Агрохимия, 2022, № 12, стр. 79-96

ВВЕДЕНИЕ

С позиций оценки круговорота и баланса углерода принципиальное значение имеет соотношение стоков и эмиссии СО₂, поскольку именно соотношение этих двух главных составляющих баланса определяет изменение атмосферной концентрации СО₂, которая неуклонно возрастает и усиливает парниковый эффект, приводящий к изменению глобального климата. Международное сообщество стремится ограничить темпы роста эмиссии парниковых газов, чтобы не допустить потепление климата к концу 21-го века не более чем на 2°С (Парижское соглашение). Сельскохозяйственное производство так же, как и промышленность, вносит свой вклад в повышение концентрации парниковых газов в атмосфере. Вид землепользования может как увеличивать эмиссию СО₂ в атмосферу, так и дополнительно абсорбировать из нее углерод (секвестрация) и переводить его в почвенный гумус с длительными временами пребывания углерода.

Для разрешения проблемы секвестрации СО₂ взоры обращаются прежде всего на возможность увеличения абсорбции углекислоты почвенно-растительными экосистемами, поскольку почва является основным хранилищем углерода, и ей принадлежит главная роль в секвестрации СО₂ атмосферы.

Уровень секвестрации углерода в почвах может быть оценен по отношению гетеротрофного дыхания почв к общему количеству чистой продукции фотосинтеза. Другими словами, секвестрация углерода определяется минерализационным потенциалом почв, который в свою очередь зависит от уровня чистой первичной продукции (NPP), чистой экосистемной продукции (NEP) и определяет краткосрочную неустойчивую секвестрацию углерода, а переход органического углерода из NEP в пул чистой биомной продукции (NBP) зависит от почвенно-экологических, климатических, временных и других факторов. Пополнение пула органического углерода в почве происходит за счет NPP и NEP, которые представляют собой наземные растительные остатки и корни, а также органические удобрения.

Уровень секвестрации углерода в почвах может быть оценен по отношению гетеротрофного дыхания почв к общему количеству чистой продукции фотосинтеза. Другими словами, секвестрация углерода определяется минерализационным потенциалом почв, который в свою очередь зависит от уровня NPP, NEP, почвенно-экологических, климатических, временных и других факторов. В работе Ханкина с соавторами [1] проанализировано 10 моделей, описывающих вековое изменение (1901–2010 гг.) соотношений запасов почвенного органического вещества, NPP и величины гетеротрофного дыхания (R_h). За 100-летний период среднее отношение величин R_h : NPP составило ≈0.9. Тесную связь между NPP и R_h отмечали и другие исследователи [2, 3].

Несмотря на рост концентрации СО₂ в атмосфере и выпадений азотосодержащих соединений, способствующих улучшению азотного питания растений, все модели согласованно показали, что изменение климата и землепользования оказывали отрицательное влияние на запасы С_орг в почвах. Этот факт свидетельствует в целом о возросшем минерализационном потенциале почв в мировом масштабе. Весь ансамбль моделей показал, что среднее время пребывания углерода (MRT) в пулах почвенного органического вещества за прошлое столетие уменьшилось на 4.4 года.

Приведенные выше данные свидетельствуют, что современная ситуация в мире, очевидно, не способствует перелому тренда изменения накопления С_орг в почвах, поскольку с потеплением климата усиливаются азото- и углеродо-минерализационные процессы в почвах, дефляция, обезлесивание и опустынивание, что приводит к потерям гумуса и повышению эмиссии парниковых газов.

Взаимосвязь процессов превращения азот- и углеродсодержащих веществ в почвах неразрывно связаны между собой, но судьба конечных продуктов минерализации (СО₂ и минерального азота в виде NH$_{4}^{ + }$ и NO$_{3}^{ - }$) различается: СО₂ в основном улетучивается в атмосферу, а минеральный азот рециклирует, включается в новые процессы ассимиляции растениями и микроорганизмами.

Значительная часть азотосодержащего органического вещества подвергается гумификации. Для органического вещества подавляющего числа почв отношение C : N довольно стабильно и находится в пределах 10.0–11.0 и мало изменяется в зависимости от основных физико-химических свойств (рис. 1) [4–11]. Эти показатели действительны для гумусовых горизонтов почв (0–25, 0–40 см). В более нижних горизонтах соотношение C : N сужается за счет увеличения пропорции минерального азота в его общем пуле (в основном NH$_{4}^{ + }$, фиксированного глинистыми трехслойными минералами) [12–17]. Стабильная величина C : N в почвах лишь подтверждает принципиально идентичные условия формирования природных гумусовых веществ (гуминовых и фульвокислот). В работах М.М. Кононовой [18] и Л.Н. Александровой [19] показано, что содержание азота в гуминовых и фульвокислотах мало различается между типами почв, но состав гумуса, в первую очередь, отношение гуминовых кислот к фульвокислотам зависит от типа почв и условий почвообразования. Устойчивость показателя C : N гумуса для различных почв свидетельствует о механизме стехиометрии в почвенном органическом веществе, что подтверждается синхронностью высвобождения СО₂ и NH$_{4}^{ + }$ при минерализации гумусовых веществ почв. Cooтношение С : N в гумусе можно рассматривать как матрицу устойчивости органического вещества в почве.

Рис. 1.

Содержание в почвах гумуса и величина соотношения C : N в нем: (а) – дерново-подзолистые почвы, (б) – серые лесные почвы, (в) – черноземы, (г) – каштановые почвы. Выборка данных из монографии “Агрохимическая характеристика почв СССР”, тт. 1–4, 6, 9. Статистическая обработка автора.

