КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-26-00191

НазваниеОценка потоков углерода в агроэкосистемах

РуководительСуховеева Ольга Эдуардовна, Кандидат географических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт географии Российской Академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2024 г.

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-106 - Растениеводство

Ключевые словадиоксид углерода, метан, чистый экосистемный обмен, почвенный органический углерод, имитационные модели, углеродные калькуляторы, длительные полевые опыты, растениеводство, животноводство, послеуборочные остатки, эмиссия парниковых газов

Код ГРНТИ68.01.77

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере – основная причина современного изменения климата, а сельское хозяйство – второй после ископаемого топлива источник их поступления в атмосферу. С другой стороны, агроценозы в период произрастания культур на полях выступают поглотителями углерода из атмосферы за счет накопления его в фитомассе. Более того, пашни, сенокосы и пастбища являются слабыми поглотителями метана. Методы математического моделирования заменяют собой эксперименты и прямые измерения, а также позволяют делать прогнозы и экстраполировать данные в пространстве и времени. Длительные полевые опыты дают возможность статистически оценить влияние природных и антропогенных факторов на урожайность и качество продукции культур за счет накопления рядов данных достаточной продолжительности. Основной целью проекта является определение количественных значений эмиссии и поглощения углерода различными компонентами аграрных экосистем, воспроизведение в ретроспективе потоков углерода и прогноз влияния на них изменений внешних условий с целью разработки стратегии снижения эмиссии парниковых газов в сельском хозяйстве. Для достижения поставленной цели необходимо реализовать два блока задач – полевые и расчетные. К полевым относятся: 1. Сравнение пулов и потоков углерода в природных и аграрных экосистемах, в опытных и производственных условиях, 2. Оценка эмиссии и поглощения СО2 и СН4 и влияния на них гидротермических и агрохимических параметров среды, 3. Определение нетто-баланса углерода в агроценозах, 4. Определение количества углерода, поступающего в почву с послеуборочными остатками. В группу расчетных входят: 1. Восстановление в ретроспективе потоков углерода в длительных полевых опытах, 2. Прогноз отклика потоков углерода на изменение условий внешней среды, 3. Определение влияния климатических изменений на урожайность и качество зерна культур, 4. Оценка эмиссии парниковых газов от сектора животноводства. Новизна проекта заключается в его комплексности и многоплановости: • Рассматриваются сектор растениеводства и животноводства, • Объектами исследования выступают как полевые опыты, так и действующие хозяйства, • Применяются как расчетные методы, так и полевые измерения, • Аграрные экосистемы сравниваются с природными, • Используются ретроспективные и прогнозные оценки, • Оценивается баланс углерода на уровне почвы и на уровне экосистемы, • Широкий охват природных зон и почвенно-климатических условий. Преимущество представленного исследования заключается в разносторонних подходах, применяемых для оценки потоков углерода: • Агроэкосистемы будут рассматриваться не только как источники парниковых газов, но и как возможные их поглотители. • Комплексный эффект будет достигнут за счет сочетания инструментальных измерений in situ, имитационного моделирования и привлечения данных длительных полевых опытов. • Динамика потоков углерода в сельском хозяйстве будет оцениваться в прошлом (за счет восстановления их значений за последние 100 лет) и в будущем (за счет составления прогноза их изменения на ближайшие 30 лет). • Баланс углерода будет оцениваться на разных уровнях в система «почва – растения – атмосфера», а также в разных масштабах – биогеоценоза, хозяйства, региона. Объектами исследования будут выступать полевые опыты: • Длительный опыт Тимирязевской академии (Москва), • Опыт Фаленской селекционной станции (Кировская обл.), • Площадка мониторинга Курской биосферной станции (Курская обл.), И действующие хозяйства • Крестьянско-фермерское хозяйство Е.А. Гусева (Рязанская обл.), • ООО Амосовское (Курская обл.), • Племенной конный завод имени В.И. Чапаева (Чувашская респ.), • ХайдельбергЦемент Рус (Тульская обл.). Для сектора растениеводства будут применяться имитационные модели DNDC (DeNitrification-DeComposition), RothC (Rothamsted field experiment Carbon), T&P (Temperature and Precipitation). Для сектора животноводства будут использоваться углеродные онлайн-калькуляторы Cool Farm Tool, AgRE-Calc, Farm Carbon Calculator.

