сотрудник
Казань, Республика Татарстан, Россия
сотрудник
ВАК 06.01.01 Общее земледелие, растениеводство
ВАК 06.01.02 Мелиорация, рекультивация и охрана земель
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ГРНТИ 68.01 Общие вопросы сельского хозяйства
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.35 Растениеводство
ГРНТИ 68.37 Защита сельскохозяйственных растений
ГРНТИ 68.75 Экономика и организация сельского хозяйства
Глобальные климатические изменения оказывают негативное влияние на развитие всех отраслей экономики, в том числе и сельского хозяйства. Однако, и само производство сельскохозяйственной продукции относится к числу важнейших источников парниковых газов, поступающих в атмосферу. С учетом необходимости снижения «углеродного следа» при производстве продуктов питания, особое место занимает анализ объемов выделения парниковых газов и разработка мер по их секвестрации в сельском хозяйстве. Одним из основных направлений по снижению выбросов и иммобилизации парниковых газов является развитие специальных приемов по их секвестрации в почве, в том числе используемых в сельском хозяйстве. Адаптация существующих систем земледелия под данную задачу позволит значительно уменьшить «углеродный след» от сельскохозяйственного производства, в том числе и животноводства. Развитие углеродного земледелия позволяет не только уменьшить выбросы парниковых газов, но и значительно повысить уровень плодородия почв, в первую очередь за счет увеличения содержания в них органических веществ. В результате этого, возникает возможность, наряду с получением продукции растениеводства, производить и «углеродные единицы», реализуемые на местном и международном рынках. В работе приводится анализ возможных выбросов парниковых газов в земледелии и потенциал по их секвестрации в сельскохозяйственных почвах. Рассмотрены роль различных элементов системы земледелия в решении задачи по снижению «углеродного следа» и предложены пути развития углеродного земледелия в Республике Татарстан
изменения климата, парниковые газы, секвестрация парниковых газов, системы земледелия, углеродное земледелие
Введение. Среди наиболее важных глобальных проблем, стоящих перед народами мира, особое место занимает продолжающиеся процессы изменения климата. Глобальные климатические изменения оказывают значительное влияние на все стороны жизни людей, увеличивая риски, в том числе и в сфере обеспечения населения продовольствием [1]. Среди факторов, определяющих развитие процессов изменения климата особое значение имеют парниковые газы – углекислый газ (CO2), метан (CH4), закись азота (N2O), гексафторид серы (SF6), перфторуглероды (ПФУ) и гидрофторуглероды (ГФУ) (greenhouse gas (GHG))[2]. Необходимо отметить, что Россия – это четвертый (в 2017 году – 1536,9 млн тонн) источник выбросов парниковых газов в мире [3]. В 2019 году выбросы таких газов в Республике Татарстан составили порядка 20 млн. т, причем с 2005 года отмечается ежегодное увеличение объемов на 1-2% в год [4]. По официальным оценкам [20], объемы выбросов парниковых газов в республике в 2019 году оценивались в объеме 45,7 млн. т, при поглощении 23,8 млн. т (отрицательный баланс 21,9 млн. т), но при этом отмечалась устойчивая тенденция снижения объемов эмиссии.
В 2019 году РФ официально присоединилась к Парижскому соглашению, которое направлено на расширение международного сотрудничества в деле смягчения последствий глобального изменения климата, что требует разработки мер по снижению объемов выбросов парниковых газов. В 2021 году был принят Федеральный закон от 02.07.2021 N 296-ФЗ "Об ограничении выбросов парниковых газов", в котором на законодательном уровне закреплены положения о снижении эмиссии парниковых газов в экономике страны.
Роль сельского хозяйства в выбросах парниковых газов достаточно значительна. Так, по некоторым оценкам, более четверти мировых выбросов парниковых газов приходится на сельское и лесное хозяйство, а также землепользование. Причем, с аграрным сектором связывают до 45% глобальной эмиссии СО2 и закиси азота (NO2) [5]. С учетом продолжающего роста численности мирового населения и увеличения потребности в продовольствия, вклад сельского хозяйства в глобальную эмиссию GHG может возрастать. При этом, отмечается и своеобразный негативный обратный механизм. Рост выбросов в сельском хозяйстве ведет к изменению климата, а это, в свою очередь, оказывает негативное влияние на производство продуктов питания, за счет резкого увеличения частоты проявления агрометеорологических опасных явлений (засух, вымерзания и т.д.), что приводит к росту эмиссии парниковых газов из сельскохозяйственных почв [6].