Органические материалы, поступающие в почвы, например растительные остатки, органические удобрения (навоз, компосты, сидераты) всегда имеют более широкое coотношение C : N, чем почвенный гумус. При разложении в почве вновь поступившего органического материала активизируется дыхательный процесс и возрастает эмиссия СО₂ в атмосферу, а образующиеся минеральные азотные соединения под воздействием микроорганизмов вступают в новый цикл с органическим углеродом, образуя соединения с более узким C : N, обычно свойственного данной почве. Насыщение почвы органическими материалами в целом ведет к повышению содержания органического вещества в почвах, но и его минерализация также ускоряется, а C : N в гумусе почвы стремится к уровню, близкому до внесения удобрений. Об этом свидетельствуют данные многолетних полевых опытов с применением органических и минеральных удобрений [20–27].

Специфика биогеохимического круговорота углерода такова, что поступающее в почву органическое вещество растительного и животного происхождения быстро подвергается атаке почвенной биоты и включается в новые минерализационно-иммобилизационные циклы, которые могут повторяться в почве до 8–9 раз за сезон [28]. Процесс гумификации органических остатков в почве происходит с участием биоты, и потери СО₂ в результате дыхательного процесса продолжаются непрерывно, даже в том случае, когда в почву не поступают свежие порции растительного материала. Например, в погребенных под курганами почвах микробиологическая активность продолжается, хотя и очень медленно [29, 30].

Устойчивый к разложению органический углерод является суммой гумусовых веществ или другими словами NBP, который с позиций секвестрации атмосферной СО₂ обладает наибольшей значимостью. Углерод NBP-пула отчуждается из биогеохимического цикла на сотни и даже тысячи лет. Поэтому сохранение и накопление в почвах углерода именно этого пула способствует секвестрации СО₂ и, как следствие, снижению потенциала глобального потепления (ПГП) [31].

По массе пулы углерода в экосистемах распределяются в отношении NPP : NEP : NBP ≈ 100 : 10 : 1. В результате в почве на длительное время (>100 лет) могут закрепиться устойчивые к разложению гумусовые вещества (примерно ≈1%) от количества NPP-углерода, поступившего в почву с наземной и внутрипочвенной биомассой. Об этом свидетельствуют скорости роста мощности гумусового горизонта в процессе почвообразовательного процесса. Например, Иванов и Табанакова [30], используя метод археологического почвоведения, показали, что в черноземах Восточной Европы прирост гумусового горизонта за последние 4–5 тысяч лет оценивается в 1.0–3.5 см в столетие. Это эквивалентно образованию в почве устойчивого к разложению NBP, порядка 60–180 кг С_орг/га/год. А текущее гетеротрофное дыхание (R_h) пахотных черноземных почв в среднем составляет 2–3 т С-СО₂ /га/год [32–35]. Для образования биомной продукции в размере 60–180 кг С/га/год требуется поступление в почву углерода биомассы (NPP) порядка 6–8 т/га/год. Анализ биопродуктивности современных степных экосистем показал, что NBP черноземов может составлять ≈80 кг С/га/год [36].

Основная цель усиления секвестрации СО₂ состоит в том, чтобы максимально увеличить накопление в почвах устойчивого к минерализации пула органического углерода. В литературе широко освещаются приемы секвестрации СО₂, заключающиеся в обогащении почв С_орг при использовании различных удобрений и материалов (навоза, компостов, биоуголя и др.) и приемов земледелия, способствующих большему поступлению в почвы растительных остатков и созданию условий замедления их минерализации [37–47]. Выращивание покровных культур, сидератов или смена вида землепользования (залесение, залужение и др.) также способствуют секвестрации СО₂. Перечисленные мероприятия имеют свои особенности и не всегда при строгом рассмотрении подходят под определение “секвестрация”.

Как было отмечено выше, оценка секвестрации углерода в почвах может быть установлена по coотношению гетеротрофного дыхания почв к NPP [48]. Показатели увеличения содержания органического углерода в почве без учета затрат углерода NPP-пула на это повышение и потерь углерода за счет эмиссии СО₂ нельзя считать секвестрацией. В большинстве случаев баланс углерода в земледелии складывается отрицательно, поскольку основная часть получаемой NPP утилизируется и эмитирует в виде СО₂ в атмосферу. (рис. 2).

Рис. 2.

Судьба углерода первичной продукции фотосинтеза в земледелии.

ВИДЫ СЕКВЕСТРАЦИИ УГЛЕРОДА В ПОЧВАХ

В данном разделе приведены примеры различных путей секвестрации углерода в почвах.

Применение навоза. Применение навоза в земледелии известно издревле, как способ пополнения в почвах запасов питательных веществ. Преимущество навоза перед другими видами удобрений состоит в том, что он является медленно действующим и не создает в почве единовременно высоких концентраций легкоподвижных соединений, прежде всего нитрат- и аммоний-содержащих солей. Отсюда положительное последействие навоза растягивается на годы.

На первый взгляд внесение в почву навоза должно приводить к секвестрации органического углерода. Действительно, систематическое применение навоза приводит к накоплению в почвах органического углерода, о чем свидетельствуют данные многолетних полевых опытов на различных почвах [20–27].

В настоящее время, когда остро ставится вопрос о “низкоуглеродном” развитии мирового сельскохозяйственного производства, накопленные в прошлом многолетние данные по изучению эффективности применения органических и минеральных удобрений приобретают новую актуальность. Изначальной целью этих опытов было сравнение эффективности органических и минеральных удобрений, а также воздействие этих удобрений на агрохимические свойства почв, включая содержание гумуса, азота, фосфора, калия, кальция и др. Данные многолетних опытов также позволяют оценить конечные результаты с точки зрения секвестрации СО₂ атмосферы и ее размеры при удобрении навозом.

В книге А.Д. Хлыстовского [26] представлены материалы полевых опытов Долгопрудной агрохимической опытной станции (ДАОС НИУИФ) по сравнительному действию навоза и эквивалентной смеси минеральных удобрений. Опыты были заложены по инициативе академика Д.Н. Прянишникова на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве в нескольких севооборотах с набором культур: озимая рожь (пшеница), картофель, овес, пар клеверный на фоне известкования и без него. Ротация севооборота состояла из 4-х полей. В течение 44 лет было проведено 11 ротаций. За каждую ротацию вносили навоз 36 т/га или в среднем 9 т навоза/га/год.

