Agricultural drought assessment in dry zones of Tolima, Colombia, using an approach based on water balance and vegetation water stress.

Soil water balance is an essential element to consider for the management of droughts and agricultural land use. It is important to evaluate the water consumption of a crop in each of its phenological phases and the status of water reserves during critical hydrologic periods. This study developed an agricultural drought index (Standardized Soil Moisture Deficit Index - SMODI) conceptualized with a water balance model considering the vegetation stress caused by soil moisture deficit. This contribution was based on meteorological information, soil moisture from satellite images, hydrophysical properties of the soil and crop evapotranspiration. Information from 61 weather stations located in the dry zone of Tolima was used for estimating the water balance. SMODI was compared with the most common drought indexes: Standardized Precipitation - Evapotranspiration Index (SPEI), the Palmer Self-Calibrated Drought Index (scPDSI), and other eleven macroclimatic indexes. Pearson's correlation coefficients (r), Tukey's test, and analysis of variance were applied to analyze the degree of association between SMODI and the contrasting indexes on a quarterly basis. SMODI considers factors influencing soil moisture distribution and retention and the water stress thresholds that plants have evolved to withstand during drought periods. Consequently, this integrated approach enhances the assessment of agricultural drought by relying on pertinent physical processes. SMODI identified extremely dry, severe, moderate and normal drought 5 %, 3 %, 20 % and 72 % respectively conditions in areas characterized by Entisols, Inceptisols, and Andisols, where rice and fruit crops and pasturelands are cultivated. The SMODI has a good correlation with macroclimatic indexes (0.70 < r < 0.74).

Almacenamiento de carbono en sistemas agroforestales en los Llanos Orientales de Colombia / Carbon storage in agroforestry systems in Colombia's Eastern Plains

Introducción: Los cultivos de café, cacao y pasturas para la ganadería son actividades agropecuarias de interés económico en Colombia. Cuando estas actividades se desarrollan bajo sistemas agroforestales (SAF) promueven la conservación e incrementan la fijación de carbono y, por ende, la mitigación del cambio climático. Objetivo: El estudio estimó el almacenamiento de carbono en la biomasa aérea, necromasa y carbono orgánico del suelo bajo SAF con cacao (SAF cacao), SAF con café (café SAF), sistemas silvopastoriles (SSP) y bosque en el municipio de Mesetas, Meta (Colombia). Métodos: Se establecieron 44 parcelas de muestreo, en donde se tomaron medidas dasométricas a individuos con un diámetro del tronco a la altura del pecho (dap) ≥ 2.5 cm (latizales, fustales y fustales grandes), cuyos valores fueron transformados a carbono con modelos de biomasa y una fracción de carbono default. En los tres sistemas agropecuarios, se contó el número de árboles de cacao, café, plantas asociadas y se identificó el tipo de uso (maderable, alimento, combustión). Resultados: El almacenamiento de carbono presentó diferencias significativas (P < 0.0001) entre usos del suelo. La mayor acumulación se encontró en bosque, con 216.6 t C ha-1, superando en 59, 72 y 73 % a SAF cacao, SSP y SAF café, respectivamente. Fabaceae, Lauraceae y Primulaceae presentaron el mayor almacenamiento de carbono. En SAF cacao, la mayor acumulación de carbono fue encontrada en especies para alimento humano; en SAF café y SSP, el mayor almacenamiento fue presentado en las especies maderables. Conclusión: Estos resultados resaltan el potencial de almacenamiento de carbono en los sistemas productivos de mayor importancia en el departamento del Meta, lo cual es importante para el diseño de estrategias que permitan integrar acciones de mitigación de emisiones de gases de efecto invernadero y promover la economía campesina local.

