Bulletin Samara State Agricultural AcademyBulletin Samara State Agricultural AcademyИзвестия Самарской государственной сельскохозяйственной академии1997-32252782-4225Samara State Agrarian University68984410.55170/1997-3225-2025-10-4-3-10AGRICULTUREСЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВОResearch ArticleAssessment of carbon balance in agroecosystems under conventional and no-tillage of chernozemsОценка составляющих баланса углерода в агроэкосистемах с традиционной и нулевой обработками черноземовhttps://orcid.org/0000-0001-8397-158XIvashchenkoKristina V.ИващенкоКристина Викторовна
Russian Federation

Candidate of Biological Sciences

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

ivashchenko.kv@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-0664-7641SushkoSofya V.СушкоСофья Владимировна
Russian Federation

Candidate of Biological Sciences, Researcher

кандидат биологических наук, научный сотрудник

rogovaja7@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9368-6229DobrokhotovAlexey V.ДоброхотовАлексей Вячеславович
Russian Federation

Candidate of Biological Sciences, Researcher

кандидат биологических наук, научный сотрудник

dobralexey@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-7287-5960ZakharovaElena A.ЗахароваЕлена Александровна
Russian Federation

Junior Researcher; Scientific and Educational Professional Center of Genetic and Laboratory Technologies

младший научный сотрудник; Научно-образовательный профессиональный центр генетических и лабораторных технологий

orineon@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8044-7635KhoroshaevDmitry A.ХорошаевДмитрий Александрович
Russian Federation

Candidate of Biological Dciences, Researcher

кандидат биологических наук, научный сотрудник

d.khoroshaev@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3774-1235TrotsNatalia M.ТроцНаталья Михайловна
Russian Federation

Doctor Of Agricultural Sciences, Professor, Leading Researcher

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ведущий научный сотрудник

troz_shi@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6941-8523OrlovaLyudmila V.ОрловаЛюдмила Владимировна
Russian Federation

Candidate of Economic Sciences

кандидат экономических наук

orlova.rmrl@gmail.comInstitute of Physico-Chemical and Biological Problems of Soil Science of the Russian Academy of SciencesИнститут физико-химических и биологических проблем почвоведения РАНAgrophysical Research InstituteАгрофизический научно-исследовательский институтSamSMUСамГМУSamara State Agrarian UniversityСамарский государственный аграрный университетOrlovka – AICОрловка – АИЦ0111202510431025082025Copyright ©; 2025, Ivashchenko K.V., Sushko S.V., Dobrokhotov A.V., Zakharova E.A., Khoroshaev D.A., Trots N.M., Orlova L.V.Copyright ©; 2025, Иващенко К.В., Сушко С.В., Доброхотов А.В., Захарова Е.А., Хорошаев Д.А., Троц Н.М., Орлова Л.В.2025Ivashchenko K.V., Sushko S.V., Dobrokhotov A.V., Zakharova E.A., Khoroshaev D.A., Trots N.M., Orlova L.V.Иващенко К.В., Сушко С.В., Доброхотов А.В., Захарова Е.А., Хорошаев Д.А., Троц Н.М., Орлова Л.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://bulletin.ssaa.ru/1997-3225/article/view/689844

The study focuses on the comparing of the carbon (C) balance in Chernozem agroecosystems under no-till and conventional tillage in the forest-steppe and steppe zones of European Russia (the Samara and Krasnodar regions). The C balance of agroecosystems was evaluated using net ecosystem production (NEP), which considers both net primary production and soil CO2 emission. Experimental NEP data were obtained for the growing season (May–October 2024), alongside predictive estimates for the period 2023–2100 under various climate change scenarios using the DNDC model. Pairs of fields under no-till and conventional tillage were selected from agricultural enterprises in the studied regions. Soil CO2 emission was measured at 10 spatially remote points within each agroecosystem using the closed chamber method during the growing season. The aboveground and root biomass of agricultural crops was sampled at the study sites before harvesting. The experimental data showed that the NEP values were close to zero under no-till in the Samara region, or indicated a 3.4-fold increase in the agroecosystem as a C sink in the Krasnodar region, compared to conventional tillage. Predictive estimates revealed that the C balance is largely determined by the type of crop. No matter what type of tillage is used, the agroecosystem with sunflowers will be a source of CO2 rather than a C sink. The most favourable conditions for increasing C stock (by 11–25%) in the agroecosystems of the Samara region are expected when spring wheat and soybeans are cultivated in combination with no-till farming, due to a (4–7%) decrease in soil microbial respiration compared to ploughing. In the agroecosystem of the Krasnodar region, cultivating corn alongside no-till farming is the most effective way to increase the C stock, due to an increase in net primary production (by 28–31%) and a decrease in soil microbial respiration (by 15–17%).