Прежде всего необходимо отметить, что в опытах происходило достоверное снижение содержания органических углерода и азота в почве в продолжении всего времени опыта не только в контроле, но и при внесении удобрений. Содержание органического вещества в почве в вариантах с внесением навоза тоже уменьшилось, но в меньшей степени, чем в контроле и при внесении минеральных удобрений. Отношение C : N в гумусе почвы оставалось практически неизменным, и длительное внесение удобрений не сказалось на этом показателе (рис. 3). Это свидетельствовало о синхронном высвобождении СО₂ и минерального азота при минерализации гумуса. В табл. 1 приведен примерный баланс органического углерода за 44 года, составленный нами на основе данных 4-х полевых опытов [26], позволивший судить о возможной секвестрации углерода среднесрочного типа. Потери органического углерода из почвы – ничто иное как гетеротрофное дыхание и эмиссия СО₂ в атмосферу (рис. 4а). При внесении навоза по сравнению с контролем через 44 года потери С_орг оказались равными 63.2 т/га (табл. 1), что значительно превышало количество С_орг, внесенного с навозом. Содержание С_орг в почве навозного варианта за все годы эксперимента оставалось примерно на одном уровне. Данные показывают, что со временем при внесении каждой новой порции навоза минерализация и суммарные потери С_орг увеличивались. Этот факт свидетельствует о продолжавшемся процессе гумификации, минерализации и потерях ранее внесенного с навозом С_орг (рис. 4б). Кроме того, вновь поступавший в почву легко минерализуемый С_орг мог вызвать затравочный эффект и усилить минерализацию С_орг [45, 48]. Таким образом, за весь период проведения опыта внесение навоза не только не способствовало секвестрации углерода, но, возможно усиливало мобилизацию почвенного С_орг и его потери.

Рис. 3.

Влияние органических (навоз) и минеральных удобрений на величину соотношения C : N в гумусе дерново-подзолистой почвы многолетних опытов ДАОС: (а) – контроль без удобрений, (б) – внесение навоза, (в) – смесь минеральных удобрений (NРK + Са).

Рис. 4.

Влияние длительного внесения навоза на содержание остаточного С_орг в почве в полевых опытах ДАОС: (а) – внесенное количество навоза нарастающим итогом и прибавка С_орг в почве, т/га (R_h – потери С_орг или гетеротрофное дыхание), (б) – динамика содержания остаточного С_орг в почве, % от внесенного (гумификация).

Присутствующие в работе Хлыстовского данные продуктивности всех сельскохозяйственных культур в опытах за все годы, выраженные в зерновых единицах (з.е.), позволили рассчитать “углеродный след” полученной земледельческой продукции. Продуктивность в з.е. за 44-летний период составила в среднем (ц/га/год): контроль (без удобрений) – 14.2, применение навоза – 24.5. Деление потерь органического углерода почвы (т С/га) на зерновые единицы, выраженные также в т/га, дает величину затрат С_орг на единицу полученной продукции. С позиций современного языка это можно назвать “углеродным следом”, который оказался в контроле равен 0.9, в варианте применения навоза – 1.1 т С_орг/т зерна.

Однако показанные выше затраты углерода на полученные урожаи далеко не полные. Не учтены энергетические затраты в углеродных единицах на обработку почвы, посев и уборку урожая. Должны быть учтены и затраты углерода кормов (NPP и NEP), участвующих в формировании экскрементов животных и связанную с этим процессом эмиссию парниковых газов (СО₂, СН₄, N₂O), а также углерод использованной подстилки. Следует полагать, что затраты углерода на получение зерновой единицы основной продукции при удобрении навозом с учетом всех составляющих баланса будут значительно выше, чем те, что приведены выше.

В работе Л.К. Шевцовой и др. [37], в которой оценили структуры баланса углерода в длительных полевых опытах (27–35 лет) на тяжелосуглинистой дерново-подзолистой почве, было показано, что суммарный приход в почву С_орг (навоз, растительные наземные и корневые остатки) в вариантах навоз + NPK на фоне извести и без нее составлял в среднем 73.9 т С/га, а прирост С_орг в почве составил 3.2 т/га. Расчетная эмиссия СО₂ из почвы оказалась равна 70.4 т С/га. Следовательно, на каждую тонну депонированного С_орг из органических удобрений и растительных остатков эмитировало в атмосферу 23.1 т С-СО₂/га.

Результаты опыта на темно-серой слабооподзоленной легкосуглинистой почве в Сумской обл., проводившемся в 1931–1957 гг. Н.Г. Городним [20], позволили рассчитать депонирование углерода навоза при его внесении в количествах 380, 640 и 1280 т/га за 27 лет. Потери углерода навоза на аккумуляцию 1 т С_орг/га в почве в зависимости от доз удобрения оказались в пределах 3.36–7.27 т С/га. Чем больше была доза внесенной в почву органики, тем “дороже” становилась единица депонированного С_орг. Как и в Прянишниковском опыте повышение количества вносимого навоза увеличивало и относительный уровень потерь углерода за счет эмиссии СО₂.

На слабовыщелоченном черноземе данные многолетнего опыта [23] позволили рассчитать величину депонированного углерода навоза, вносимого в 4-польном севообороте. По прошествии 12 лет в почву было внесено навоза 120 т/га в 4 приема, что соответствовало 11.9 т С_орг/га/год. В почве (гор. 0–20 см) прирост содержания гумуса за 12 лет оказался равным 3.3 т С_орг/га_.. Потери составили 8.6 т С_орг/га или 72% от количества, внесенного с навозом. Потери С_орг на 1 т/га прироста содержания в почве углерода составили 3.6 т С/га.

В другом опыте, проведенном тоже на слабовыщелоченном легкосуглинистом черноземе [21], по результатам 20-летнего внесения органики (37.1 т С_орг/га) потери органического углерода из почвы оцениваются в 28.8 т/га. Затраты углерода навоза на 1 т прироста С_орг в почве оказались почти такими же (3.5 т/га), как и в опыте, упомянутом выше.

