УДК 631.9 Прочие вопросы
Широко известны негативные последствия глобального изменения климата, в частности, приводящие к снижению почвенного плодородия и уменьшению эффективности растениеводства. Постоянно разрабатываются подходы экологизации земледелия. К их числу можно отнести использование гороха посевного (Pisum sativum) в качестве почвопокровной культуры для снижения эмиссии СО2 на открытой пашне посредством фиксации С в фитомассе, которая в дальнейшем будет запахана в почву. Цель исследований ‒ оценить потенциал гороха посевного в качестве сидеральной культуры с точки зрения эффективности улавливания С из атмосферы при разных температурах. Для оценки эффективности такого подхода в условиях оранжереи при разных температурных режимах (20 °С, 25 °С, 30 °С) был проведен вегетационный эксперимент с почвой, на которой выращивали растения гороха посевного, и почвой без растений (имитация пара). В ходе эксперимента оценивали показатели, характеризующие процессы накопления углерода (фитомассу, содержание углерода в ней) и эмиссии СО2 из почвы (интенсивность респираторной активности почвы). С увеличением температуры с 20 °С до 30 °С происходит снижение фиксации С в фитомассе растений и уменьшение эмиссии СО2 вследствие ослабления респираторной активности почвенного микробного сообщества. Увеличение температуры вегетации приводит к снижению прироста длины стебля и фитомассы гороха посевного. Респираторная активность почвы занятой горохом посевным на 14-е и 21-е сутки была выше, чем в варианте с паром. Максимальные величины этого показателя для всех температурных режимов были отмечены на 14-е сутки. С увеличением температуры в вариантах, имитирующих пар, происходило повышение эмиссии СО2 вследствие роста респираторной активности почвы, для почвы под горохом посевным установлена обратная закономерность. Максимальная в опыте фиксация С (585 кг С/га) при выращивании гороха посевного отмечена для температурного режима 20 °С.
изменение климата, улавливание углекислого газа, сидераты, баланс углерода в почве, горох посевной (Pisum sativum)
Введение. Глобальное изменение климата вызвано увеличением концентрации в атмосфере парниковых газов вследствие антропогенной деятельности. На глобальную продовольственную систему приходится 21…37% ежегодных выбросов [1], то есть она занимает 3-е место по объему эмиссии таких парниковых газов, как двуокись углерода (CO2), метан (CH4) и закись азота (N2O) [2, 3].
Источниками парниковых газов в сельском хозяйстве, прежде всего, служат CH4, образующийся в животноводстве (биологическая деструкция органических отходов сельского хозяйства методами компостирования или анаэробного сбраживания, процессы ферментации в желудочно-кишечном тракте) и N2O, образующийся при производстве и применении азотных удобрений. Важно учитывать высокую степень влияния этих газов на глобальное изменение климата. Согласно Распоряжению Правительства Российской Федерации № 2979-р потенциал влияния на глобальное потепление, установленный для метана и закиси азота, в Российской Федерации составляет 25 и 298 единиц – эквивалентов диоксида углерода [4].