Несмотря на то, что сельское хозяйство является источником выбросов парниковых газов, в данной отрасли экономики существуют реальные возможности как по сокращению их эмиссии, так и по секвестрации (связыванию) GHG в сельскохозяйственных почвах при рациональном их использовании [7]. Почвы – крупнейший земной резервуар углерода, в котором он содержится в форме органических и неорганических молекулы. В ходе сельскохозяйственного использования, из-за развития эрозии и окисления, часть почвенного органического углерода теряется, превращаясь в газообразную форму, что с учетом процессов выделения закиси азота, является одним из основных путей поступления парниковых газов в атмосферу. Однако, данный процесс обратим, при применении современных почвозащитных технологий управления до 50–66% потерь углерода из почвы можно восстановить [8]. В качестве ключевых направлений в секвестрации углерода в сельскохозяйственных почвах выделяются – минимизация механического воздействия на почвы и увеличение поступления органических веществ [9]. Следовательно, такие приемы как – покровные культуры, мульчирование, минимальные или нулевые обработки почвы, использование органических удобрений и сокращение использования чистых паров можно отнести к рекомендуемым мерам по секвестрации парниковых газов [10]. Такой подход получил название карбонового (углеродного) земледелия (carbon farming), суть которого заключается в увеличение запасов почвенного углерода за счет оптимизированных для данной цели приемов и агротехнологий [11,12].
Среди наиболее важных проблем углеродного земледелия остается проблема количественного определения объемов эмиссии и связывания углерода и парниковых газов в почве [13]. В общем виде, баланс углерода складывается из разницы связывания (вход) и выбросов (выход) из почвы. При этом входом являются такие процессы как фотосинтез и адсорбция почвой, а выходом – дыхание растений и микробов, а также выбросы летучих органические соединения (ЛОС). Секвестрация (хранение) углерода происходит в растительной и микробной биомассе, а также в органических и неорганических углеродсодержащих веществах почвы, именно поэтому состояние почвы (soil health) имеет первостепенное значение для углеродного земледелия [14]. Кроме того, существенное значение с точки зрения секвестрации имеют как тип почв, так и природно-климатические особенности места [6, 15].
В настоящее время, при оценке объемов связывания и выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве не существуют единой общепринятой методологии, что затрудняет объективную оценку, в том числе и с точки зрения верификации «углеродных единиц» на рынке [11]. Наибольшую трудность представляет определение объемов связывания парниковых газов в почве, что отражается в большом количестве (более 33) различных математических моделей, используемых для расчета данных показателей [16]. В частности, в условиях России достаточно успешно использовались модели RothC-26.3 [17], DNDC [18] и др.
Целью работы стало разработка направлений по адаптации элементов системы земледелия Республики Татарстан к современным требованиям по производству продукции растениеводства и секвестрации углерода и парниковых газов в сельскохозяйственных почвах.
Условия, материалы и методы исследований.
В качестве исходных для анализа использовались материалы из «Системы земледелия Республики Татарстан» [19], а также результаты по оценке состояния почв в Республике Татарстан [20]. Расчет эмиссии и поглощения парниковых газов проводился согласно методике, принятой в «Национальном кадастре… парниковых газов» и соответствующих нормативных документах [21,22,23]. В качестве основы для анализа, использовались подходы к углеродному земледелию на национальном [11] и международном [10] уровнях.
Анализ и обсуждение результатов исследований.
Республика Татарстан относится к числу регионов России с высокоразвитым и диверсифицированным сельским хозяйством. При общей площади сельскохозяйственных угодий в 2020 году в 4,62 млн. га, на долю пашни приходится порядка 3,26 млн. га пашни (77%). Преобладающими типами почв являются черноземы (40,1%) и серые лесные почвы (37,5%), преимущественно тяжелого гранулометрического состава. При среднереспубликанской содержании гумуса порядка 4,5%, запасы его в почве оцениваются в среднем на уровне 140 т/га [20], что эквивалентно порядка 81,2 т/га чистого углерода. С учетом площади пашни, общие запасы органического углерода в ней в Республике Татарстан можно оценить на уровне 264-265 млн. т., что эквивалентно 970-980 млн. т углекислого газа. При сравнении с годовым выбросом парниковых газов на территории РТ (порядка 45,7 млн. т), становится понятной потенциальная роль сельскохозяйственных почв в их секвестрации.