В опыте на высокогумусном черноземе бывшей Шатиловской опытной станции [22] за 45-летний период потери углерода навоза на 1 т С_орг в почве менялись в пределах 17.8–1.6 т/га. Максимальная величина соответствовала внесению дозы навоза 36.0 т/га за 9 лет, минимальная – 36 т/га за 3 года. Этот факт свидетельствует о постоянно продолжавшейся и увеличивавшейся суммарной минерализации С_орг навоза во времени.

Весьма интересны результаты полевого опыта с самым длительным применением навоза. Это классический опыт, проводимый в Англии на Ротамстедстской опытной станции “Broadbalk winter wheat experiment”. Опыт заложен в 1843 г. на тяжелосуглинистой карбонатной почве. Смесь минеральных удобрений (N, P, K, Na, Mg) сравнивали с навозом, который вносили в дозе 35 т/га/год. В цитируемой работе [27] приведены данные опыта до 2000 г. Все годы урожаи зерна озимой пшеницы в навозном варианте и в варианте применения смеси N, P, K, Na, Mg, включавшей дозу азота 144 кг/га, были практически одинаковыми и синхронно повышались при нововведениях в качестве общего фона новых сортов, парования, применения гербицидов, известкования, использования фунгицидов. В первые 80 лет урожаи зерна в навозном и минеральном вариантах оставались в пределах 2.5–3.0 т/га, а в контроле (без удобрений) были ≈1 т/га. Заметный рост урожаев начался с момента известкования и применения гербицидов (1960-е гг. прошлого века), а с середины 1960-х гг. при внедрении интенсивных сортов пшеницы и фунгицидов рост урожаев приобрел экспоненциальный характер и достиг 10 т/га. В контроле без удобрений при тех же нововведениях урожай оставался на уровне 1.0– 1.5 т/га.

На основе данных, содержащихся в работе [27], был составлен приблизительный баланс органического углерода за время проведения эксперимента до 2000 г. (табл. 2). Почти полуторавековое внесение навоза способствовало накоплению С_орг в почве по сравнению с контролем в 2.8 раза. Однако потери органического углерода из почвы в варианте с навозом составляли почти 90% от количества С_орг, внесенного c навозом. Потери С_орг – это ничто иное как гетеротрофное дыхание с последующей эмиссией СО₂ в атмосферу.

Доля прироста С_орг в почве от внесенного количества навоза, вычисленная по результатам опыта за 156 лет, составила 13.2%. Эта величина характерна и для других почвенно-климатических условий и органических удобрительных материалов и, по-видимому, представляет собой ничто иное как коэффициент гумификации.

По данным других европейских многолетних опытов с навозом (опыт в Гале, Германия), описанных Любарской [24], за 72-летний период внесения навоза на депонирование в почве 1 т С_орг/га потери С_орг навоза составили13.4 т/га, то есть почти столько же, сколько в опыте Ротамстеда.

В приведенных опытах показаны неполные затраты углерода. Не учтены величины углерода в NPP (в виде кормов для животных), затраченных при формировании экскрементов животных, и количество углерода, эмитированного при этом в виде CO₂ и CH₄, N₂O.

Таким образом, результаты экспериментов с многолетним применением навоза свидетельствуют о значительных потерях C_орг навоза из почвы во всех без исключения опытах. При этом потери углерода делают баланс углерода в системе “растение–навоз–почва–атмосфера” отрицательным, что означает значительное превышение эмиссии СО₂ над накоплением в почве углерода NBP-пула.

Однако приведенные выше данные об отрицательном влиянии навоза на уровень секвестрации углерода в почве не должны восприниматься как факты, обосновывающие ограничение применения органических удобрений. Почва, образно выражаясь, является “живым организмом” и ей свойственен дыхательный процесс, а дыхательным субстратом для почвенной микрофлоры являются легкоминерализуемые органические вещества. Внесение в почву органических удобрений значительно повышают ее энергетический статус, который способствует усилению соокисления и детоксикации множества загрязняющих почву веществ. Очень важно, что внесение навоза способствует возврату в почвы питательных веществ, отчуждаемых с урожаями сельскохозяйственных культур.

Минеральные удобрения. Проанализированный нами выше материал многолетних полевых опытов по эффективности внесения навоза содержит также данные о сравнительном воздействии минеральных удобрений (NPK + Са) на урожай сельскохозяйственных культур и агрохимические свойства почв, включая содержание гумуса [20–27]. Это дало возможность оценить действие внесения минеральных удобрений в сравнении с навозом на секвестрацию СО₂ атмосферы. Во всех многолетних опытах отмечено положительное действие удобрений на урожай сельскохозяйственных культур, что естественно отражается и на более высоком поступлении в почвы углерода наземных поуборочных остатков и корневой массы.

В Прянишниковских опытах на ДАОС на дерново-подзолистой почве [26] длительное внесение NPK и NPK + Ca (известь), так же, как и в контроле, баланс углерода оказался отрицательным, т.е. с течением времени произошло снижение содержания С_орг в почве. Потери С_орг из почвы в варианте без удобрений (контроль) за 40 лет составляли (среднее из 7 опытов) 8.3 т С/га, а при внесении NPK + Ca – 6.3 т С/га.

В стационарных опытах ВНИИА на дерново-подзолистой почве после многолетнего (27–34 года) применения NPK и NPK + известь содержание С_орг в почве выросло в среднем на 0.5 т С/га, в то время как дополнительная эмиссия СО₂ составила 17.1 т С/га [37]. Экстра-поступление углерода растительных остатков (наземная масса + корни) за счет NPK и извести составило в среднем во всех опытах 21.3 т С/га. Эмиссия СО₂ при депонировании 1 т С_орг в почве была равна 34.2 т С/га.

