Assessment of carbon balance components in agroecosystems with traditional and zero chernozem treatments

Full Text

Оценка баланса углерода (С) в агроценозах важна для понимания потенциала его секвестрации. Баланс С определяют через показатель NEP (net ecosystem exchange, чистая экосистемная продукция), который отражает количество валовой первичной продукции (GPP) за вычетом экосистемного дыхания (Re) [1]. Отрицательные значения NEP указывают на то, что экосистема является источником СО₂ в атмосферу, а положительные – стоком С. Величина NEP во многом зависит от подходов к обработке земель [2]. При нулевой обработке почвы (прямой посев) отмечают снижение эмиссии СО₂ и увеличение поступления С с растительными остатками по сравнению с традиционным подходом [3]. В результате, прямой посев способствует накоплению органического С в верхнем гумусово-аккумулятивном горизонте почвы по сравнению со вспашкой [4-7]. Анализ глобальной базы данных показал, что переход от традиционной обработки почвы к нулевой может обеспечить секвестрацию С в среднем со скоростью 0.57 т С / га в год [8]. Однако ее скорость и изменение составляющих углеродного баланса в агроценозах с нулевой обработкой почвы может значительно различаться в зависимости от севооборота, климатических характеристик, системы внесения удобрений и др. В связи с этим разработка мер по сокращению выбросов СО₂ за счет внедрения и применения ресурсосберегающих технологий в агроэкосистемах, должна быть основана на анализе результатов углеродного баланса для широкого ряда агроландшафтных условий.

Цель исследований: провести сравнительную оценку баланса С в условиях нулевой и традиционной обработок чернозема в агроценозах лесостепной (Самарская обл.) и степной зон (Краснодарский край) Европейской территории России.

Задачи исследований: анализ составляющих баланса С в изученных агроценозах: продуктивность сельскохозяйственных культур и динамика почвенной эмиссии СО₂.

Материалы и методы исследований. На территории агрохозяйств в Самарской обл., (Похвистневский р-н) и Краснодарском крае (Крымский р-н) было выбрано по 2 производственных поля с нулевой и традиционной обработками почвы, расположенных в непосредственной близости друг к другу (табл. 1). Почвы агроценозов Самарской обл. сформированы в автоморфном ландшафте (186-194 м н.у.м) и характеризуются периодически промывным водным режимом. Почвы агроценозов Краснодарского края расположены значительно ниже по рельефу (11-12 м н.у.м) и имеют паводковый водный режим, являясь территорией бывших плавней (осушена в конце 1960-х гг.). Изученные почвы диагностировали как агрочерноземы тяжелосуглинистые. Содержание органического С в 0-10 см слое почвы с традиционной и нулевой обработками составило в среднем 4,2 и 4,5% в Самарской обл. соответственно [7], 1,9 и 1,7% в Краснодарском крае. Основные физические и химические свойства верхнего 0-10 см слоя исследуемых агрочерноземов представлены в таблице 2.

 

Таблица 1

Характеристика исследуемых полей с традиционной и нулевой обработками почвы и возделываемые культуры (2022–2024)

Регион	Обработка	ГК**, с.ш. / в.д.	Площадь, га	Возделываемая культура
				2022 г.	2023 г.	2024 г.
Самарская обл.	Вспашка	53.80° / 51.90°	42	яровая пшеница	подсолнечник	чистый пар
	Нулевая с 2018 г.	53.81° / 51.90°	88	яровая пшеница	соя	яровая пшеница
Краснодарский край	Вспашка	45.02° / 37.92°	45	озимая пшеница	озимая пшеница	озимая пшеница
	Нулевая с 2016 г.	45.02° / 37.93°	74	озимая пшеница	кукуруза	озимая пшеница

*до 20-25 см; **географические координаты

 

Таблица 2

Плотность сложения (ПЛ) и химические свойства исследуемых агрочерноземов (0-10 см слой) с традиционной и нулевой (НЛ) обработками. Значения представлены как среднее арифметическое ± стандартная ошибка среднего для n = 30

Регион	Обработка	ПЛ, г см-3	рНводн	Сорг, %	Сорг/N	K2O, мг кг-1	P2O5, мг кг-1
Самарская обл.	Вспашка	1,00 ± 0,02	7,2 ± 0,1	4,2 ± 0,1	12,0 ± 0,1	223 ± 12	61 ± 10
	НЛ с 2018 г.	1,06 ± 0,02	6,9 ± 0,1	4,5 ± 0,2	12,3 ± 0,1	218 ± 18	95 ± 9
Краснодарский край	Вспашка	1,28 ± 0,02	7,1 ± 0,1	1,9 ± 0,0	12,1 ± 0,1	309 ± 18	7 ± 1
	НЛ с 2016 г.	1,35 ± 0,01	7,1 ± 0,1	1,7 ± 0,0	12,3 ± 0,2	266 ± 37	5 ± 1

Примечание: С_орг рассчитан по разнице содержания общего С (метод сухого сжигания) и С карбонатов (манометрический метод); K₂O и P₂O₅ определены по ГОСТ 26204-91 для Самарской обл. и ГОСТ 26205-91 для Краснодарского кр.