Introduction: Coffee, cocoa crops and pastures for livestock are agricultural activities of economic interest in Colombia. When these activities are developed under agroforestry systems (AFS), they promote conservation and increase carbon fixation and, therefore, climate change mitigation. Objective: The study estimated carbon storage in aboveground biomass, necromass and soil organic carbon under SAF with cocoa (SAF cocoa), SAF with coffee (SAF coffee), silvopastoral systems (SPS) and forest in Mesetas, Meta (Colombia). Methods: Forty-four sampling plots were established, where dasometric measurements were taken from individuals with a trunk diameter at breast height (dbh) ≥ 2.5 cm (saplings, trees and large trees), whose values were transformed to carbon with biomass models and a default carbon fraction. In the three agricultural systems, the number of cocoa and coffee trees and associated plants was counted, and the type of use (timber, food, combustion) was identified. Results: Carbon storage showed significant differences (P < 0.0001) among land uses. The highest accumulation was found in forest, with 216.6 t C ha-1, exceeding in 59, 72 and 73 % to SAF cocoa, SSP and SAF coffee, respectively. The botanical families Fabaceae, Lauraceae and Primulaceae presented the greatest carbon storage. In SAF cocoa, the greatest accumulation of carbon was found in species for human food; in SAF coffee and SSP, the greatest storage was presented by timber species. Conclusion: These results highlight the potential for carbon storage in the most important productive systems in the Meta department, which is important for designing strategies that allow for integrating actions to mitigate greenhouse gas emissions and to promote the local peasant economy.

Captura de carbono en biomasa de sistemas de uso del suelo, municipio de Yopal, Casanare, Colombia / Carbon capture regarding biomass from rural land use systems near the municipality of Yopal, Casanare, Colombia / Captura de carbono na biomassa de sistemas de uso da terra, município de Yopal, Casanare, Colômbia

Resumen El cambio climático, ocasionado por el incremento en la concentración de gases efecto invernadero (GEI), genera alteraciones en el clima del planeta, aumentando la temperatura media global, lo que afecta patrones de precipitación. El área de estudio se ubicó en el Municipio de Yopal, corregimiento Tacarimena, compuesta por ocho veredas, la cual presenta clima cálido - húmedo con promedio de precipitación anual de 2270 mm; temporada seca de diciembre-marzo y lluviosa de abril-noviembre y alturas inferiores a 380 m. En concordancia con la necesidad del desarrollo bajo en carbono, la presente investigación estima la biomasa arriba y abajo del suelo y con éstas el carbono total almacenado en siete sistemas de uso del suelo: 1) plátano con sombrío (SAF+ plátano), 2) cacao con sombrío (Ca+S), 3) cítricos (C), 4) sistema silvopastoril bajo (SSPB), 5) sistema silvopastoril alto (SSPA), 6) bosques de galería (BG), y 7) mata de monte (MM). Se trabajó con diseño experimental completamente al azar con cinco repeticiones, para un total de 35 unidades experimentales. Se establecieron parcelas temporales de muestreo, tomando datos en 832 árboles de 66 especies botánicas. Se estimó la biomasa arriba del suelo mediante modelos alometricos, utilizando datos de campo (diámetro a la altura del pecho dap y la altura total). La biomasa abajo del suelo (raíces) se estimó empleando el modelo general para bosques tropicales. Todos los usos del suelo en estudio ofrecen el servicio ecosistémico de captura de carbono, siendo el BG y la MM los de mayor carbono, mientras que el SAF+plátano almacenó la menor cantidad de carbono. Potenciales cambios de sistemas productivos a sistemas forestales (BG y MM) implican una ganancia de carbono (adicionalidad), mientras que los cambios contrarios, es decir deforestación, representan emisiones de CO2. Estos resultados son claves para la orientación a políticas y proyectos de captura de carbono.

