Роль почв в смягчении климатических изменений

Роль почв в смягчении климатических изменений

Р.Д. Петросян, аспирант, В.В. Окорков, д.с.-х.н., ФГБНУ Верхневолжский ФАНЦ

В условиях глобальных изменений климата, включающих его потепление, снижение биоразнообразия, нарастание опустынивания и др., решение экологических проблем становится первоочередной задачей.

Парижское соглашение по смягчению изменений биосферы и климата, подписанное в декабре 2015 г., фокусируется исключительно на лесных массивах. Безусловно, растительность, в том числе древесная, является мощным фактором связывания углекислого газа атмосферы через фотосинтез. Однако запасы органического углерода в растительности составляют 500 ГтС, что примерно в четыре раза меньше, чем в почвах [1]. Поэтому почва является крупнейшим резервуаром углерода в биосфере, и её роль в поглощении и регулировании органического углерода значительна. Почва может выступать важнейшим фактором, регулирующим круговорот углерода и изменение концентрации парниковых газов в атмосфере.

Нерациональное использование сельскохозяйственных угодий и пашни может увеличивать выбросы почвенного углерода в атмосферу в виде диоксида углерода (СО2), что приведёт к увеличению концентрации парниковых газов в ней и ускорению изменения климата. Происходящая на протяжении нескольких последних столетий постепенная трансформация лугопастбищных и лесных угодий в пахотные земли привела к потере запасов почвенного углерода. Поэтому приёмы по восстановлению деградированных сельскохозяйственных земель и повышению органического углерода в почвах должны играть важную роль по сокращению выбросов парниковых газов и росту устойчивости к изменению климата [2, 3]. В связи с этим для защиты пахотных почв от снижения содержания органического углерода, в том числе и за счёт эрозии, разработаны специальные углерод-сберегающие технологии, которые позволяют не только сохранить, но и увеличивать его аккумуляцию. Среди основных подходов сбережения или увеличения запасов углерода в пахотных почвах называют минимизацию обработок почвы, внесение органических удобрений, применение севооборотов с включением посевов трав, сокращение периодов парования [2, 4, 5].

Одним из направлений вовлечения почв в мероприятия по смягчению изменений климата является международная инициатива «4 промилле» [2]. Суть инициативы состоит в том, что антропогенное увеличение концентрации СО2 в атмосфере может быть уменьшено накоплением углерода почвами. В этих целях авторы предлагают более эффективное использование почвенного по-

крова. Предполагается, что именно восстановление содержания органического углерода в пахотных почвах может выступать ближайшей задачей инициативы «4 промилле» в России [2]. Большой опыт в управлении органическим углеродом почв России обобщён в ряде работ [5, 6]. На серых лесных почвах Ополья в зависимости от систем удобрения изучены его динамика в содержании гумуса [7], изменения качественного состава [8], подтверждена пространственная неоднородность в его содержании [9].

Цель исследования — изучить возможности управления накоплением органического углерода в пахотных серых лесных почвах.

Материал и методы исследования. Исследование проведено в многолетнем стационарном полевом опыте, первая закладка которого была осуществлена в 1996 г. на комплексе серых лесных почв Владимирского Ополья. Изучали влияние пяти шестипольных севооборотов и четырёх уровней применения удобрений на их продуктивность и изменение агрохимических свойств почвы [9]. Опыт заложен в 4-кратной повторности.

В геоморфологическом отношении Ополье представляет собой средневысотную междуречную равнину, перекрытую чехлом лёссовидных суглинков, расчленённую густой овражно-балочной сетью. По климатическим условиям Владимирское Ополье характеризуется умеренно-тёплым летом, умеренно-холодной зимой и хорошо выраженными осенними и весенними сезонами.

Полевой опыт включает разнообразие производственно-технологических приёмов воздействия на почву (рис.). Каждая делянка занята агрокультурой в составе шестипольного севооборота, отличается системой обработки почвы и уровнем интенсификации.

Динамику органического углерода в почве изучали в двух шестипольных севооборотах и при четырёх уровнях применения удобрений (табл. 1):

1) нулевой (экстенсивный) — без использования минеральных удобрений;

2) поддерживающий (нормальный), с применением К30Р30К30;

3) интенсивный, с применением К60Р60К60;

4) высокоинтенсивный, с применением К90Р90К90.