 

В Самарской области севооборот и стратегия управления элементами минерального питания за 2022-2024 гг. существенно различались между выбранными производственными полями. На поле с традиционной обработкой возделывались яровая пшеница и подсолнечник без применения минеральных удобрений и включением на 3-й год чистого пара (табл. 1). На поле с нулевой обработкой возделывались яровая пшеница и соя с внесением перед их посевом аммиачной селитры в дозах 100 и 60 кг/га (~N₃₄ и N₂₀) соответственно. В Краснодарском крае севооборот также различался между выбранными объектами, включая только озимую пшеницу для поля с традиционной обработкой и ее чередование с кукурузой для поля с нулевой обработкой. Применение удобрений для варианта с традиционной обработкой осуществлялось по следующей схеме: 100 кг/га диаммофоса (~N₁₈P₅₀) перед посевом озимой пшеницы, 200 кг/га аммиачной селитры (~N₉₈) для подкормки ее весной и 100 кг/га сульфоаммофоса (~N₂₀P₂₀S₁₄) под вспашку после уборки урожая. Перед посевом кукурузы для варианта с нулевой обработкой использовали 120 кг/га аммиачной селитры (~N₄₀), перед посевом озимой пшеницы – 100 кг/га диаммофоса (~N₁₈P₅₀) без дополнительной подкормки весной. Указанная информация об условиях возделывания сельскохозяйственных культур была установлена в результате интервьюирования владельцев исследуемых производственных полей. В каждом агроценозе было выбрано по 10 пространственно-удаленных точек и установлены воротники-основания для измерения почвенной эмиссии СО₂. Почвенную эмиссию измеряли в течение вегетационного периода 2024 г. (20.05-26.08 и 12.06-05.10 в Самарской области и Краснодарском крае соответственно) каждые две недели методом закрытых камер с помощью инфракрасного газоанализатора с непрерывной циркуляцией воздуха (AZ Instruments, Senseair K30, Швеция). За период измерений средняя температура воздуха составила 17°С и 24 °С для Самарской области и Краснодарского края, количество осадков – 236 мм и 202 мм соответственно (01.05–30.09.2024; метеостанции «Бугуруслан» и «Анапа»).

Перед уборкой урожая для каждого поля отбирали надземную биомассу культур (зерно, стебли / листья) с площадок 30×30 см в 10-ти точках исследования. В трех точках каждого поля учитывали также корневую биомассу в монолитах 15×15 см и мощностью 10-15 см. Содержание С в растительных остатках измеряли на анализаторе ECS 8024, NC Technologies, Италия (сжигание при t=1100°C).

На основе полученных данных рассчитывали NEP за изученный вегетационный период: NEP=GPP–Re, где GPP, валовая первичная продукция (суммарное содержание С в надземной и корневой биомассе растений, т С / га); Re, экосистемное дыхание или Ra+Rs, где Ra, дыхание надземной части растений. Ra рассчитано на основе литературных данных и составляет 40% от сухой надземной биомассы [9]; Rs, дыхание почвы (почвенная эмиссия СО₂).

Проведен прогноз долгосрочной динамики (с 2023 по 2100 гг.) составляющих баланса углерода: чистая первичная продукция (NPP) и микробное дыхание почвы (Rh), разница между ними позволяет получить величину NEP. Прогноз учитывал два сценария изменения климата: SSP2-4.5 и SSP5-8.5, предполагающие увеличение глобальной температуры воздуха на 2.7°С и 4.4°С к 2100 г. соответственно. Выбранные сценарии считаются экспертами МГЭИК наиболее реалистичными исходя из современных тенденций социально-экономического развития [10]. Прогноз был осуществлен с помощью модели DNDC, включая измеренные данные почвенных свойств (гранулометрический состав, содержание C, рН, плотность). Условия возделывания культур (севооборот, сроки посева/уборки, сроки/дозы/способ внесения удобрений, доля оставшейся массы листьев/стеблей после уборки урожая, сроки/способ обработки почвы) инициализированы в модели на основе актуальных данных для изученных агроценозов. В модели был задан следующий севооборот: подсолнечник-соя-яровая пшеница в агрохозяйствах Самарской обл., кукуруза-подсолнечник-озимая пшеница – Краснодарского края. Входные метеорологические данные (суточные максимальные и минимальные температуры, осадки, относительная влажность, скорость ветра) за 2022–2024 гг. были получены с ближайших метеостанций, за 2025–2100 гг. – на основе модели общей циркуляции атмосферы EC-Earth3 [11].