Abstract Climate change caused by increased greenhouse gas (GHG) concentration causes alterations in the planet's climate and increases the average global temperature, thereby affecting rainfall patterns. This study's target area was the town of Tacarimena in the municipality of Yopal; it has eight rural areas. The area is located around 380 masl and has a warm, humid climate, a mean annual rainfall of 2,270 mm, a dry season between December and March and a rainy season from April to November. This research has estimated seven land-use systems' above- and below-ground biomass and total carbon storage in line with a low-carbon development policy: 1) plantain with shade (SAF + plantain), 2) cocoa with shade (Ca + S), 3) citrus (C), 4) low-lying silvopastoral system (LSS), 5) high-lying silvopastoral system (HSS), 6) gallery forest (GF) and 7) bush (B). A completely randomised experimental design with five repetitions was used, giving 35 experimental units. Temporary sampling plots were established for taking information regarding 832 trees from 66 botanical species. Allometric models were used for estimating above-ground biomass using field data/measurements (diameter at breast height (DBH) and total height (TH). A general tropical forest model was used for estimating below-ground biomass. All the land-use systems being studied had the essential ecosystem service of carbon capture/CO2 sequestration where GF and B had the highest carbon storage; on the contrary, SAF + plantain stored the lowest amount of carbon. Changing from production to forestry systems (GF and B) implies increased carbon capture (additionality), whereas the opposite (i.e. deforestation) represents CO2 emission. Such results represent a key input for policy design and carbon capture projects.

Resumo A mudança climática, causada pelo aumento da concentração de gases de efeito estufa (GEEs), gera alterações no clima do planeta e um aumento na temperatura média global, afetando os padrões de precipitação. A área de estudo foi localizada no município de Yopal, distrito Tacarimena, composto por oito vilarejos, que tem um clima quente - úmido com precipitação anual média de 2.270 mm, além de uma estação seca de dezembro a março e uma estação chuvosa entre abril e novembro. De acordo com a necessidade de desenvolvimento baixo em carbono, esta pesquisa estima a biomassa acima e abaixo do solo e com eles o total de carbono armazenado em sete sistemas de uso da terra: 1) banana com sombra (SAF + banana), 2) cacau sombreado (Ca + S), 3) cítricos (C), 4) sistema silvopastoril baixo (SSPB), 5) sistema silvopastoril alto (SSPA), 6) floresta riparia (BG), e 7) fragmento de floresta (MM). Desenvolveu-se um desenho experimental inteiramente casualizado com cinco repetições, totalizando 35 unidades experimentais. Parcelas temporárias de amostragem foram estabelecidas, tomando dados de 832 árvores de 66 espécies botânicas. A biomassa acima do solo foi estimada com modelos alométricos, inserindo os dados de campo: diâmetro à altura do peito (dap) e a altura total. A biomassa abaixo do solo foi estimada usando um modelo geral para florestas tropicais. Todos os usos da terra em estudo oferecem o serviço ecossistêmico de captura de carbono, sendo BG e MM os que apresentam o maior carbono, enquanto que SAF + banana armazenou a menor quantidade de carbono. Mudanças potenciais de sistemas de produção para sistemas florestais (BG e MM) implicam em ganho de carbono (adicionalidade), entanto que as mudanças opostas, como o desmatamento, representam emissões de CO2. Esses resultados são chaves para orientar políticas e projetos de captura de carbono.

Sinergias mitigación - adaptación al cambio climático en sistemas de producción de café (Coffea arabica), de Tolima, Colombia / Mitigation - adaptation synergies of climate change of coffee (Coffea arabica) production systems in Tolima, Colombia