Вместе с тем, одной из особенностей почв Татарстана является развитие эрозионных процессов, так только водной эрозии подвержено почти 42% пашни (порядка 1390 тыс. га). Серьезной проблемой остается развитие процессов дегумификации почв. В частности, за последние 20 лет среднее содержание гумуса в почвах РТ упало на 0,1% [20], что эквивалентно годовой эмиссии СО2 (только за счет окисления органических веществ почвы) на уровне 0,2-0,3 т/га или в объеме 0,6-0,7 млн. т. Значительные объемы эмиссии парниковых газов приходятся на закись азота, образуемую при внесении в почву азотных удобрений [22]. С учетом объемов применения азотных удобрений в растениеводстве Республики Татарстан, на долю данного источника эмиссии парниковых газов приходится порядка 0,5-0,6 млн. т. Соответственно, ежегодные выбросы, связанные только с двумя данными источниками парниковых газов, можно оценить на уровне 1,1-1,3 млн. т.
Таким образом, существующая система земледелия Республики Татарстан не обеспечивает решение задачи по секвестрации парниковых газов в сельскохозяйственных почвах и не может быть отнесена к категории «углеродного земледелия».
В основе любой системы земледелия лежат – рациональное землеустройство и землепользование, а также системы севооборотов. С точки зрения секвестрации углерода и создания оптимальных условий для функционирования агроценозов, особое место занимают вопросы оптимизации соотношения (структуры) сельскохозяйственных угодий. В частности для условий Татарстана, предлагается следующее соотношение для углеродного земледелия – пашня- 50-60%; почвозащитные лесные насаждения – 7-12%; сенокосы и пастбища 18-20%; водные объекты естественные и искусственные на уровне 5-8%. Водорегулирующие и прибалочные лесные полосы (при правильном подборе породного состава и конструкции), в единой связке с полевыми культурами обеспечивают максимальный уровень секвестрации парниковых газов в агроценозах, что позволит производить углеродные единицы сельскохозяйственным предприятиям. С точки зрения системы севооборотов, особое значение имеют многолетние травы. В частности, указывается что при использовании зернотравяных севооборотов возможно достижение бездефицитного баланса гумуса [24]. В настоящее время, доля многолетних трав в структуре посевных площадей достигла оптимального уровня, но необходимо систематическое обновление старовозрастных посевов. Среди сельскохозяйственных культур, с точки зрения углеродного следа, выделяются бобовые культуры как многолетние, так и однолетние, для которых он равен нулю. Однако, доля зернобобовых культур в структуре посевных площадей явно недостаточна и в республике требуется ее увеличение в 1,5-2 раза для достижения целей как снижения выбросов, так и секвестрации парниковых газов. Значительный вклад, в развитие углеродного земледелия в РТ имеет биологизация севооборотов, в первую очередь за счет широкого использования сидеральных паров, покровных и промежуточных культур, заделки соломы и т.д. В качестве иллюстрации к данному подходу, можно предложить результаты моделирования баланса сухого органического вещества в зернопаровом севообороте (табл. 1).
Полученные результаты показывают, что при отсутствии использования в севообороте приемов увеличивающих поступление в почву органических веществ отмечается отрицательный баланс сухого органического вещества, что с учетом того, что именно оно является основной для формирования гумуса и секвестрации в нем углерода, приводит к увеличению выбросов парниковых газов в растениеводстве. С учетом, среднего содержания углерода в сухом органическом веществе растений на уровне 45% [25], можно оценить в данном севообороте дополнительный приток углерода в почву при применении приемов биологизации на уровне 6,7 т/га за ротацию, что эквивалентно связыванию порядка 5,0 т/га углекислого газа ежегодно.