Ожидаемые результаты
По результатам исследования будут составлены электронные базы данных по особенностям возделывания культур и выращивания животных в хозяйствах Курской, Тульской, Рязанской областей и Чувашской республики, а также систематизированы сведения о длительных полевых опытах Тимирязевской академии и Фаленской селекционной станции. На базы данных по длительным полевым опытам планируется получить авторское свидетельство в Роспатенте. С помощью имитационных углеродных моделей DNDC, RothC и T&P будут рассчитаны в ретроспективе и сопоставлены по вариантам такие потоки углерода как дыхание почвы, динамики почвенного органического углерода, фотосинтез и чистый экосистемный обмена, на примере длительных полевых опытов Тимирязевской академии за 1912-2022 гг. (за 111 лет) и Фаленской селекционной станции за 1971-2022 гг. (за 52 года), а также дан прогноз их изменения в ответ на увеличение концентрации СО2 в атмосфере, сокращение запасов органического углерода в почве, повышение температуры воздуха в 2025-2050 гг. Результаты модельных экспериментов будут экстраполированы на масштаб субъектов. Кроме того, на примере этих двух полевых опытов с помощью статистических методов будет разделено влияния изменений климата и антропогенного воздействия на продуктивность культур и накопление протеина в зерне. Отдельный блок исследования будет посвящен расчету соотношения фракций растительной биомассы (зерно : мякина, колос : стебель : листья : корни) и оценке количества пожнивных и корневых остатков, поступающих в почву после уборки сельскохозяйственных культур, а также содержания в них углерода и азота. Это позволит усовершенствовать методику опосредованного определения количества растительных остатков по урожаю основной продукции, т.е. построить регрессионные уравнения зависимости количества пожнивных и корневых остатков от урожайности для основных сельскохозяйственных культур. Аграрные (пашни, сенокосы, пастбища) и природные (залежи, леса) экосистемы и объекты животноводства в хозяйствах Московской, Тульской, Рязанской, Курской, Кировской областей, Чувашской республики будут ранжированы по усилению интенсивности эмиссии СО2 из почвы, а также разделены на источники и поглотители метана. Будет оценена зависимость количественных значений потоков парниковых газов от гидротермических и агрохимических параметров среды. Измерение чистого экосистемного обмена в агроценозах позволит определить, являются ли они источниками или стоками углерода, а также насколько интенсивен последний в период произрастания культур на полях. Кроме того, будут выявлены пространственно-географические закономерности изменения содержания органического углерода в почве пашен, сенокосов, пастбищ, залежей, лесов Московской, Тульской, Рязанской, Курской, Кировской областей, Чувашской республики и оценена его зависимости от почвенно-климатических условий. С помощью онлайн-калькуляторов Cool Farm Tool, AgRE-Calc, Farm Carbon Calculator будет оценена эмиссия парниковых газов в пересчете на СО2-эквивалент / год на голову скота и в целом на хозяйство на примере животноводческих предприятий Курской, Рязанской областей и Чувашской республики. По результатам исследования планируется опубликовать не менее пяти статей в журналах из баз Web of Science/Scopus, а также принять участие в шести международных конференциях.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Задача первого года исследования состояла в расчете потоков парниковых газов в секторе растениеводства и животноводства, оценке пулов углерода и азота в почве и растительности, анализе зависимости урожайности от природных и антропогенных факторов. Объектами исследования выступали полевые опыты (Длительный опыт ТСХА и опыт Фаленской станции) и действующие хозяйства в Курской, Рязанской, Тульской областях и Чувашской Республике. В опытах были выбраны делянки с контрастными вариантами внесения удобрений и известкования, а в действующих хозяйствах измерения проводились в семи группах экосистем – пашнях, пастбищах, сенокосах, залежах, лесах, загонах для скота и компостных кучах. Методы исследования включали в себя полевые измерения, статистический анализ и моделирование. Эмиссия СО2 из почвы в хозяйствах в 2023 г. была преимущественно выше по сравнению со средними потоками за 2020-2022 г. Выделенные семь групп экосистем были ранжированы на основании критерия Манна-Уитни с следующем порядке: пашни (0,144-0,200 г С м-2 ч-1) < пастбища (0,160-0,357) ≤ сенокосы (0,181-0,399) ≤ леса (0,094-0,511) ≤ залежи (0,157-0,431) << загоны (0,255-2,841) << компостные кучи (1,620-3,403). В Длительном опыте ТСХА проводились непрерывные измерения в течение всего вегетационного сезона. Четкой внутрисезонной динамики потока СО2 из почвы не прослеживалось, что, вероятно, связано с неравномерностью выпадения осадков и обработки почвы. Максимальная эмиссия СО2 из почвы наблюдалась под озимой рожью (0,011-0,502 г С м-2 ч-1) с обильной фитомассой, минимальная – на делянках картофеля (0,011-0,209), где применяется гребневание. Среди трех