Учёт урожая проводили парцеллярным методом

с площадки 1 м2 в 120 точках.

Оценку изменения содержания органического углерода проводили на основе расчётного балансового подхода, при использовании которого вычленяются составляющие гумификации и минерализации.

Оценку потоков углерода выполняли на основе методических указаний по расчёту баланса гумуса почв при проекте внутрихозяйственного землеустройства, утверждённых Госагропромом СССР

Уровень применения удобрений

Приём воздействия на почву

Рис. - Схема одной повторности первой закладки полевого опыта

(1989 г.) [10]. Детализация приходно-расходных статей баланса сделана на основе рекомендаций А.К. Крылатова и др. (1998) [11].

Накопление (новообразование) гумуса по каждой культуре рассчитывали, исходя из её урожайности и оставляемых корневых и пожнивных остатков, коэффициента их гумификации. Учитывали новообразование гумуса из внесённых под культуру органических удобрений.

Для расчёта минерализации гумуса использовали данные по урожайности культуры. По её величине и выносу азота 1 т основной продукцией с учётом побочной, используя поправочные коэффициенты «на культуру» и «почву», находили вынос азота с урожаем культуры. Для условий Нечернозёмной зоны поправочный коэффициент для среднесу-глинистой почвы принят равным 1,0 для культуры: многолетние травы — 1,0; зерновые и другие культуры сплошного сева — 1,2; пропашные — 1,6; под паром — 1,8.

В расчётах гумусового баланса принимали, что 50—60% азота, отчуждаемого с урожаем основной

и побочной продукции, приходится на почвенный азот гумуса.

Под клевером учитывали поступление в почву азота в результате фиксации его клубеньковыми бактериями, которая составляла 70% общего выноса азота культурой.

Коэффициенты гумификации сухой массы пожнивно-корневых остатков сельскохозяйственных культур следующие: клевер — 0,18; зерновые культуры — 0,15; картофель — 0,05.

Результаты исследования. Исследование, проводимое в многофакторном полевом опыте, показало возможность управления балансом углерода в полевых севооборотах с применением различных систем удобрения (табл. 2). Баланс углерода в почве значительно варьировал (от 0,23 до 2,20 т/га).

В зернотравяно-паровом севообороте без применения минеральных удобрений баланс углерода был наименьшим (0,23 т/га), что связано с присутствием в структуре севооборота чёрного пара, в котором интенсивно протекали процессы минерализации почвенного органического вещества, содержа-

1. Схемы севооборотов

Зернотравяно-паровой Зернотравяно-пропашной

1. Овёс с подсевом трав 2. Многолетние травы первого года пользования (клевер) 3. Многолетние травы второго года пользования 4. Ячмень 5. Чёрный пар 6. Яровая пшеница 1. Ячмень с подсевом трав 2. Многолетние травы первого года пользования (клевер) 3. Многолетние травы второго года пользования 4. Озимая пшеница 5. Картофель 6. Яровая пшеница

2. Структуры баланса углерода в севообороте, т/га

Баланс углерода, т/га

Зернотравяно-паровой севооборот Нулевой Поддерживающий Зернотравяно-пропашной севооборот Интенсивный Высокоинтенсивный

Овёс Многолетние травы 1-го и 2-го года пользования Ячмень Чёрный пар Яровая пшеница Итого: -0,54 1,58 -0,75 -1,16 1,09 0,23 -0,10 1,66 -0,01 -1,16 1,44 1,83 Ячмень Многолетние травы 1-го и 2-го года пользования Озимая пшеница Картофель Яровая пшеница Итого: 0,04 2,67 0,29 -0,91 0,12 2,20 0,02 2,68 0,25 -0,85 0,08 2,17

Гумификация пожнивных остатков

Овёс Многолетние травы 1-го и 2-го года пользования Ячмень Чёрный пар Яровая пшеница Итого: 0,09 0,36 0,11 0,00 0,07 0,64 0,10 0,39 0,11 0,00 0,08 0,67 Ячмень Многолетние травы 1-го и 2-го года пользования Озимая пшеница Картофель Яровая пшеница Итого: 0,12 0,43 0,08 0,04 0,09 0,75 0,12 0,43 0,08 0,03 0,08 0,75