Цель исследования – сравнительная оценка баланса углерода (С) при нулевой и традиционной обработках чернозема в агроценозах лесостепной и степной зон Европейской территории России (Самарская обл. и Краснодарский край). Баланс С агроценозов оценивали через показатель NEP – чистая экосистемная продукция, учитывая чистую первичную продукцию и почвенную эмиссию СО2. В результате исследования получены экспериментальные данные NEP за вегетационный период (май-октябрь 2024 г.) и прогнозные оценки с помощью модели DNDC за период 2023–2100 гг. при различных сценариях изменения климата. На территории агрохозяйств в изученных регионах было выбрано по 2 производственных поля с нулевой и традиционной обработками почвы. В каждом агроценозе измерения почвенной эмиссии СО2 проводили в 10 пространственно-удаленных точках методом закрытых камер в течение вегетационного периода. Перед уборкой урожая в точках исследования отбирали надземную и корневую биомассу сельскохозяйственных культур. Экспериментальные данные показали, что значения NEP при использовании нулевой обработки либо стремятся к нулю (Самарская область), либо указывают на увеличение стока С в агроэкосистеме в 3,4 раза (Краснодарский край) по сравнению с традиционным подходом. На основе прогнозных оценок выявлено, что баланс С во многом определяется видом возделываемой культуры. Независимо от типа обработки почвы агроценоз подсолнечника будет источником СО2, а не стоком С. Наиболее благоприятные условия для увеличения стока С (на 11–25%) в агроэкосистемах Самарской обл. ожидаются при возделывании яровой пшеницы и сои в сочетании с нулевой обработкой за счет снижения (на 4–7%) микробного дыхания почвы по сравнению со вспашкой. В агроценозах Краснодарского края возделывание кукурузы вместе с нулевой обработкой наиболее эффективно для увеличения стока С в результате увеличения чистой первичной продукции (на 28–31%) и снижения почвенного микробного дыхания (на 15–17%).