Результаты исследования. Влияние нулевой обработки на продуктивность была оценена для агрохозяйства Краснодарского края, поскольку на двух сравниваемых полях в 2024 году возделывалась одна культура – озимая пшеница. Урожайность при использовании нулевой обработки была в среднем на 9% выше, чем при традиционной вспашке. При этом различия в общей биомассе (зерно + стебли/листья + корни) было еще больше: +41% при нулевой обработке (рис. 1А). В Самарской области на поле с нулевой обработкой возделывалась яровая пшеница, в то время как на поле со вспашкой был чистый пар. Низкая урожайность яровой пшеницы (в среднем 7 ц/га) в исследуемом году объяснялась неблагоприятными погодными условиями (поздние заморозки и обильные дожди в период созревания).

 

Рис. 1. Биомасса пшеницы (яровая/озимая для Самарской обл./Краснодарского кр.) (А), суммарная эмиссия СО₂ из почвы за вегетационный период (20.05-26.08.2024/12.06-05.10.2024) (Б) и баланс углерода (NEP) за вегетационный период для агроценозов с нулевой и традиционной обработками (среднее ± ст. ошибка среднего, n = 10; *p ≤0,05, **0,01, ***0.001 для t-критерий Уэлча)

 

Суммарная эмиссия СО₂ за вегетационный период для агрочерноземов Краснодарского края была в 1,3 раза ниже при нулевой обработке, чем при традиционной вспашке (рис. 1Б). Для Самарской области, напротив, этот показатель был в 1,1 раза ниже для парующего пахотного поля из-за отсутствия корневого дыхания в отличие от поля с нулевой обработкой. Однако при уравнивании условий для двух сравниваемых полей (вычет вклада корней; ~30% от эмиссии СО₂), микробное дыхание почвы агрочерноземов со вспашкой было в 1,2 раза больше, чем при использовании нулевой обработки. Это объясняется усилением минерализации органического вещества почвы, вызванного нарушением сложения ее поверхностного горизонта и насыщением кислородом в условиях регулярной вспашки. Так для чистого пара Самарской области в течение исследуемого вегетационного периода было выполнено 5 культиваций/обработок для удаления сорняков.

Анализ баланса С в течение вегетационного периода показал, что при использовании нулевой обработки NEP либо стремится к нулю (Самарская область), либо указывает на увеличение стока С в 3,4 раза (Краснодарский край) по сравнению с традиционной обработкой (рис. 1В).

Согласно двум сценариям изменения климата SSP2-4.5 и SSP5-8.5 среднегодовая температура воздуха к 2100 г. увеличится на 2,9 и 6,4°С в Самарской области (с 4,9°С до 7,8°С и 11,3°С) и на 2,2 и 5,1°С в Краснодарском крае (с 13,1°С до 15,3°С и 18,2°С) соответственно. При этом количество осадков в Самарской области возрастет на 16 мм и 70 мм (с 549 мм до 565 мм и 618 мм), а в Краснодарском крае уменьшится на 38 мм и 76 мм (с 757 мм до 719 мм и 681 мм) соответственно. Несмотря на прогнозируемые различия, климат в Краснодарском крае будет по-прежнему более теплым и влажным, чем в Самарской обл.

Долгосрочный прогноз баланса С показал разные прогнозируемые тенденции для двух исследуемых регионов. Так в более засушливом климате Самарской области длительное применение нулевой обработки почвы в условиях заданного севооборота будет в целом способствовать увеличению продуктивности возделываемых культур в среднем на 3% и 4% (сценарии SSP2-4.5 и SSP5-8.5 соответственно) при одинаковых уровнях минерализации органического вещества относительно вспашки (табл. 3). Отсюда и показатель NEP будет увеличиваться в среднем на 12% при использовании данной агротехнологии. При этом в более влажном климате Краснодарского края ожидается снижение продуктивности возделываемых культур на 3% при аналогичной скорости эмиссии СО₂ относительно вспашки. Поэтому в противоположность Самарской области, использование технологии нулевой обработки в Краснодарском крае будет снижать чистую экосистемную продукцию в среднем на 4% относительно традиционной вспашки.