Resumen El cambio climático del planeta es generado principalmente por el incremento de las emisiones de gases de efecto invernadero. El Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC) ha establecido la mitigación y adaptación como estrategias para enfrentar el cambio climático; sin embargo, ambas estrategias se han evaluado poco en conjunto. Con el objetivo de estudiar las posibles sinergias entre mitigación y adaptación, se evaluaron tres sistemas de producción de café en el municipio de Líbano: sistemas agroforestales (SAF) con Cordia allidora, SAF con plátano y monocultivos con cuatro repeticiones por tratamiento. Como indicador de mitigación se estimó la huella de carbono en la producción y procesamiento del grano; mientras que la adaptación se midió como la diversidad de hormigas presentes. Los SAF con C. allidora favorecen tanto la mitigación como la adaptación al cambio climático, tienen una huella de carbono positiva además, tienen una mayor riqueza de géneros de hormigas (12.81 vs -3.0 vs -6.4 Mg CO2e/ha/año en huella de carbono y 1.3 vs 0.6 vs 0.6 de Índice de Margalef de hormigas en SAF con C. alliodora, SAF con plátano y monocultivo, respectivamente). Los sistemas de producción agrícola, manejados de forma amigable con el medio ambiente y en asocio con árboles nativos, son una buena estrategia para implementar programas de mitigación y adaptación al cambio climático. Incluir árboles nativos favorece económicamente a los productores, e incrementa los lugares de refugio y las condiciones mínimas de sobrevivencia, semejantes a los ecosistemas naturales para que los diferentes grupos de animales logren adaptarse a los cambios.(AU)

Abstract Climate change is mainly generated by an increase of greehouse gas emissions. The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) has established mitigation and adaptation as strategies to deal with climate change. However, few studies have been developed jointly. With the purpose of studying the possible synergies between mitigation and adaptation, three coffee production systems in the municipality of Líbano: agroforestry systems (AFS) with Cordia allidora, AFS with plantain and monocultures, with four replications by treatment, were evaluated. As mitigation indicator, the carbon footprint in the coffee production and processing was estimated, whereas the adaptation was measured as the ant diversity. The AFS with C. alliodora favor both mitigation and adaptation to climate change since they have a positive carbon footprint and the greatest richness of ant genus (12.8 vs -3.0 vs -6.4 Mg CO2e/ha/year in carbon footprint and 1.3 vs 0.6 vs 0.6 of Margalef Index of ants in AFS with C. alliodora, AFS with plantain and monoculture, respectively). The agricultural production systems, environmental-friendly managed and associated with native trees, are a good strategy to implement in programs of mitigation-adaptation of climate change. The inclusion of native tree favors the producer's economy and increases the shelter places and the minimal conditions for surviving, similar to natural ecosystems so the different groups of animals for climate change adaptation.(AU)

Los suelos del paisaje alto-andino de santa isabel (tolima, colombia) ¿son sumideros de carbono orgánico? / Soils in high-land landscapes of santa isabel (tolima, colombia), are they a carbon sink?

RESUMEN El cambio climático global es uno de los problemas más graves de la humanidad, causado, principalmente, por el aumento de CO2 y otros gases de efecto invernadero en la atmósfera. Se reconoce que las emisiones de estos gases pueden ser reducidas disminuyendo su emisión o aumentando su remoción y depósito, en sumideros terrestres. El suelo es el mayor sumidero de carbono © y mitiga su creciente concentración atmosférica. Los paisajes rurales alto-andinos retienen importantes cantidades de C orgánico del suelo (COS), teniendo un papel fundamental en su ciclo global, pero ha sido poco valorado. El objetivo de este estudio fue estimar el COS en los principales usos de la tierra y los impactos del cambio de uso en paisajes alto-andinos en Santa Isabel - Tolima, Colombia. Se evaluaron tres usos del suelo: (i) cultivos agrícolas (CA), (ii) sistemas silvo-pastoriles de pasturas con árboles dispersos (SSP) y (iii) bosques nativos (BN), estimando la densidad aparente, por el método del cilindro y la concentración de COS, a una profundidad de 0-40cm. La densidad aparente, se incrementó notablemente, al cambiar de BN a CA y SSP (0,35 a 0,61 y 0,65g/cm3, respectivamente). Contrastando, la concentración de COS, se redujo al convertir BN a usos agropecuarios (8,9 a 5,8%). Los BN almacenaron más C que los CA y SSP (122,4; 79,6 y 79,8t/ha, respectivamente), causando una emisión potencial de 157 t CO2/ha, en caso de deforestación. Procesos contrarios implican captura de C atmosférico. La conservación de BN alto-andinos debe estar altamente considerados en las políticas nacionales y regionales.