Существенное значение в углеродном земледелии играет оптимальное использование генетических ресурсов растений и микроорганизмов. При этом выделяются следующие направления: селекция сельскохозяйственных культур с мощной и активной корневой системой; использование растений со сбалансированным распределением продуктов фотосинтеза между надземными и подземными органами растений, в том числе и с учетом выделения корнями органических веществ в почву; создание консорциумов почвенных микроорганизмов для увеличения как объемов, так и активности корневых систем растений, способствующих росту растений [26].
Селекция на создание растений с хорошо развитой корневой системой для углеродного земледелия, обусловлено тем, что порядка 20-30% образующегося в ходе фотосинтеза органического вещества идет в подземные органы растений. Из этого объема, порядка 30% выделяется в ризосферу с корневыми выделениями (экссудатами), отмирающими клетками корня и в результате корневого дыхания [27]. Данные источники активно используются почвенным микробиомом, в том числе для образования органического вещества и секвестрации углерода. Разница между сортами по развитию корневой системы может быть значительной (табл. 2).
Результаты оценки показывают, что между сортами сои имеются значительные отличия как по сухой массе надземных органов, так и корней. Однако, соотношение в системе – надземные органы: корневая система остается более стабильной, что необходимо учитывать при использовании сортов в углеродном земледелии.
Одним из наиболее интересных направлений в увеличении объемов связывания углерода в почве остается применение биопрепаратов. Республика Татарстан относится к числу регионов России лидирующих в использовании биопрепаратов (индекс биологической защиты примерно в 3 раза выше, чем в среднем в России и в мире). Биопрепараты не только повышают продуктивность растений за счет ростостимулирующего эффекта и снижения поражения болезнями, но и могут оказывать выраженное влияние на формирование корневой системы сельскохозяйственных культур (табл. 3).
Результаты оценки показали, что существуют различия между штаммами по влиянию на накопление надземной и подземной частей растений пшеницы. Если первый штамм (Bacillus mojavensis PS17) оказал более выраженное влияние на рост корней, то второй (B. amyloliquefaciens REC-95B) – надземных органов. Таким образом, существует необходимость в разработке специализированных биопрепаратов для использования в углеродном земледелии.
Одним из необходимых условий углеродного земледелия, является использование почвозащитных систем обработки почвы. Наиболее пригодной для данных целей является система нулевой обработки или No-Till, при которой не происходит интенсивного механического воздействия на почву, а значит уменьшаются выбросы парниковых газов, связанные с окислением гумуса [28]. В Республике Татарстан отмечается рост интереса со стороны товаропроизводителей к использованию системы No-Till, в первую очередь с точки зрения снижения производственных затрат и защиты почв от эрозии [29,30] . Вместе с тем, применение No-Till в качестве основы карбонового земледелия, предполагает адаптацию данной технологии к конкретным условиям, что требует дополнительных научных исследований [31], что возможно при создании соответствующих научно-производственных площадок – агрокарбоновых полигонов или опытных полей. Существенная роль таких площадок и в решении, пожалуй одной из основных проблем по эмиссии парниковых газов в растениеводстве – выбросов закиси азота при внесении азотных удобрений. К сожалению, использовании таких приемов углеродного земледелия как – применение ингибиторов нитрификации при внесении азотных удобрений; отказ от поверхностного их внесения в пользу заделки в почву, а также широкое применение жидких форм туков [11], используются в земледелии Татарстана еще в недостаточной мере и решение данной задачи должно стать приоритетным при разработке системы мер по снижению углеродного следа в растениеводстве республики. Значительным резервом (с учетом развитого лесного хозяйства) по связыванию углерода в Татарстане могут стать пироугли биологического происхождения (биочар- biochar), зола и органические отходы промышленных предприятий. Интересным является и применение выхлопных газов сельскохозяйственных машин в качестве удобрений [32].
Выводы. Проведенные исследования показали, что существующее положение в земледелии Татарстан не позволяет полностью решить задачу по секвестрации парниковых газов в сельскохозяйственных почвах. Для развития углеродного земледелия, необходимо расширить применение приемов биологизации, таких как использование соломы и растительных остатков в качестве удобрений; выращивание промежуточных и покровных культур; применение сидеральных паров и т.д. При применении данных приемов в полевых севооборотах возможна потенциальная секвестрация углекислого газа в почве на уровне 5,0 т/га в год.