Однако наиболее крупнотоннажным парниковым газом выступает диоксид углерода, образующийся от сжигания топлива при использовании спецтехники и транспортировке готовой продукции, семян, удобрений, при разложении органических отходов и растительных остатков, а также в процессе дыхания почвенной микрофлоры. Почвенное дыхание, то есть эмиссия CO2, образующегося в результате жизнедеятельности почвенных организмов, преимущественно бактерий и микромицетов, служит одним из основных потоков в глобальном углеродном цикле, ежегодно выбрасывая в атмосферу в 10 раз больше CO2, чем сжигание ископаемого топлива. Из-за молекулярного веса и ограниченной диффузионной способности почвы молекулы CO2 обычно концентрируются в почве и приземном слое воздуха [5]. Вспашка приводит к выделению молекул СО2, накопленных в почве, а также к повышению активности почвенного микробного сообщества, что в свою очередь также способствует увеличению респираторной активности и эмиссии СО2. Кроме того, почвенное базальное дыхание коррелирует с влажностью и температурой почвы. Поэтому большинство исследований направлены на то, чтобы понять, как дыхание почвы реагирует на изменение погоды и условий землепользования для включения этих обратных связей в глобальные климатические модели. Быстрое изменение климата приведет к негативным последствиям в области продовольственной безопасности и социальной сферы, поэтому актуальна разработка способов снижения эмиссии и улавливания парниковых газов [6]. Одно из направлений решения этой задачи – снижение эмиссии парниковых газов и фиксация С в биомассе растений, в частности, посредством исключения периода нахождения пашни без растительного покрова, например, после уборки озимых путем использования почвопокровных культур. В современных условиях в качестве почвоулучшителей широко используют сидераты [7]. Срок их вегетации ограничен фазой образования семян и поэтому не должен превышает 40…60 суток. Важное условие выращивания сидератов – накопление достаточного количества биомассы, которая в последствии будет легко подвергнута деструкции почвенным микробным сообществом, поэтому они могут быть посеяны после озимых культур – в июле-августе. В таком случае поверхность почвы после вспашке будет закрыта растительным покровом и одновременно удастся избежать неконтролируемого развития сорняков. Кроме того, выращивание почвопокровных сидеральных культур дает возможность улавливать диоксид углерода из атмосферы и фиксировать С в фитомассе, которая в последующем будет заделана в почву, что приведет к увеличению содержания органического углерода. Одновременно возделывание сидеральных культур приводит к улучшению качества почвы, снижению вымывания питательных элементов, в частности N, уменьшению плотности, оптимизации агрегатного состава почвы, увеличению разнообразия почвенного микробиома [7, 8].
В последние годы четко сформулированы требования к сидеральным культурам: интенсивный пророст фитомассы, большая площадь листьев (для покрытия поверхности почвы), способность к накоплению питательных элементов, низкая себестоимость выращивания, широкий экологический оптимум по отношению к освещенности, температуре, влажности и качеству почвы, высокая устойчивость к болезням и вредителям, а также пестицидам, низкое содержание лигнина, узкое соотношение C:N, высокая скорость биодеградации растительных остатков, возможность фиксации атмосферного азота. Поэтому в качестве сидератов часто используют растения виды семейства Бобовые, например, люпин, клевер белый и розовый, вика яровая и озимая, донник белый, соя, фасоль, кормовые бобы, горох посевной [9].
Цель исследований – определить возможность снижения эмиссии диоксида углерода в условиях меняющегося климата при выращивании гороха посевного в качестве сидеральной культуры для снижения последствий изменения климата и сохранения высокого содержания органического вещества в почве.
Условия, материалы и методы. Для оценки потоков углерода в условиях оранжереи был поставлен вегетационный эксперимент при трех температурных режимах: 20 °С, 25 °С и 30 °С. При его проведении поддерживали следующие стабильные условия: содержание СО2 в атмосфере – 390…420 ppm; режим освещённости – 16 ч свет,8 ч темнота; интенсивность освещения – 400…500 Вт/м2; относительная влажность воздуха – 50…55 %; влажность почвы – 55…60 % от общей влагоемкости. Вегетационный эксперимент проводили в течение 40 суток с использованием серой лесной почва: без растений(имитация пара) и с выращиванием гороха посевного (Pisum sativum). Ее насыпали по 10 кг в контейнеры размером 30 см × 40 см × 20 см, повторность – трехкратная. В исходной почве определяли рН, содержание подвижного фосфора (Pподв), подвижного калия (Кподв), общего азота (Nобщ), общего (Собщ) и органического углерода (Сорг), гранулометрический состав. Содержание общего углерода и общего азота в почвенных и растительных образцах определяли методом сухого сжигания согласно DIN/ISO 13878 на анализаторе Elementar Vario MAX Cube (Germany) [10], подвижные формы фосфора и калия ‒ методом спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на анализаторе ICPE 9000 Shimadzu (Japan). Экстракцию подвижных форм макро- и микроэлементов осуществляли с использованием ацетатно-аммонийного буферного раствора с рН 4,8 согласно ГОСТ Р ИСО 27085-2012 [11]. Гранулометрический состав определяли с использованием лазерного дифракторметра Blue Wave Microtrack (USA) согласно ISO 13320:2020 [12, 13]. Содержание Собщ в исходной почве составляло – 14±0,11%, Сорг – 3,41±0,12 %, Nобщ – 0,21±0,01 %, Pподв – 0,03±0,01 %, Кподв – 0,07±0,01%, рН 6,7±0,24, гранулометрический состав по Ферре – пылевато-глинистый суглинок (глина – 24,57 %, пыль – 75,43 %).
