone dans les sols. Ici, une première tentative est présentée pour quantifier ces impacts potentiels sur le cos pour un emplacement de vignoble en utilisant le modèle rothc (coleman et jenkinson, 2005) en combinaison avec l’enregistrement de température du sol à long terme (> 100 ans) de geisenheim et les prévisions climatiques du modèle star ii du potsdam institute of climate impact (Orlowski et al., 2008). Il est démontré que le fait de conserver le bois de taille et d’utiliser une culture de couverture complète a entraîné une augmentation du cos de 16,2 t C ha-1 au fil du temps. Cependant, les émissions de CO2 sur la période simulée n’étaient que légèrement inférieures au stockage de c dans le sol. Il est conclu que les cultures de couverture dans les vignobles contribuent à atteindre la neutralité en CO2, mais que des mesures supplémentaires sont nécessaires pour faire des vignobles un puits de carbone important.

Boden, rebe, klimawandel – die herausforderung bodenkohlenstoff-veränderungen und treibhausgas-emissionen in weinbergen vorherzusagen, und ist das ziel von 4 pro 1000 realistisch?

Die bewertung der derzeitigen und zukünftigen auswirkungen des klimawandels auf den weinbau erfordert eine holistische betrachtung eines komplexen, interagierenden systems mit dem boden-pflanze-atmosphären kontinuum unter ständiger veränderung. Zusätzlich zu den beobachteten zunahmen in der temperatur in fast allen weinbauregionen über mehr als die letzten vier jahrzehnte, gibt es klare trends auf regionaler ebene im verhältnis von niederschlägen zur potentiellen verdunstung (trockenstressindikator). Der letzte ipcc-klimabericht (6th assessment report – the physical science basis) weist auf weitere erwartete klimamusteränderungen hin, die über die nächsten jahrzehnte erhebliche auswirkungen haben werden auf die art und weise wie wir weinbau betreiben.  Neben den klimatischen änderungen werden stark steigende temperaturen in den oberen bodenschichten beobachtet, was einen substanziellen einfluss auf die verteilung und zusammensetzung von mikroorganismen populationen, auf die abbaurate von organischem material oder die speicherkapazität von organischem kohlenstoff (soc) haben wird. Dadurch werden auch die treibhausgas (thg)-emissionen beeinflusst.  Steigerungen der soc wird global als maßnahme zur reduzierung der thg-emissionen und der möglichkeit angesehen, die balance zwischen emissionen und kohlenstoff-entfernung aus der atmosphäre positiv zu ändern, was in der sogenannten 4 pro 1000 initiative mündete. Diese impliziert, dass eine jährliche steigerung des soc von 0,4% (4 pro 1000) die globalen thg-emissionen weitestgehend kompensieren könnte. Allerdings ist es schwierig die auswirkungen des klimawandels und der bewirtschaftungsmethode auf die speicherkapazität oder eventuelle verluste von organischem kohlenstoff zu quantifizieren. Hier wird ein versuch vorgestellt diese möglichen auswirkungen auf die soc für einen weinberg zu quantifizieren. Dazu kam das rothc-modell (coleman und jenkins, 2005) in kombination mit dem geisenheimer langzeitdatensatz der bodentemperaturen (> 100 jahre) und dem star ii-klimamodell (Orlowski et al., 2008) des potsdam-instituts für klimafolgenforschung zum einsatz. Die ergebnisse zeigen, dass der verbleib des schnittholzes und eine ganzflächige begrünung einen anstieg der soc um 16,2 t c ha-1 bewirkte. Allerdings waren die simulierten CO2-emissionen nur geringfügig kleiner als die c-speicherung über den simulierten zeitraum, was darauf hinweist, dass CO2-neutralität nur durch zusätzliche maßnahmen erreicht werden kann, um weinberge zu einem signifikanten c-speicher zu machen.