В упоминавшихся опытах на темно-серой лесной и черноземных почвах при многолетнем (17–30 лет) применении минеральных удобрений прирост содержания С_орг в почвах по сравнению с контрольными вариантами составлял 0.0–1.6 т С/га. Это свидетельствует о положительном влиянии минеральных удобрений на депонирование С_орг за счет более высоких величин NPP пожнивных остатков и корневых систем растений.

В отличие от органических удобрений, на получение которых расходуется значительное количество углерода NPP- и NEP-продукции, промышленные минеральные удобрения включают в себя затраты техногенной энергии и, следовательно, связаны с эквивалентным количеством эмиссии СО₂, которое необходимо учитывать при расчетах баланса углерода в системе растение–удобрение–почва–атмосфера. Априори можно сказать, что дополнительный источник энергии, доставляемый в почву с растительными остатками, в какой-то степени компенсирует энергетические затраты на применение минеральных удобрений.

Компосты. Применение компостов широко используется в качестве органических удобрений, а с другой стороны – это способ утилизации различных бытовых, сельскохозяйственных и промышленных отходов. При этом компосты часто рассматриваются и в качестве секвестра органического углерода. В большинстве работ показано, что под секвестрацией понимается лишь накопление в почвах C_орг, независимо от продолжительности его пребывания в почве, а главное без учета складывающегося баланса между поступившим в почву С_орг и эмиссией в атмосферу парниковых газов. В работе [42] показано, что 18-летнее применение компоста не только увеличило содержание органического углерода в почве, но и повышало эмиссию N₂O на 106%. Принимая во внимание, что ПГП закиси азота в 298 раз больше СО₂, оказывается, что эффект от секвестрации углерода с целью снижения ПГП почти полностью нивелируется дополнительными выбросами из почвы N₂O. Таким образом, обогащение почвы компостами не всегда благоприятствует целям сокращения выбросов парниковых газов в земледелии.

Солома и корневые остатки. Повышающиеся урожаи сельскохозяйственных культур при внедрении современных технологий способствуют увеличению поступления в почву пожнивных остатков и корневой массы, что приводит к увеличению секвестрации органического углерода в почвах [50]. Размеры секвестрации C_орг в почве при многократном возврате соломы зависят от ряда сопутствующих факторов и, прежде всего, одновременного внесения в почву минеральных удобрений, непременно включающих в себя азотные [43]. Это связано с тем, что внесение в почву органических материалов с широким отношением C : N вызывает активизацию гетеротрофной микрофлоры с острой потребностью в усвояемом азоте. Дефицит усвояемого азота в почве вызывает интенсивное разложение соломы с потерей СО₂. В работе [43] было показано, что применение NPK, NPK + солома и NP и NP + солома оказались неравнозначными в накоплении в почве C_орг. Запасы C_орг в почве при внесении NPK и NPK + солома увеличивались в продолжении более чем 20-летнего периода, в то время как для достижения максимальных запасов C_орг в вариантах NP и NP + солома было ограничено периодом от 11 до 20 лет. В работе показано, что в опытах, проведенных с многократным возвратом в почву соломы, накопление органического углерода было больше в почвах в том случае, когда к соломе добавляли минеральные удобрения с участием азота и фосфора. Добавление калия не имело преимуществ, поскольку солома сама значительно обогащена калием.

Покровные культуры. Включение покровных культур в сельскохозяйственные севообороты может значительно увеличить содержание почвенного C_орг. Однако получаемые результаты часто бывают противоречивыми. В исследовании [51] были собраны данные, в которых сравнивалась система земледелия с покровными культурами и без них. Было проведено сравнение 1195 пар (покровная культура и безпокровная) в 131 эксперименте. Покровными культурами были рожь (Secale cerealе) и однолетний райграсс (Lolium multiflorum). Использовали также и бобовые культуры. Больше половины (60%) данных было представлено из США. Результаты были сгруппированы по почвам с разным гранулометрическим составом. Например, на легких почвах включение покровных культур в севообороты значительно повышало содержание C_орг, с общим средним увеличением по сравнению с вариантами без покровной культуры на 15.5% (13.8–17.3%).

Наибольшее депонирование C_орг было отмечено для покровных культур в севообороте кукуруза–пшеница–соя. На среднесуглинистой почве накопление C_орг в “покровном” варианте был на 2 т С/га больше, чем в контроле. Тяжелые почвы показали наибольший прирост C_орг после включения покровных культур в севооборот.

Смеси покровных культур приводили к большему увеличению C_орг в почве по сравнению с моновидовыми покровными культурами, а использование бобовых вызвало большее увеличение C_орг, чем небобовых.

Покровное земледелие значительно увеличивает содержание C_орг в неглубоких почвах (≤30 см) по сравнению с подповерхностными горизонтами (>30 см). Регрессионный анализ показал, что изменения C_орг в результате покровного земледелия коррелируют с улучшением качества почвы, в частности с уменьшением эрозии и увеличением содержания минерализуемого органического вещества. На изменение запасов органического углерода в почве также влияли годовая температура, количество лет после начала введения в севооборот покровных культур, географическая широта и первоначальное содержание C_орг. Наконец, полученная средняя величина секвестрации углерода покровными культурами во всех исследованиях составила 0.56 т С/га/год. Авторы работы [51] делают вывод, если бы на 15% нынешних мировых пахотных землях внедрили покровные культуры, это привело бы к увеличению C_орг на 0.16 ± 0.06 млрд т С/год, что аналогично 1–2% текущих выбросов от сжигания ископаемого топлива.

Луга и пастбища. Почвы под лугами обладают значительным потенциалом поглощения атмосферной СО₂, поскольку луговая растительность формирует значительную корневую биомассу. Однако этот потенциал в не малой степени зависит от управления лугово-пастбищными угодьями. Улучшение практики использования лугов и пастбищ может способствовать увеличению секвестрации углерода. По оценке [52], мировой потенциал секвестрации углерода за счет улучшения использования лугов и пастбищ составляет 0.3–1.6 млрд т СО₂/год.