 

Таблица 3

Прогноз количества чистой первичной продукции (NPP, т С/га в год), микробного дыхания (Rh, т С/га в год) и экосистемного баланса С (NEP, т С/га в год) при использовании традиционной и нулевой обработок агрочерноземов в Самарской области и Краснодарском крае в среднем за 2023-2100 гг. (78 лет)

Обработка	NPP		Rh		NEP
	SSP2-4.5	SSP5-8.5	SSP2-4.5	SSP5-8.5	SSP2-4.5	SSP5-8.5
Самарская область
Вспашка	3,77	4,32	2,88	3,27	0,88	1,05
Нулевая с 2018	3,88	4,49	2,88	3,29	1,00	1,19
Краснодарский край
Вспашка	5,26	5,45	4,32	4,45	0,92	0,99
Нулевая с 2016	5,12	5,29	4,23	4,33	0,88	0,96

 

Как и предполагалось, распределение составляющих С баланса в агроценозах с традиционной и нулевой обработками определяется климатическими условиями, системой севооборота и видом сельскохозяйственной культуры. Так, в Самарской области прогнозируется, что агроценоз подсолнечника будет источником СО₂, а не стоком С (рис. 2). В этом случае отрицательный баланс С связан с потерями С за счет низкой обеспеченности агроценозов чистой первичной продукцией и усилением процессов минерализации органического вещества почвы, что особенно характерно для нулевой обработки в условиях стремительного потепления климата (рис. 3А, Б). Возделывание сои и яровой пшеницы обеспечит положительный баланс С в изученных агроценозах. Важно отметить, что использование данных культур в севообороте способствует увеличению NEP на 11-25% в условиях нулевой обработки почвы относительно вспашки независимо от сценария изменения климата. Такая тенденция объясняется в основном снижением потерь С (на 4-7%) в процессе микробного дыхания почвы в агроценозе с нулевой обработкой (значимо для сои, сценарий SSP2-4.5) по сравнению с традиционной.

 

Рис. 2. Распределение прогнозных значений баланса С (NEP) при использовании традиционной и нулевой обработок агрочерноземов под разными сельскохозяйственными культурами в Самарской области за 2023-2100 гг. с учетом SSP2-4.5 и SSP5-8.5 сценариев изменения климата

 

Рис. 3 Среднее значение ± стандартное отклонение составляющих баланса углерода: чистая первичная продукция (NPP) и микробное дыхание (Rh) при использовании традиционной и нулевой обработок агрочерноземов под разными сельскохозяйственными культурами в Самарской области за 2023-2100 гг. с учетом SSP2-4.5 (А) и SSP5-8.5 (Б) сценариев изменения климата (n = 25, 26, 27 для сои, яровой пшеницы и подсолнечника соответственно; *p ≤0.05, t-критерий Уэлча, сравнение между традиционной и нулевой обработками для каждой культуры и показателя отдельно)

 

Также, как и в агроценозах Самарской области, возделывание подсолнечника в Краснодарском крае приведет к отрицательному балансу С для обоих типов обработок (рис. 4), поскольку потери С в результате минерализации органического вещества почвы будут превышать в 1,5-1,7 раз его поступление с растительной биомассой (рис. 5А, Б). В агроценозах с озимой пшеницей в условиях нулевой обработки ожидается отрицательный баланс С (NEP = -3,13 и -3,92 т С/га в год для SSP2-4.5 и SSP5-8.5 соответственно) по сравнению со вспашкой (1,11 и 0,99 т С/га в год). Это объясняется тем, что в отличие от нулевой обработки применение вспашки увеличит чистую первичную продуктивность озимой пшеницы на фоне небольших потерь С в процессе микробного дыхания. При этом возделывание кукурузы в условиях нулевой обработки приведет к значительному увеличению показателя NEP на 52 и 53% с учетом умеренного и агрессивного сценариев изменения климата соответственно. В данном случае применение нулевой обработки значимо повысит продуктивность агроценоза (на 28-31%) и снизит микробное дыхание почвы (на 15-17%) относительно вспашки.