Для увеличения объемов связывания парниковых газов в агроценозах необходимо адаптировать видовой и сортовой состав культурных растений в направлении формирования более развитой и активной корневой системы. Существует реальная потребность в разработке новых групп биопрепаратов, специализированных не только с точки зрения роста урожайности культуры, но и стимулирующих активность корневой системы.
С точки зрения оптимизации обработки почвы, необходим всесторонний региональный анализ потенциала технологии No-Till в секвестрации парниковых газов в почве. Наряду с вопросами рационального применения азотных удобрений и дополнительных приемов по связыванию углерода в почве, изучение технологий No-Till, в качестве элемента карбонового земледелия, нуждается в создании на территории Татарстана региональных агрокарбоновых полигонов или опытных полей.
1. Diaz, D. Quantifying the economic risks of climate change/ D. Diaz, F.Moore// Nat. Clim. Change. - 2017б - Vol.7. - Р. 774-782.
2. Black, R. Migration as adaptation/ R. Black, S. R. G. Bennett, S. M. Thomas, J. R. Beddington, //Nature. - 2011. - Vol.478. - Р.447-449.
3. International Energy Agency (IEA). CO2 emissions from fuel combustion 2018// OECD Publishing, 2018.
4. Xiao, H. CO2 emission accounts of Russia’s constituent entities 2005-2019/ H. Xiao, W. Zhao, Y. Shan, D. Guan// Scientific Data. -2021. - Vol.8:172//doi.org/10.1038/s41597-021-00966-z.
5. Ahmed J. Agriculture and climate change Reducing emissions through improved farming practices/ J. Ahmed, E. et al. -McKinsey &Company. - 2020. - 45 р.
6. Полевой А.Н. Оценка динамики органического углерода чернозема оподзоленного в полевом севообороте при изменении климата/ А.Н. Полевой, Л.Е. Божко// Журнал Белорусского государственного университета. География. Геология. - 2019. - Т.2. - С. 65-78.
7. The Carbon Cycle Institute. Carbon Farming. 2020. Available online at: http: //www.carboncycle.org/%20carbon-farming
8. Hutchinson J.J. Some perspectives on carbon sequestration in agriculture/ Hutchinson J.J., Campbell C.A., Desjardins R.L. //Agric Forest Meteorol. - 2007. - Vol. 142. - P.288-302.
9. Lal, R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security //Science. - 2004. - Vol.304. - Р.1623-1627.
10. Lal, R. Carbon emission from farm operations//Environ Int. - 2004. - Vol. 30:981-990.
11. Иванов, А. Ю. Битва за климат: карбоновое земледелие как ставка России: экспертный доклад / А. Ю. Иванов, Н. Д. Дурманова, М. П. Орлов, К. В. Пиксендеев, Ю. Е. Ровнов и др. - М.: Изд. дом Высшей школы экономики, 2021. - 120 с.
12. Berazneva, J. Agricultural prodcutivity and soil carbon dynamics: a bioeconomic model/ Berazneva, J., Conrad, J. M., Guerena, D. T., Lehman, J., and Woolf, D.// Am. J. Agric. Econ. - 2019. - Vol.101. - Р. 1021-1046.
13. Pandey D. Carbon footprints: current methods of estimation/ D. Pandey, M. Agrawal, J.S. Pandey//Environ Monit Assess. - 2011. - Vol. 178. - Р. 135-160.
14. Lal, R. Soil health and carbon management//Food Energy Secur. - 2016, Vol.5. - Р. 212-222.
15. Mikhailova, E.A. Soil Carbon Regulating Ecosystem Services in the State of South Carolina, USA/ E.A. Mikhailova, H.A. Zurqani, C.J.Post et al.// Land 2021. - Vol.10. - 309.
16. Ozturk, I. Long-term simulation of temporal change of soil organic carbon in Denmark: comparison of three model performances under climate change/ Ozturk I, Sharif B, Baby S, Jabloun M, Olesen J.E. //The Journal of Agricultural Science. - 2018.- Vol.156(2). - Р.139 -150.