SUMMARY Global climate change is one of the most serious problems of mankind, caused mainly by the increase of CO2 and other greenhouse gases in the atmosphere. It is recognized that net emissions of these gases can be reduced either by reducing their emission or by increasing their removal by depositing in terrestrial sinks. The soil is the largest carbon I sink and mitigates its increase in atmospheric concentration. The rural landscapes in high-land ndean zones retain significant amounts of organic soil C (SOC), playing a key role in its global cycle. The objective of this study was to estimate the SOC stocks in the main land uses, and the impacts of land use change in high-land ndean landscapes in Santa Isabel, Tolima, Colombia. Three land uses were evaluated: (i) agricultural crops (AC), (ii) silvopastoral systems of pastures with dispersed trees (SPS), and (iii) native forests (NF), estimating bulk density (BD) by cylinder method and the concentration of SOC to a depth of 0-40cm. The BD notably increased by changing from NF to AC and SPS (0.35 to 0.61 and 0.65g/ cm3, respectively). Contrasting, the concentration of SOC was reduced when NF change to agricultural and livestock uses (8.9 to 5.8%). The NF stocked more C than AC and SPS (122.4, 79.6 and 79.8t/ha, respectively), causing a potential emission of 157t CO2/ha in case of deforestation. Opposite processes imply capture of atmospheric carbon. The conservation of NF in high-land Andean zones must be highly considered in national and regional policies.

Fijación de carbono atmosférico en la biomasa total de sistemas de producción de cacao en el departamento del tolima, colombia

Los sistemas de uso del suelo con leñosas perennes, como cacaotales, mitigan el cambio climático, al capturar CO2 atmosférico. El objetivo del estudio fue estimar la fijación de carbono en biomasa total en los sistemas de producción de cacao, dominantes del Tolima, Colombia. El estudio, se realizó en Rovira y Falan, empleando un diseño experimental, completamente al azar, con seis sistemas de producción de cacao: monocultivo, sistema agroforestal (SAF) con maderables, SAF con aguacate, SAF con cítricos, SAF con frutales, y SAF con maderables y frutales y tres repeticiones. Se establecieron dos parcelas de muestreo rectangulares, de 1.000m² por unidad de muestreo, donde se identificaron y midieron los árboles con dap ≥ 10cm (diámetro del tronco a la altura del pecho -dap- y altura total -ht). Se establecieron dos sub-parcelas de 256m², por parcela principal, para medir arbustos de cacao: ht y diámetro del tronco, a 30 cm de altura (D30). Se emplearon modelos alométricos, para estimar la biomasa. El SAF con maderables y frutales y SAF con frutales presentaron la mayor biomasa total (122,0 y 72,5t/ ha). En el SAF con maderables y frutales, se evidenció el mayor almacenamiento de carbono, con 61,0t C/ha, mientras que la mayor tasa de fijación de carbono fue de 17,7t/ha/ año, para el SAF con cítricos. Los resultados sugieren que la producción de cacao, que incluyen otras especies vegetales, diversifica la producción e incrementa la seguridad alimentaria y la generación de servicios ambientales, tal como la captura de carbono atmosférico.