 

Рис. 4. Распределение прогнозных значений баланса С (NEP) при использовании традиционной и нулевой обработок агрочерноземов под разными сельскохозяйственными культурами в Краснодарском крае за 2023-2100 гг. с учетом SSP2-4.5 и SSP5-8.5 сценариев изменения климата

 

Рис. 5. Среднее значение ± стандартное отклонение составляющих баланса углерода: чистая первичная продукция (NPP) и микробное дыхание (Rh) при использовании традиционной и нулевой обработок агрочерноземов под разными сельскохозяйственными культурами в Краснодарском крае за 2023-2100 гг. с учетом SSP2-4.5 (А) и SSP5-8.5 (Б) сценариев изменения климата (n = 25, 26, 27 для сои, яровой пшеницы и подсолнечника соответственно; **p ≤0.05, **0.01, ***0.001, t-критерий Уэлча, сравнение между традиционной и нулевой обработками для каждой культуры и показателя отдельно)

 

Полученные тенденции в целом соответствуют выводам глобального мета-анализа [12], показавшего разное влияние нулевой обработки почвы на продуктивность возделываемых культур в зависимости от климата и выбора самих культур. Так применение нулевой технологии в засушливом климате способствует увеличению урожайности пшеницы, кукурузы, бобовых и масличных культур в среднем на ~3-10% относительно вспашки из-за повышения почвенных влагозапасов и эффективности их использования. В то время как во влажном климате, напротив, отмечается снижение их урожайности из-за ухудшения роста корневой системы, обусловленной уплотнением и снижением аэрированности почвы в условиях нулевой обработки.

Заключение. Экспериментальные данные составляющих баланса С в агроценозах лесостепной и степной зон за вегетационный период указывают на определенную эффективность нулевой обработки в его секвестрации, что обусловлено, с одной стороны, повышением продуктивности культур, с другой – снижением почвенной эмиссии СО₂. Смоделированные данные показали, что в долгосрочной перспективе (до 2100 г.), учитывая умеренный и агрессивный сценарии изменения климата, в условиях заданного севооборота (подсолнечник-соя-яровая пшеница) и применения нулевой обработки ожидается увеличение продуктивности возделываемых культур при одинаковых уровнях минерализации органического вещества почвы относительно вспашки в Самарской области. В агроценозах Краснодарского края при заданном севообороте (кукуруза-подсолнечник-озимая пшеница) прогнозируется снижение продуктивности возделываемых культур при аналогичной скорости эмиссии СО₂ относительно вспашки. При этом важно учитывать, что баланс С в долгосрочной перспективе зависит от вида возделываемой культуры. Агроценоз подсолнечника будет источником СО₂, а не стоком С для обоих изученных регионов независимо от способа обработки агрочерноземов. Эффективность нулевой обработки также зависит от вида сельскохозяйственной культуры. В Самарской области ее применение совместно с возделыванием яровой пшеницы и сои приведет к увеличению стока С в агроэкосистеме за счет снижения микробного дыхания почвы относительно вспашки. В Краснодарском крае возделывание кукурузы по сравнению с озимой пшеницей наиболее эффективно в сочетании с нулевой обработкой, в таких условиях будет отмечаться рост чистой первичной продукции и снижение почвенного микробного дыхания, что указывает на высокий потенциал такого агроценоза к секвестрации С.

About the authors

Kristina V. Ivashchenko

Institute of Physico-Chemical and Biological Problems of Soil Science of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: ivashchenko.kv@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8397-158X

Candidate of Biological Sciences

Russian Federation, Pushchino

Sofya V. Sushko

Institute of Physico-Chemical and Biological Problems of Soil Science of the Russian Academy of Sciences

Email: rogovaja7@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0664-7641

Candidate of Biological Sciences, Researcher

Russian Federation, Pushchino

Alexey V. Dobrokhotov

Institute of Physico-Chemical and Biological Problems of Soil Science of the Russian Academy of Sciences; Agrophysical Research Institute

Email: dobralexey@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-9368-6229

Candidate of Biological Sciences, Researcher

Russian Federation, Pushchino; Saint Petersburg

Elena A. Zakharova

SamSMU

Email: orineon@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7287-5960

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

Russian Federation, Samara

Dmitry A. Khoroshaev

Institute of Physico-Chemical and Biological Problems of Soil Science of the Russian Academy of Sciences

Email: d.khoroshaev@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8044-7635

Candidate of Biological Dciences, Researcher

Russian Federation, Pushchino

Natalia M. Trots

Samara State Agrarian University

Email: troz_shi@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3774-1235

Doctor Of Agricultural Sciences, Professor, Leading Researcher

Russian Federation, Ust-Kinelsky, Samara Region

Lyudmila V. Orlova

Orlovka – AIC

Email: orlova.rmrl@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6941-8523

Candidate of Economic Sciences

Russian Federation, Samara region, Stary Amanak village

References

Supplementary files