17. Суховеева, О.Э. В помощь к использованию модели Rothc в России: методика подготовки входной информации/О.Э. Суховеева//ПЭММЭ. - 2020. - Том XXXII, № 3-4. - С.
18. Sukhoveeva, O.E. Application of the DeNitrification-DeComposition (DNDC) model to retrospective analysis of the carbon cycle components in agrolandscapes of the Central Forest zone of European Russia/ Sukhoveeva O.E., Karelin D.V. // Geography. Environment. Sustainability. -2019. - Vol. 12. No. 2. - P. 213-226.
19. Система земледелия Республики Татарстан. Инновации на базе традиций / И. Х. Габдрахманов, Д. И. Файзрахманов, А. Р. Валиев [и др.]. - Казань : Центр инновационных технологий, 2013. - 168 с.
20. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан в 2020 году»
21. Национальный доклад Российской Федерации о кадастре антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов, не регулируемых Монреальским протоколом за 1990-2013 гг. Ч. 1. М.: Росгидромет, 2015. - 476 с.
22. Методические рекомендаций по проведению добровольной инвентаризации объема выбросов парниковых газов в субъектах Российской Федерации», утвержденных Распоряжением Минприроды России от 16.04.2015 № 15-р.
23. Методические указания по количественному определению объёма поглощения парниковых газов», утвержденных Распоряжением Минприроды России от 30.06.2017 № 20-р.
24. Каюмов, М. К. Программирование урожаев сельскохозяйственных культур / М. К. Каюмов. - М.: Агропромиздат, 1989. - 320 с.
25. Учебно-методическое пособие для лекционного курса «Биогеохимия» / Н.А.Улахович, М.П.Кутырева, С.С.Бабкина. - Казань: Казанский государственный университет, 2008. - 47 с.
26. Jansson C. Crops for Carbon Farming/ Jansson C, Faiola C, Wingler A, Zhu X-G, Kravchenko A, de Graaff M-A, Ogden AJ, Handakumbura PP, Werner C and Beckles DM //Front. Plant Sci. - 2021. - Vol. 12:636709. doi:https://doi.org/10.3389/fpls.2021.636709
27. Kaiser, C. Exploring the transfer of recent plant photosynthates to soil microbes: mycorrhizal pathway vs direct root exudation/ Kaiser, C., Kilburn, M. R., Clode, P. L., Fuchslueger, L., Koranda, M., Cliff, J. B., et al. //. New Phytol. - 2015. - Vol. 205. - Р. 1537-1551. doi:https://doi.org/10.1111/nph.13138
28. Derpsch, R. Current status of adoption of no-till farming in the world and some of its main benefits/ R. Derpsch, T.Friedrich, A.Kassam, & L. Hongwen //International Journal of Agric & Biol Eng. - 2010. - Vol. 3. - Р. 1-25.
29. Minikajev, R. Optimization of the main tillage in the grey forest rotation of the Predkamye region of the Republic of Tatarstan / R. Minikajev, G. Saifiyeva, I. Manukova // BIO Web of Conferences : International Scientific-Practical Conference “Agriculture and Food Security: Technology, Innovation, Markets, Human Resources” (FIES 2019), Kazan, 13-14 ноября 2019 года. - Kazan: EDP Sciences, 2020. - P. 00066.
30. Миникаев, Р. В. Оптимизация системы обработки почвы в условиях агроклиматических рисков Северной части лесостепи Поволжья / Р. В. Миникаев, И. М. Сержанов, Д. А. Фатыхов // Научно-образовательные и прикладные аспекты производства и переработки сельскохозяйственной продукции : Сборник материалов Международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения профессора А.И. Кузнецова (1930-2015 гг).- Чебоксары: Чувашский государственный аграрный университет, 2020. - С. 220-230
31. Ogle, S.M. Climate and soil characteristics determine where No-till management can store carbon in soils and mitigate greenhouse gas emissions/S.M. Ogle, C. Alsaker, J. Baldock et al.//Sci Rep. - 2019. - Vol. 9:11665. doi.org/10.1038/s41598-019-47861-7
32. Khan, I. R. Exhaust gas fertilizer // International Journal for Research in Applied Science & Engineering Technology. - 2017. - Vol. 5.