Круговорот и баланс углерода на лугах и пастбищах имеют свои особенности. Травоядные животные влияют на секвестрацию углерода в почвах посредством 2-х разных процессов, но взаимосвязанных между собой. Во-первых, вкусовые предпочтения животных воздействуют на состав растительных сообществ, а также на количество и качество растительной биомассы [46]. Умеренное стравливаие луговой растительности может стимулировать рост корней и таким образом увеличивать корневую биомассу. Во-вторых, вытаптывание, экскременты и моча пасущихся животных воздействуют на свойства почвы, которые в свою очередь меняют микробное разнообразие, их дыхательную активность и эмиссию парниковых газов.

Практика пастьбы скота отражается на секвестировании углерода почвами. В работе [53] показаны результаты крупномасштабного исследования на пастбищных угодьях, в которых сравнивали адаптивный выпас в загонах, представляющий собой кратковременный ротационный выпас при высокой плотности поголовья (AВ) и традиционное использование пастбищных угодий (ТП) на юго-востоке США. Были отобраны 5 пар со сравнительными характеристиками пастбищ, по количеству голов скота на 1 га угодья, времени существования пастбища (годы). В исследовании проводили количественные определения запасов в почве углерода и азота, их изотопный состав, а также их распределение во фракциях органического вещества почвы. Результаты показали, что на пастбищах AВ содержание С_орг в 1-метровом горизонте почвы в среднем оказалось 74, в варианте ТП – 65 т С/га. Кроме того, разница в запасах С_орг заключалась в основном во фракции органо-минеральных соединений, что свидетельствует о формировании более устойчивого к минерализации пула почвенного углерода на пастбищах с загонным содержанием скота по сравнению с традиционным выпасом. Сделано заключение, что загонный выпас скота способствовал большей секвестрации С_орг в почвах под пастбищами. Перевыпас же скота однозначно приводит к деградации земель и обеднению почв органическим углеродом.

Биоуголь (биочар). Биоуголь, полученный из различных материалов, включая сельскохозяйственные отходы, используется в качестве мелиоративной добавки в почву. Рядом исследователей показано, что внесение в почву биоугля улучшает питательный и физический режимы почв, а также снижает эмиссию парниковых газов (СО₂, N₂O) [38–40, 54].

Некоторые авторы рекомендуют применение биоугля в целях секвестрации углерода в почвах [55–59]. В работе Кларка и др. [60] рассматриваются результаты экспериментов с биоуглем, приготовленным из птичьего помета. Нетто-минерализация N в почве при краткосрочной инкубации была небольшая или даже отрицательная (1.8 и –24.7 мг N/кг почвы) для песчаной и суглинистой почв соответственно, что указывает на незначительную или нулевую новую минерализацию азота и углерода. Эти результаты свидетельствуют о возможном сохранении в почве углерода и азота биоугля в течение длительного времени.

В работе Янга [55] исследовали нетто экосистемный обмен CO₂ (NEE) при добавлении биоугля (20 т и 40 т/га) в условиях рисового поля. Было обнаружено, что средний NEE рисового поля при внесении биоугля был соответственно на 2.4 и 30.6% больше, чем в контроле. Добавление биоугля также увеличило С_орг за счет того, что растворенный органический углерод из отмершей микробной биомассы сорбировался биоуглем.

Али и др. [57] провели 2-летний эксперимент с жемчужным просом на содово-засоленной почве. В этих исследованиях биоуголь добавляли в почву в 5-ти дозах: 0, 5, 10, 15 и 20 т/га. Биоуголь повысил содержание органического углерода в почве и улучшил доступность и поглощение N, P и K по сравнению с контрольной почвой.

Однако в некоторых случаях внесение биоугля в почву может вызвать негативные последствия для почвы и окружающей среды в целом. Например, биоуголь может подавлять доступность питательных веществ в почве и снижать продуктивность сельскохозяйственных культур из-за сокращения поглощения питательных веществ растениями или уменьшения минерализации почвенного С_орг. Применение биоугля может также негативно повлиять на качество окружающей среды и здоровье человека из-за вредных соединений, таких как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), полихлорированные дибензодиоксины и дибензофураны (ПХДД) (59). Большие затраты энергии на получение биоугля также являются отрицательным фактором с позиции ПГП. В то же время приготовление биоугля из зараженных патогенами различных органических удобрений (птичий помет, свиной жидкий навоз, навоз КРС и др.) может служить альтернативой мероприятиям, связанным с обеззараживанием животноводческих отходов.

Минимальная обработка почв. В литературе широко обсуждаются результаты внедрения минимальной обработки (NT) в земледелие, в частности, данные относительно секвестрации углерода в почвах [61–67]. NT часто рекомендуется для уменьшения минерализации органического вещества как поверхностных растительных остатков, так и почвенного С_орг. Считается, что такая обработка почвы способствует секвестрации атмосферной углекислоты.

Эксперименты с использованием естественного обогащения ¹³С показывают почти двукратное увеличение MRT органического углерода почвы при NT по сравнению с интенсивной пашенной системой обработки почв [68].

Темпы накопления и минерализации C_орг в почве значительно зависят от времени, прошедшего с момента введения NT [61]. Авторы попытались установить основные ведущие факторы накопления стабильных фракций С_орг (СФС_орг) в почве в 11-летнем полевом опыте. Полевой эксперимент показал, что по сравнению с плужной обработкой почвы (ПО), в NT почве доля более стабильных фракций почвенного С_орг оказалась более высокой. Увеличение концентрации СФС_орг повысилось на 12.6% на 5-й год полевого эксперимента, а на 11-й год – уже на 52.2%. Авторы объясняют такие результаты изменением агрегатного состава почв тем, что увеличивается фракция макроагрегатов размером 2 мм, в которых органическое вещество физически защищено и способствует меньшей его минерализации.