Гумификация корневых остатков

Овёс Многолетние травы 1-го и 2-го года пользования Ячмень Чёрный пар Яровая пшеница Итого: 0,18 3,03 0,32 0,00 0,18 3,71 0,19 3,23 0,31 0,00 0,20 3,92 Ячмень Многолетние травы 1-го и 2-го года пользования Озимая пшеница Картофель Яровая пшеница Итого: 0,34 3,85 0,22 0,07 0,21 4,68 0,36 3,79 0,23 0,06 0,20 4,63

Гумификация соломы и органических удобрений

Овёс Многолетние травы 1-го и 2-го года пользования Ячмень Чёрный пар 0,46 0,00 0,64 0,00 0,51 0,00 0,62 0,00 Ячмень Многолетние травы 1-го и 2-го года пользования Озимая пшеница Картофель 0,72 0,00 0,47 0,00 0,78 0,00 0,49 0,00

Яровая пшеница 0,33 1,40 0,36 1,40 Яровая пшеница 0,36 0,36

Итого: 2,83 2,89 Итого: 1,56 1,62

Минерализация

Овёс Многолетние травы 1-го и 2-го года ползования Ячмень Чёрный пар Яровая пшеница Итого: 1,27 1,82 1,81 1,16 0,88 6,95 0,90 1,96 1,05 1,16 0,59 5,65 Ячмень Многолетние травы 1-го и 2-го года ползования Озимая пшеница Картофель Яровая пшеница Итого: 1,15 1,61 0,48 1,00 0,54 4,78 1,24 1,54 0,55 0,93 0,56 4,82

щего 1,2 т/га углерода. Однако эти потери были компенсированы внесением 40 т/га органических удобрений под яровую пшеницу. Их гумификация увеличивала содержание органического углерода в почве на 1,4 т/га.

Также в зернотравяно-паровом севообороте при нулевом фоне применения удобрений высокие значения потерь почвенного углерода выявлены под такими культурами, как овёс (-0,54 т/га) и ячмень (-0,75 т/га). Использование минеральных удобрений на поддерживающем уровне повлекло снижение потерь почвенного углерода, что привело к практически нейтральным значениям баланса углерода под культурами: овёс (-0,1 т/га), ячмень (-0,01 т/га).

При интенсивном и высокоинтенсивном уровнях применения минеральных удобрений отрицательный баланс в почве под картофелем колебался

в пределах от -0,85 до -0,95 т/га. Полученные значения определялись низкими значениями приходных статей баланса, включая относительно небольшое накопление углерода за счёт гумификации корневых остатков (от 0,06 до 0,07 т/га) и ограниченным поступлением пожнивных остатков (от 0,03 до 0,04 т/га). На фоне перечисленных низких показателей приходных статей баланса углерода выявлены высокие значения минерализации гумуса, которые составляли 0,93—1,00 т/га углерода.

Наиболее значительный положительный баланс углерода выявлен под многолетними травами (клевер) и составлял 2,67—2,68 т/га в зернотравяно-пропашном севообороте и 1,58—1,66 т/га — в зернотравяно-паровом. При этом основной приходной статьёй баланса углерода была гумификация корневых остатков многолетних трав (3,03—3,85

т/га), пожнивных остатков (0,36—0,43 т/га). Величина минерализации была существенно меньше количества образования углерода и составляла 1,54-1,96 т/га.

Близким к нулевому оказался баланс углерода в пахотной почве зернотравяно-пропашного севооборота при интенсивном и высокоинтенсивном фонах применения удобрений под культурами ячменя (0,02-0,04 т/га) и яровой пшеницы (0,08— 0,12 т/га). Приходные статьи баланса углерода составляли: гумификация корневой массы ячменя - 0,34-0,36 т/га и яровой пшеницы - 0,21 т/га, пожнивных остатков ячменя — 0,12 т/га и яровой пшеницы - 0,09 т/га, соломы - 0,72-0,78 и 0,36 т/га соответственно. Величина минерализации углерода гумуса под ячменем была равна 1,15— 1,24 т/га, что в 2 раза выше, чем под яровой пшеницей (0,55 т/га).

Баланс углерода под озимой пшеницей составлял 0,25—0,29 т/га. Приходные статьи баланса углерода представлены гумификацией корневой массы (0,23 т/га), пожнивных остатков (0,08 т/га) и соломы (0,48 т/га). Минерализация углерода гумуса в почве под озимой пшеницей варьировала от 0,48 до 0,55 т/га. Высокие значения баланса углерода под озимой пшеницей в сравнении с другими зерновыми культурами связаны с накоплением в 1,2 раза больше корневых и пожнивных остатков и их гумификацией.