На 14-е, 21-е и 40-е сутки определяли морфометрические показатели растений (длина корня, длина стебля, биомасса), на 40-е сутки – содержание хлорофилла с использованием портативного хлорофилломера Force-A (Dualex) [14].
Эмиссию СО2 из почвы оценивали по уровню респираторной активности почвы, согласно ISO 16072:2002 [15] c окончанием на газовом хроматографе Nexis GC-2030 Shimadzu (Япония).
Баланс углерода определяли для всех температурных режимов, как разницу между количеством углерода, уловленного фитомассой растений гороха посевного за 40 суток вегетации, и количеством углерода, выделенным из почвы вследствие увеличения ее респираторной активности, по сравнению с вариантом, имитирующим пар. Для этого рассчитывали кумулятивную респираторную активность за 40 суток инкубации почвы. Суммарное содержание углерода в фитомассе определяли на основании данных о сухой биомассе растений и содержании в ней Собщ. Эффективность гороха посевного в качестве уловителя СО2 оценивали на основе баланса углерода.
Все измерения проводили не менее трех раз. Статистическую обработку результатов выполняли с использованием Microsoft Office Excel 2010 (США). Все данные, представленные на рисунках и в таблице, содержат средние значения и стандартные ошибки. Достоверность различий оценивали с использованием критерия Фишера при α = 0,05 в пакете Statistiсa 13.0 (Statsoft, США).
Результаты и обсуждение. На основании морфометрических параметров растений можно определить эффективность фиксации СО2 из атмосферы в С фитомассы. Растения, которые предполагается использовать в качестве сидеральных культур и фиксаторов СО2 должны характеризоваться высоким проростом фитомассы в начале вегетации. На 14-е сутки рассматриваемые параметры растений, выращенных при разных температурах, находились на одном уровне (рис. 1). Начиная с 21-х суток выявлены достоверные различия (p<0,05) по длине корней и стеблей растений при разных температурах, а на 40-е сутки и по биомассе. Максимальное в опыте увеличение длины корней и стеблей отмечали у растений, вегетация которых проходила при 20 °С, минимальное ‒ при 30 °С. Достоверных различий между биомассой растений, выращенных при 25 °С и 30 °С не установлено.
Рис. 1 ‒ Изменение морфометрических показателей растений гороха, выращиваемого при разных температурах.
С 14-х по 40-е сутки сильнее всего увеличивалась высота наземной части растений при 25 °С и 20 °С ‒ в 2,9 и 3,5 раз соответственно. Наименьший в опыте прирост установлен для длины корня ‒ в 1,3…1,8 раза при всех температурах.
Физиологическое состояние растений характеризует содержание хлорофилла в листьях. При низкой величине этого показателя процесс фотосинтеза идет менее интенсивно, что сопровождается снижением эффективности улавливания СО2 из атмосферного воздуха. В нашем исследовании содержание хлорофилла достоверно не зависело ни от продолжительности эксперимента, ни от температуры (рис. 2).
Рис. 2 ‒ Содержание хлорофилла в листьях гороха, выращиваемого в разных температурных условиях.
Корни растений, особенно бобовых, выделяют экссудаты, которые в свою очередь могут стимулировать активность микробного сообщества ризосферы. С одной стороны, ризосфера представлена достаточно тонким (2…3 мм) слоем почвы [16], с другой, экссудация корней может стимулировать гетеротрофное дыхание ризосферной почвы, на долю которого приходится до 20 % от общего дыхания почвы [17]. Респираторная активность на 14-е и 21-е сутки под растениями гороха была в 1,2…3,8 раза выше, чем в вариантах, имитирующих пар, при этом максимальная в опыте респираторная активность установлена на 14-е сутки вегетационного эксперимента (рис. 3). К 40-м суткам под горохом она снижалась и либо находилась на уровне обычной почвы (25 °С и 20 °С), либо была достоверно (p<0,05) ниже (30 °С). Для вариантов, имитирующих пар, установлена прямая корреляция между температурой окружающей среды и респираторной активностью (r=0,85), для почвы под горохом – обратная (r=0,87).