В работе [62] механизмы стабилизации почвенного органического углерода изучены в связи с их актуальностью в глобальном углеродном цикле. Однако высказываются сомнения [61], будет ли секвестрированное С_орг стабилизировано в долгосрочной перспективе. Авторы рассмотрели механизмы, влияющие на стабильность С_орг в системах NT, включая “прайминг эффект” (PE) [45, 48], молекулярную структуру С_орг, защиту агрегатов, связь с почвенными минералами, микробные свойства и воздействие на окружающую среду. Хотя в NT наблюдается более устойчивая молекулярная структура С_орг по сравнению с традиционной обработкой почвы (ТО), стабильность С_орг может в более продолжительном времени зависеть от физической и химической защиты. В среднем NT улучшает макроагрегацию на 32.7% и снижает минерализацию С_орг в макроагрегатах по сравнению с TО. Более высокая микробная активность в NT может также производить связывающие агенты, способствующие агрегации и образованию металлоорганических комплексов. Сделан вывод о том, что С_орг, изолированное в системах NT, вероятно будет стабилизировано в долгосрочной перспективе.

Джия с соавторами [63] показали также преимущество NT в секвестрации углерода в почвах, которое связано с более благоприятным водно-температурным режимом по сравнению с пашенной почвой. NT способствует изменению почвенного профиля в результате накопления в верхних горизонтах бoльшего количества растительных остатков и формирования горизонта А0. Это в свою очередь уменьшает поверхностное испарение и увеличивает запасы влаги в почвенном профиле, а также снижает температуру почвы.

Показано, что минимальная обработка почвы вызывает увеличение численности денитрифицирующих микроорганизмов [69]. Комбинация минимальной обработки почвы и применения азотных удобрений приводит к усилению потерь газообразного азота. Пальма с соавт. [70] обнаружили в 2 раза бóльшие потери азота удобрений за счет денитрификации при минимальной обработке почвы по сравнению с нормальной пахотой за 90-суточный период. При этом была установлена весьма тесная положительная связь между количеством денитрифицирующих микроорганизмов и газообразными потерями азота.

И наконец, в статье Купера и др. [65] “Пахать или не пахать” (To till or not to till in a temperate ecosystem?) в условиях умеренного климата Великобритании оценено влияние нулевой обработки почвы в течение 15 лет на секвестрацию углерода и выбросы парниковых газов. Было показано, что рассчитанный ПГП оказался на 30% меньше в системах с нулевой обработкой почвы за счет более низкой эмиссии СО₂ и соответствующей секвестрацией углерода в почве. Было сделано заключение, что NT играет важнейшую роль, с одной стороны, как способ снижения эмиссии ПГ, а с другой, увеличивает секвестрацию углерода и тем самым способствует сохранению климата.

Однако в определенных условиях NT почвы может увеличить потоки закиси азота из почвы, что может свести на нет любые климатические выгоды потенциального хранения C в почве [71]. Чтобы исследовать, как долгосрочное внесение различных органических удобрений взаимодействует с обработкой почвы на потоки N₂O в севообороте, были проведены долгосрочные испытания с 2009 г. в Восточной Канаде. Применяли 2 обработки почвы – инверсионную (IT) и минимальную и 3 типа удобрения (свиной и коровий жидкий навоз и контроль без удобрений). Эксперимент был заложен на 2-х контрастных по текстуре почвах (тяжелый и песчаный суглинки). Оценивали потоки N₂O с каждого участка посевов (апрель–ноябрь): в течение 2016 г. – под пшеницей, в 2017 г. – под кукурузой и в 2018 г. – под соей. При NT-обработке средние кумулятивные потоки за вегетационный период варьировали для тяжело-суглинистой почвы от 0.8 кг N–N₂O/га в контроле (кукуруза) до 7.6 кг N–N₂O/га для пшеницы (коровья навозная жижа), для песчаного суглинка – от 0.4 кг N–N₂O/га для кукурузы (контроль, IT ) до 3.0 кг N–N₂O /га для кукурузы при внесении свиного навоза после NT-обработки. В целом данные показали, что величина эмиссии N₂O при NT совместно с жидким навозом значительно превосходила эмиссию N₂O при обычной пахоте. При этом следует иметь в виду, что ПГП закиси азота в 298 раз больше углекислого газа. При пересчете на СО₂ максимальная эмиссия при NT-обработке составляла 2265 кг/га. В данном случае на тяжелосуглинистой почве NT‑обработку с применением органических удобрений нельзя рекомендовать как способ борьбы с повышенной эмиссией парниковых газов.

Смена вида землепользования. Пахотные угодья России за период 1992–2016 гг. представляли собой чистый источник С-СО₂ в размере 21–27 (в среднем 24.5) млн т С-СО₂/год [72], что подтверждено отрицательным балансом органического углерода и снижением содержания гумуса в пахотных почвах. Примером могут служить данные агрохимического обследования почв Белгородской обл. за последние несколько десятилетий, черноземы которой составляют ≈80% [73–75].

Перестройка производственных отношений в сельскохозяйственном секторе России привела к серьезным структурным изменениям аграрного землепользования. Из состава пахотных угодий за 25-летний период в залежное состояние перешло до 40 млн га. Выведенные из сельскохозяйственного оборота десятки миллионов гектаров пахотных угодий перешли в разряд залежных земель, подвергшихся зарастанию луговой и древесной растительностью. Это в свою очередь изменило характер формирования биологической продуктивности и баланс углерода на сельскохозяйственных угодьях в целом. Исследование углеродного баланса залежей показало, что этот вид земель превратился из источника СО₂ в его абсолютный сток, т.е. происходила секвестрация атмосферной СО₂. Например, средняя скорость депонирования углерода в бывших пахотных почвах РФ оценивается ≈45 млн т С в год, в целом за 1995–2016 гг. аккумулировалось ≈1 млрд т углерода в органическом веществе почв и растительной биомассе выросшей за это время древесной и кустарниковой растительности [35, 76, 77].