Увеличение количества применяемых минеральных удобрений привело к снижению потерь почвенного углерода. Оно связано с формированием большей биомассы зерновых, с увеличением пожнивно-корневых и соломистых остатков. Более высокое накопление углерода гумуса во втором севообороте по сравнению с первым объясняется как увеличением корневых и пожнивных остатков, оставляемых многолетними травами, так и изменением структуры севооборота, включающим замену чёрного пара пропашной культурой и ячменя озимой пшеницей.

Таким образом, оптимальным вариантом для накопления почвенного органического углерода является структура зернотравяно-пропашного севооборота с удельным весом многолетних трав 34%, озимой пшеницы — 16%, яровых зерновых —

34%, картофеля — 16% при внесении минеральных удобрений. Выводы

1. Полученные расчётные данные баланса углерода позволяют проанализировать тренды изменений в содержании углерода гумуса для выработки оптимальных способов управления его содержанием.

2. Корректировка структуры севооборотов и применение минеральных удобрений способна создать условия для обеспечения положительного баланса углерода гумуса на серых лесных почвах Ополья.

3. Подбор культур по их влиянию на углеродный баланс почвы позволяет перейти к управлению его содержанием в почве в целях сохранения плодородия и минимизации выбросов СО2 в атмосферу.

Литература

1. Lal R. 2013. Soil carbón management and climate change. CarbonManagement, 4:4, 439-462.

2. Minasny B., Malone B.P., McBratney A.B., Field D.J., Odeh I., Padarian J., Stockmann U., Angers D.A., McConkey B.G., Arrouays D., Martin M., Richer-de-Forges A.C., Chambers A., Chaplot V., Chen Z.-S., Tsui C.-C., Cheng K., Pan G., Das B.S., Gimona A., I. Savin, V. Stolbovoy et al., 2017. Soil Carbon 4 PER MILLE, Geoderma. V. 292. p. 59-86.

3. FAO,2013. Climate-Smart Agriculture Sourcebook. FAO, Rome, Italy.

4. Bernoux M., Paustian K. (2015). Climate Change Mitigation. In: Banwart S. A., Noellemeyer, E., Milne, E., eds. Soil Carbon: Science, management and policy for multiple benefits. SCOPE Series 71.CABI, Wallingford, UK. 224-234.

5. Лыков А.М., Еськов А.И., Новиков М.Н. Органическое вещество пахотных почв Нечерноземья. М.: Россельхоз-академия - ГНУВНИПТИОУ, 2004. 630 с.

6. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015. 223 с.

7. Окорков В.В., Окоркова Л.А., Фенова О.А. Изменение содержания гумуса на серых лесных почвах при длительном применении удобрений // Российская сельскохозяйственная наука. 2016. № 1. С. 21-26.

8. Окорков В.В. Влияние удобрений на изменение содержания и группового состава почвенного органического вещества серых лесных почв Ополья // Динамика показателей плодородия почв и комплекс мер по их регулированию при длительном применении систем удобрения в разных почвенно-климатических зонах: матер. междунар. науч. конф. / под ред. В.Г. Сычева. М., 2018. С. 221-232.

9. Окорков В.В. Приёмы применения агрохимических средств на землях с неоднородным почвенным покровом во Владимирском Ополье / В.В. Окорков, А.А. Григорьев, О.А. Фенова [и др.]. Владимир: ВООО ВОИ «Рост», 2010. 188 с.

10. Методические рекомендации расчёта баланса гумуса почв при разработке проекта внутрихозяйственного землеустройства. М., 1989.

11. Крылатов A.K. и др. Динамика баланса гумуса на пахотных землях Российской Федерации / Госкомзем России. М., 1998. 60 с.

Способы восстановления плодородия почвы на нарушенных землях

С.Г. Чекалин, к.с.-х.н, Б.А. Зимхан, магистрант, Западно-Казахстанский ГУ

Деградация земель в Казахстане вызвана комплексом причин антропогенного характера, которые значительно изменили структуру тепло- и вла-

гообмена ландшафтов, нарушили их радиационный баланс, ослабили регулярно-восстановительный потенциал [1, 2].

В последние годы особую актуальность стали приобретать действия техногенного характера. Это в первую очередь деятельность промышленных