net primary productionnet ecosystem productionDNDC modelclimate changesoil CO2 emissionчистая первичная продукциячистая экосистемная продукциямодель DNDCизменение климатапочвенная эмиссия СО2The research was carried out as part of the youth laboratory's state assignment (No. 125061107005-4). The soil's chemical properties were determined using the shared analytical facilities of the Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science at the Russian Academy of Sciences.Исследование выполнено рамках государственного задания молодежной лаборатории (тема № 125061107005-4). Анализы химических свойств почв выполнены в ЦКП ИФХиБПП РАН.Chapin F. S., Woodwell G. M., Randerson J. T., Rastetter E. B., Lovett G. M., Baldocchi D. D., Clark D. A., Harmon M. E.; Schimel D. S.; Valentini R. et al. Reconciling carbon-cycle concepts, terminology, and methods // Ecosystems 2006. V. 9. P. 1041–1050. DOI: 10.1007/s10021-005-0105-7 EDN: LVAPYX7.Chapin F. S., Woodwell G. M., Randerson J. T., Rastetter E. B., Lovett G. M., Baldocchi D. D., Clark D. A., Harmon M. E.; Schimel D. S.; Valentini R. et al. Reconciling carbon-cycle concepts, terminology, and methods // Ecosystems 2006. V. 9. P. 1041-1050. DOI: 10.1007/s10021-005-0105-7 EDN: LVAPYXZhang S., Chen W., Wang Y., Li Q., Shi H., Li M., Sun Z., Zhu B., Seyoum G. Human interventions have enhanced the net ecosystem productivity of farmland in China // Nat Commun. 2024. V. 15. P. 10523. DOI: 10.1038/s41467-024-54907-6 EDN: VZETRP.Zhang S., Chen W., Wang Y., Li Q., Shi H., Li M., Sun Z., Zhu B., Seyoum G. Human interventions have enhanced the net ecosystem productivity of farmland in China // Nat Commun. 2024. V. 15. P. 10523. DOI: 10.1038/s41467-024-54907-6 EDN: VZETRPBono A., Alvarez R., Buschiazzo D. E., Cantet R. J. C. Tillage effects on soil carbon balance in a semiarid agroecosystem // Soil Science Soc of Amer J. 2008. V. 72. P. 1140–1149. DOI: 10.2136/sssaj2007.0250.Bono A., Alvarez R., Buschiazzo D. E., Cantet R. J. C. Tillage effects on soil carbon balance in a semiarid agroeco-system // Soil Science Soc of Amer J. 2008. V. 72. P. 1140-1149. DOI: 10.2136/sssaj2007.0250Johnson J., Reicosky D., Allmaras R., Sauer T., Venterea R., Dell C. Greenhouse gas contributions and mitigation potential of agriculture in the central USA // Soil and Tillage Research. 2005. V. 83. P. 73–94. DOI: 10.1016/j.still.2005.02.010.Johnson J., Reicosky D., Allmaras R., Sauer T., Venterea R., Dell C. Greenhouse gas contributions and mitigation potential of agriculture in the central USA // Soil and Tillage Research. 2005. V. 83. P. 73-94. DOI: 10.1016/j.still.2005.02.010Lu F., Wang X., Han B. Ouyang Z., Duan, X., Zheng H., Miao H. Soil carbon sequestrations by nitrogen fertilizer application, straw return and no‐tillage in China’s cropland // Global Change Biology. 2009. V. 15. P. 281–305. DOI: 10.1111/j.1365-2486.2008.01743.xLu F., Wang X., Han B. Ouyang Z., Duan, X., Zheng H., Miao H. Soil carbon sequestrations by nitrogen fertilizer application, straw return and no‐tillage in China's cropland // Global Change Biology. 2009. V. 15. P. 281-305. DOI: 10.1111/j.1365-2486.2008.01743.xPowlson D. S., Bhogal A., Chambers B. J., Coleman K. Macdonald A. J. Goulding K. W. T., Whitmore A. P. The potential to increase soil carbon stocks through reduced tillage or organic material additions in England and Wales: A case study // Agriculture, Ecosystems & Environment. 2012. V. 146. P. 23–33. DOI: 10.1016/j.agee.2011.10.004 EDN: PHUWPFPowlson D. S., Bhogal A., Chambers B. J., Coleman K. Macdonald A. J. Goulding K. W. T., Whitmore A. P. The po-tential to increase soil carbon stocks through reduced tillage or organic material additions in England and Wales: A case study // Agricul-ture, Ecosystems & Environment. 2012. V. 146. P. 23-33. DOI: 10.1016/j.agee.2011.10.004 EDN: PHUWPFIvashchenko, K. V., Sushko, S. V., Dvornikov, Yu. A., Mirny, L. A., Orlova, L. V., Ananyeva, N. D., Neprimerova, S. V., Yudina, A. V. Trots, N. M. Soil organic carbon stocks under no-tillage in the middle Volga region // Agrohimia. 2023. V. 12. P. 47–56. DOI: 10.31857/S0002188123110066 EDN: VGFOLD. (in Russian)Иващенко К. В., Сушко С. В., Дворников Ю. А., Мирный Л. А., Орлова Л. В., Ананьева Н. Д., Непримерова С. В., Юдина А. В. Троц Н. М. Запасы почвенного органического углерода при нулевой обработке почвы в условиях среднего Поволжья // Агрохимия. 2023. №12. С. 47-56. DOI: 10.31857/S0002188123110066 EDN: VGFOLDWest T. O., Post W. M. Soil organic carbon sequestration rates by tillage and crop rotation: A global data analysis // Soil Science Soc of Amer J. 2002. V. 66. P. 1930-1946. DOI: 10.2136/sssaj2002.1930.West T. O., Post W. M. Soil organic carbon sequestration rates by tillage and crop rotation: A global data analysis // Soil Science Soc of Amer J. 2002. V. 66. P. 1930-1946. DOI: 10.2136/sssaj2002.1930Gifford R. M. Plant respiration in productivity models: conceptualisation, representation and issues for global terrestrial carbon-cycle research // Functional Plant Biol. 2003. V. 30. P. 171. DOI: 10.1071/FP02083.Gifford R. M. Plant respiration in productivity models: conceptualisation, representation and issues for global terres-trial carbon-cycle research // Functional Plant Biol. 2003. V. 30. P. 171. DOI: 10.1071/FP02083IPCC. Climate Change 2021: The physical science basis. Contribution of working group I to the sixth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press: Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2021. 3949 p.Döscher R., Acosta M., Alessandri A., Anthoni P., Arsouze T., Bergman T., Bernardello R., Boussetta S., Caron L.-P., Carver, G. et al. The EC-Earth3 Earth system model for the coupled model intercomparison project 6 // Geosci. Model Dev. 2022. V. 15. P. 2973–3020. DOI: 10.5194/gmd-15-2973-2022 EDN: BIPXJU.Döscher R., Acosta M., Alessandri A., Anthoni P., Arsouze T., Bergman T., Bernardello R., Boussetta S., Caron L.-P., Carver, G. et al. The EC-Earth3 Earth system model for the coupled model intercomparison project 6 // Geosci. Model Dev. 2022. V. 15. P. 2973-3020. DOI: 10.5194/gmd-15-2973-2022 EDN: BIPXJUPittelkow C. M., Linquist B. A.; Lundy M. E., Liang X., Van Groenigen K. J., Lee J., Van Gestel N. Six J., Venterea R. T., Van Kessel C. When does no-till yield more? A global meta-analysis // Field Crops Research. 2015. V. 183. P. 156–168. DOI: 10.1016/j.fcr.2015.07.020 EDN: XYPKTXPittelkow C. M., Linquist B. A.; Lundy M. E., Liang X., Van Groenigen K. J., Lee J., Van Gestel N. Six J., Venterea R. T., Van Kessel C. When does no-till yield more? A global meta-analysis // Field Crops Research. 2015. V. 183. P. 156-168. DOI: 10.1016/j.fcr.2015.07.020 EDN: XYPKTX