The land use systems with woody perennials species, such as cacao plantations, mitigate climate change by capturing atmospheric CO2. The aim of the study was to estimate the fixation of atmospheric carbon in total biomass in the most dominant cocoa production systems in Tolima, Colombia. The study was carried out in Rovira and Falan using a completely randomized experimental design with six cocoa production systems: monoculture, agroforestry system (SAF) with timber trees, SAF with avocado, SAF with citrus species, SAF with fruit trees and SAF with timber and fruit species with three replications. Two rectangular sampling plots 1000m² were established by sampling unit where trees with diameter of trunk at breast height (dbh) ≥ 10cm were identified and measured (dbh and total height - th). Two subplots of 256 m² by main plot, for measuring cocoa bushes were established: ht and trunk diameter at 30cm height (D30). Allometric models to estimate biomass were used. The AFS with timber and fruit species and AFS with fruit species had the greatest biomass (122.0 and 72.5t/ha). In the AFS with timber and fruit species presented the highest carbon storage in biomass with 61.0t C/ha; whereas the greatest carbon fixation rate was 17.7 t/ha/year in AFS with citrus species. The results suggest that cocoa plantations that include other plant species diversify the production and increase food security and generation of environmental services, such as capturing atmospheric carbon.

HUELLA DE CARBONO EN CADENAS PRODUCTIVAS DE CAFÉ (Coffea arabica L) CON DIFERENTES ESTÁNDARES DE CERTIFICACIÓN EN COSTA RICA / CARBON FOOTPRINTS IN THE COFFEE (Coffea arabica L) PRODUCTIVE CHAINS WITH DIFFERENT CERTIFICATION STANDARDS IN COSTA RICA

Se estudió el impacto en la producción de café con diferentes estándares de certificación (producción convencional, producción orgánica -NOP y Unión Europea-, UTZ Kapeh, Comercio Justo, Rainforest Alliance y CAFE Practices) sobre la huella de carbono en Costa Rica. Las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) se estimaron en nueve fincas y ocho empresas procesadoras del grano. Se estimó la fijación de carbono en biomasa total, en árboles de sombra y cafetos, midiendo las plantas, empleando modelos de biomasa y factores de expansión de biomasa, una fracción de carbono de 0,5 e indagando a productores sobre la edad de los componentes del sistema. Se emplearon factores de emisión recomendados por el IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). Los sistemas de producción fijaron entre 5,0 y 17,6 t CO2e/ha/año, sin un efecto de los estándares de certificación. La actividad que más emite GEI fue la fertilización nitrogenada (63-82% del total de emisiones). Las dos procesadoras con menor emisión de GEI (156 y 187 kg CO2e/t café verde) son aquellas que emplean la energía solar para secar parcialmente el café. La cadena de producción de café en Costa Rica mostró ser amigable con el medio ambiente, al fijar netamente entre 2,4 y 13,0 kg CO2e/kg de grano de café verde (en promedio 7,6 kg CO2e/kg de café verde y 8,1 t CO2e/ha/año). No se encontró impacto de los estándares de certificación pero si de los componentes del sistema en la huella de carbono en la cadena de producción de café.

The impact in coffee production with different certification standards (conventional production, organic production -NOP and European Union-, UTZ Kapeh, Fairtrade, Rainforest Alliance and CAFE Practices) on Carbon Footprint in Costa Rica was studied. The greenhouse gas emissions (GHG) were estimated in nine farms and eight grain processing industries. Carbon fixation was estimated in total biomass in both shade trees and coffee bushes by measuring the plants, using biomass models and biomass expansion factors, a 0.5 fraction of carbon and asking producers about the age of the components in the system. IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) recommended emission factors were used. The production systems fixed between 5,0 and 17,6 t CO2e/ha/year, without an effect of the certification standards. The activity emitting more GHG was nitrogenated fertilization (63-82% of total emissions). The two grain processing industries with less GEE emissions (156 and 187 CO2e/t green coffee) are those using solar energy for partial coffee drying. The coffee production chain in Costa Rica showed to be friendly with the environment while fixing a net between 2.4 and 13.0 kg CO2e/kg of green coffee grain (7.6 kg CO2e/kg of green coffee average and 8.1 t CO2e/ha/year). Impact on the certification standards was not found but it was found in the system components of the carbon footprint in the coffee production chain.