Рис. 3 ‒ Респираторная активность парующейся почвы (П) и почвы под горохом (Г) при разных температурных условиях.
Известно, что растения в процессе фотосинтеза переводят неорганический углерод в органический ‒ в молекулы глюкозы. Однако существуют и процессы, в которых углеродсодержащие молекулы выводятся из растения, например, дыхание, выделение корневых экссудатов и др. Прирасчете баланса углерода было допущено упрощение и улавливание СО2 из атмосферы анализировали только на основе данных об углероде, зафиксированном в фитомассе (см. табл.). Не установлено достоверных связей (p>0,05) между содержанием углерода в фитомассе растений гороха и температурой вегетации. Выявлена обратная корреляция между температурой вегетации и биомассой растений (r= -0,78), то есть общее количество С в биомассе растений гороха посевного снижалось с увеличением температуры вегетации. Максимальное в опыте улавливание С установлено при 20 °С ‒ 656±73 кг С/га, минимальное ‒ при 30 °С – 302±86 кг С/га. Посев гороха приводит к увеличению респираторной активности почвы вследствие активации почвенного микробного сообщества корневыми выделениями. При температуре 30 °С разница между куммулятивной респираторной активностью почвы под растениями гороха и вариантом с имитацией пара была минимальной – 6 кг С/га. Снижение температуры вегетации растений привело к увеличению эмиссии СО2в результате почвенного дыхания. При 25 °С она составляла 48 кг С/га, при 20 °С – 71 кг С/га. При температуре 20 °С увеличение эмиссии вследствие почвенного дыхания достигало 11 % от общей фиксации углерода в фитомассе. Баланс углерода для всех изученных температурных режимов был положительным, это означает, что фиксация углерода в фитомассе преобладает над эмиссией СО2 в результате почвенного дыхания. При увеличении температуры до 25 °С эффективность улавливания СО2 из атмосферы и накопление С в фитомассе растений гороха посевного снижается на 25 %,до 30 °С – на 49 %. Несмотря на увеличение респираторной активности в почве под горохом, по сравнению с таковой в варианте, имитирующем пар, при температурном режиме 20 °С, высокий прирост фитомассы обеспечил фиксацию 585 кг С/га из атмосферного СО2.
Таблица ‒ Оценка потенциала гороха посевного как уловителя СО2
|
Температурный режим |
Содержание С в сухой биомассе растений гороха, % |
Улавливание С в биомассе растений гороха, кг/га |
Увеличение эмиссии СО2 посредством почвенного дыхания при вегетации гороха, кг С/га |
Баланс С, кг/га |
|
30 °С |
44,04±3,29 |
302±86 |
6,0±0,4 |
296 |
|
25 °С |
43,70±3,44 |
488±120 |
48,1±1,1 |
440 |
|
20 °С |
46,68±1,41 |
656±73 |
71,0±4,3 |
585 |
Выводы. Выращивание гороха посевного в качестве почвопокровной, сидеральной культуры способствует снижению эмиссии СО2 из почвы, находящейся в состоянии открытой пашни. Увеличение температуры вегетации с 20 °С до 30 °С приводит к снижению фиксации углерода в фитомассе растений, одновременно происходит снижение эмиссии СО2, обусловленной респираторной активностью почвенного микробного сообщества. Анализ баланса углерода, рассчитанного на основании показателей эмиссии СО2, связанной с респираторной активностью почвы и фиксацией углерода в фитомассе растений гороха посевного, показал, что максимальное улавливание С происходит при 20 °С и составляет 585 кгС/га.
1. Food Security / C.Mbow, C.Rosenzweig, L.G.Barioni,et al. Germany, Potsdam: Institut fur Klimafolgenforschung, 2019.550c.