Оценивая в целом изменение баланса углерода на землях сельскохозяйственного назначения за период 1992–2016 гг. можно констатировать, что в земледелии России за счет сокращения пахотных угодий и перевод их в залежное состояние существенно изменилcя баланс углерода. Земледелие в целом из чистого источника С-СО₂ в начале девяностых годов превратилось в чистый накопитель (секвестор) С-СО₂. С позиций “низкоуглеродного” развития Российской Федерации можно рекомендовать сохранение залежи в составе сельскохозяйственных угодий РФ, как мощного накопителя углерода в сформировавшихся экосистемах.

В случае распашки лугов и залежей накопленный в почвах органический углерод быстро может быть потерян. Накопление С_орг в почвах при залужении и облесении гораздо медленнее, чем его минерализация при распашке [78].

Инициатива “4-промиле”. Увеличение запасов почвенного органического углерода в сельскохозяйственных почвах не только оказывает положительное влияние на качество почвы и ее устойчивость, но также может способствовать смягчению последствий изменения климата. Инициатива “4 на 1000” (4p1000), запущенная на конференции ООН по изменению климата 2015 г. в Париже, направлена на увеличение глобальных запасов C_орг в почве на глубине 0–40 см ежегодно на 4 части на тысячу, чтобы компенсировать увеличение антропогенных выбросов CO₂. Проанализирована осуществимость этой цели для сельскохозяйственных почв в Баварии (Юго-Восточная Германия) [78]. Предполагая, что общее количество органического углерода составляет 276 Тг, которое в настоящее время хранится в верхних 40 см сельскохозяйственных почв в Баварии (пахотные и лугопастбищные угодья), 4-промилле соответствует ежегодному связыванию углерода в размере 1.1 Тг. Основываясь на анализе текущего управления почвой для конкретных участков, были разработаны пространственные сценарии связывания C, включая 5 перспективных методов управления (покровное земледелие, улучшение севооборота, органическое земледелие, агролесоводство и преобразование пахотных земель в луга). Результаты показали, что цель 4p/1000 не выполнима для Баварии. Общий потенциал 5-ти методов секвестра C привел к увеличению на 0.3–0.4 Тг С_орг/год, что соответствует примерно l части на тысячу частей нынешних запасов С_орг. Расширение площади покровных культур и агролесоводства было определено в качестве наиболее перспективных вариантов увеличения C_орг в сельскохозяйственных почвах. В этой ситуации в Баварии будут компенсированы только ≈1.5% ежегодных выбросов парниковых газов. Но и этот результат можно считать важным вкладом в смягчение последствий изменения климата.

ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В большинстве процитированных работ под термином “секвестрация углерода” в почве понимается накопление остаточного органического углерода в почве в результате приемов, связанных с внесением различных органических (навоз, компосты) и минеральных удобрений, мелиоративных материалов (известь, биоуголь и др.), а также выращивания покровных культур, сидератов и минимальной обработки почв. Все перечисленные приемы имеют свои особенности и при строгом рассмотрении не всегда подходят под определение “секвестрация”.

Для оценки уровня секвестрации углерода в почвах необходимо определение баланса между эмиссией СО₂ из почвы (гетеротрофное дыхание) и величиной нового почвенного стока органического углерода в форме NBP продукции, т.е. устойчивого к минерализации органического углерода. Сток углерода в NEP-продукцию (легко минерализуемые формы углерода) определяет краткосрочную неустойчивую секвестрацию углерода. Переход органического углерода из NEP-пула в NBP-пул (иными словами процесс гумификации) – длительный процесс и сопровождается потерей углерода в результате гетеротрофного дыхания и эмиссии СО₂ в атмосферу.

Применение органических удобрений (прежде всего навоза) и различных компостов, являющихся чистой экосистемной продукцией, можно отнести к приемам, способствующим увеличению содержания в почвах С_орг. Затраты углерода NРP на депонирование 1 т С/га в NBP-пуле могут меняться от нескольких до десятков т С/га в зависимости от продолжительности и доз внесения органического удобрения в почву. Затраты NРP и NEP на образование NBP представляют собой потери углерода в результате дыхания почвенной биоты и эмиссию СО₂ в атмосферу. Следовательно, применение органических удобрений не обеспечивает секвестрацию СО₂ атмосферы и не служит снижению ПГП.

Однако применение навоза и компостов являются важнейшими и необходимыми агроприемами, поскольку они выполняют биогеохимическую функцию возврата в почвы питательных элементов, отчуждаемых урожаями сельскохозяйственных культур. Кроме того, внесение органических материалов пополняет в почве запасы дыхательного субстрата для огромного разнообразия микроорганизмов, выполняющих очистительную функцию.

Весьма перспективным приемом секвестрации атмосферной СО₂ является введение севооборотов с посевом покровных культур. По результатам мета-исследований [51], на большом количестве экспериментов сравнения (≈2000) показано, что, если бы на 15% нынешних мировых пахотных земель внедрили покровные культуры, это привело бы к увеличению С_орг в почвах на 0.16 ± 0.06 млрд т С/год, что аналогично 1–2% текущих выбросов от сжигания ископаемого топлива.

Перспективным приемом секвестрации органического углерода в почвах может служить минимальная обработка почвы. NT способствует изменению почвенного профиля в результате накопления в верхних горизонтах большего количества растительных остатков и формирования горизонта А0. Это в свою очередь уменьшает поверхностное испарение и увеличивает запасы влаги в почвенном профиле, а также снижает температуру почвы. Однако в определенных условиях NT увеличивает потоки закиси азота из почвы, что может свести на нет любые климатические выгоды потенциального хранения C_орг в почве [71]. Комбинация минимальной обработки почвы и применения азотных удобрений может приводить к усилению эмиссии N₂O, поскольку в гумусовом горизонте из-за слабой аэрации создаются благоприятные условия для процесса денитрификации [70].

Биоуголь, полученный из различных материалов, включая сельскохозяйственные отходы, можно использовать в качестве мелиоративной добавки в почву, улучшающей питательный и физический режимы почв. Однако, пока не сложилось однозначное мнение относительно использования биоугля в качестве секвестра углерода, поскольку значительные энергетические затраты на получение биоугля делают его применение проблематичным в целях секвестрации СО₂.