2. Agriculture’s Contribution to Climate Change and Role in Mitigation Is Distinct From Predominantly Fossil CO2-Emitting Sectors / J.Lynch, M.Cain, D.Frame,et al. // Front. Sustain. FoodSyst. 2021. URL: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fsufs.2020.518039/full (дата обращения: 05.09.2023).
3. Сафин, Р. И. Современное состояние и перспективы развития углеродного земледелия в Республике Татарстан / Р. И. Сафин, А. Р. Валиев, В. А. Колесар // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2021. - Т. 16, № 3(63). - С. 7-13.
4. Об утверждении перечня парниковых газов, в отношении которых осуществляется государственный учет выбросов парниковых газов и ведение кадастра парниковых газов: Распоряжение Правительства Российской Федерации от 22.10.2021№2979-р //Рос. газ. 2021. 7 июля.
5. PhillipsC.L., NickersonN. Soil Respiration Reference Module in Earth Systems and Environmental Sciences: моногр. Denmark: Elsevier, 2015. 20 p.
6. Jayawardena D.M., Heckathorn S.A., Boldt J.K. A meta-analysis of the combined effects of elevated carbon dioxide and chronic warming on plant %N, protein content and N-uptake rate // AoB Plants. 2021URL: https://academic.oup.com/aobpla/article/13/4/plab031/6284301 (дата обращения: 05.09.2023).
7. Encouraging adoption of green manure technology to produce clean rice product / N.Valizadeh, S.Jalilian, Z.Hallaj,et al. // Sci. Rep. 2023. URL: http://www.voennoepravo.ru/node/2149 (датаобращения: 05.09.2023).
8. The potential of green manure to increase soil carbon sequestration and reduce the yield-scaled carbon footprint of rice production in southern China / S.Gao, S.Li, G.Zhou,et al. // J. Integr. Agric. 2022. Vol. 22.No. 7. P. 2233-2247.
9. Saini P.K., Yadav R.K., Yadav G.C. Green manures in agriculture: A review // BhartiyaKrishiAnusandhanPatrika. 2019. Vol. 34. No.1. P. 1-10.URL: https://arccjournals.com/journal/bhartiya-krishi-anusandhan-patrika/BKAP142 (дата обращения: 05.09.2023).
10. Differentiation of charcoal, soot and diagenetic carbon in soil: Method comparison and perspectives / P.J.Roth, E.Lehndorff, S.Brodowski,et al. // Org. Geochem. Pergamon. 2012. Vol. 46. P. 66-75.
11. ГОСТ Р ИСО 27085-2012 Корма для животных. Определения содержания кальция, натрия, фосфора, магния, калия, железа, цинка, меди, марганца, кобальта, молибдена, мышьяка, свинца и кадмия методом ИСП-АЭС (Переиздание). М.: Стандартинформ, 2012. 28с.
12. ISO 13320:2009 Particle size analysis - Laser diffraction methods ISO Standards, 2009.51p.
13. Is the Laser Diffraction Method Reliable for Soil Particle Size Distribution Analysis? / Y.Yang, L.Wang, O.Wendroth,et al. // Soil Sci. Soc. Am. J. 2019. Vol. 83.No. 2. P. 276-287.
14. A new optical leaf-clip meter for simultaneous non-destructive assessment of leaf chlorophyll and epidermal flavonoids / Z.G.Cerovic, G.Masdoumier, N. BenGhozlen,et al. // Physiol. Plant. 2012. Vol. 146.No. 3. P. 251-260.
15. ISO 16072. Soil quality-Laboratory methods for determination of microbial respiration ISO Standards, 2002.19p.
16. Ларикова Ю.С., Волобуева О.Г. Современные представления об эколого-физиологической роли корневых экссудатов растений // Зернобобовые и крупяные культуры. 2021. № 4(40). C. 94-101.
17. Relationship between fine-root exudation and respiration of two Quercus species in a Japanese temperate forest / L.Sun, M.Ataka, Y.Kominami,et al. // Tree Physiol. 2017. Vol. 37.No. 8. P. 1011-1020.