наблюдаемых вариантов удобрений наибольшее дыхание почвы отмечалось при внесении NPK+навоз, на вариантах NPK и без удобрений оно было сходным. Эмиссия СО2 из почвы опыта Фаленской станции, где в 2023 г. возделывалась озимая рожь, возрастала по вариантам: без удобрений < NPK < N от 0,191 до 0,651 г С м-2 ч-1. Корреляционный анализ указывал на сильные связи потока СО2 из почвы с температурными и влажностными характеристиками почвы в Чувашской республике, Рязанской и Тульской областях. В Курской области корреляции были слабыми, а Длительном опыте ТСХА – средними. Уравнения регрессии объясняли 30,4-94,6% дисперсии эмиссии СО2 в хозяйствах и 12,9-40,7% − в опыте ТСХА. Анализ потока СО2 из почвы в Длительном опыте ТСХА с помощью критерия Манна-Уитни показал отсутствие различий в дыхании почвы между вариантами удобрений на чистом пару и на картофеле, у ржи и ячменя значимой была только разница для варианта NPK+навоз. Таким образом, в формировании потока СО2 из почвы ключевую роль играет не антропогенный фактор, а погодные и почвенные условия. Пашни (0,214-0,854 мг СН4 м-2 ч-1), сенокосы (0,015-8,070), залежи (0,006-0,433), леса (0,078-1,518) и большинство пастбищ (0,015-1,781) выступают поглотителями метана разной степени интенсивности. В формировании баланса закиси азота ключевую роль играет не тип землепользования, а географическое положение объектов – в Чувашии все растительные сообщества являются поглотителями закиси азота (0,023-0,380 мг N2О м-2 ч-1), тогда как в Рязанской области все они выступают источниками (0,011-0,634). Объекты животноводства − мощные источники как метана (99,37-33909,5 мг СН4 м-2 ч-1), так и закиси азота (11,24-743,6 мг N2О м-2 ч-1). Почвы длительных полевых опытов, в основном, поглощают метан (0,0005-0,0187 мг СН4 м-2 ч-1), но являются источниками закиси азота (0,0034-0,3205 мг N2О м-2 ч-1). Содержание в почве органического углерода и общего азота зависит от типа землепользования, а также подчиняется широтной закономерности: в регионах, лежащих южнее (Курская область) в почвах природных и антропогенных экосистем этих элементов гораздо больше (2,75-7,95% Сорг и 0,24-0,62% Nобщ), чем севернее, в Рязанской области (1,92-6,45% и 0,15-0,60%) и Чувашии (1,31-3,76% и 0,12-0,36%). Содержание углерода и азота во фракции твердых дисперсных органических частиц (РОМ) – наиболее активной части почвенного органического вещества – как правило, выше на 1,89-3,32% по С и 0,11-0,21% по N, кроме почв с большой долей песка. Исходя из того, что разница значений между регионами гораздо сильнее разницы между экосистемами внутри каждого региона, следует признать, что основными факторами формирования средних запасов углерода и азота в почве остаются природные, почвенно-климатические. В Длительном опыте ТСХА уровни содержания двух элементов в варианте NPK+навоз были выше (1,38-2,56% Сорг и 0,11-0,20% Nобщ), чем в варианте NPK (1,09-1,39% и 0,08-0,12%) и на делянках без удобрений (0,47-1,16% и 0,03-0,09%). В опыте Фаленской станции значимых различий в содержании Сорг и Nобщ в почве между разными вариантами удобрений не было выявлено. На долю корней у зерновых культур приходится 4,4-8,1% фитомассы, стерни – 10,3-13,2%. Другими словами, в агроценозах остается только 1/7-1/5 общей массы растений. Количество углерода, привносимого в почву с корнями возрастает в ряду: ячмень, 120 < яровая пшеница, 233 < соя, 253 < озимая пшеница, 286 < озимая рожь, 408 кг С /га; со стерней: соя, 206 < ячмень, 374 < яровая пшеница, 470 < озимая пшеница, 543 < озимая рожь, 703 кг С/га. У сои дополнительно выделяется фаза сбрасывания листьев, которые также восполняют пул почвенного углерода на 2457 кг С/га. Уточнены регрессионные уравнения зависимости количества корней и стерни от урожайности зерна для озимой пшеницы. В распределении фитомассы сенокосов и пастбищ четко прослеживается влияние географического фактора: на севере, в Чувашии, урожайность гораздо ниже по обоим типам фитоценозов (0,49-3,46 т/га), чем в Курской области (3,97-6,02 т/га). Пул углерода в надземной фитомассе составляет 0,22-1,96 т С/га на пастбищах и 0,95-3,01 т С/га на сенокосах. Для воспроизведения потоков углерода в Длительном опыте ТСХА использовалась модель DNDC, успешно верифицированная на примере картофеля. Средние расчетные значения компонентов углеродного цикла за 1973-2023 гг. составили (кг С га-1 год-1): изменение запасов Сорг в почве 89,7 ± 244,6, эмиссия СО2 из почвы 4057,4 ± 583,4, фотосинтез 7072,0 ± 803,3, чистый экосистемный обмен -1789,0 ± 429,1 (отрицательные значения говорят о поглощении углерода из атмосферы). Для опыта Фаленской станции применялась модель RothC. По ее оценкам с учетом частоты нахождения культур на полях среднее накопление углерода составляет 0,053 т С га-1 год-1. Это соответствует полевым данным, согласно которым запасы углерода в пахотном слое почвы за 1971-2008 г. увеличились на 0,063 т С га-1 год-1. Накопление Сорг в почве и эмиссия СО2 убывают в ряду клевер – рожь озимая – овес – ячмень – пшеница яровая. Под чистым паром потери Сорг в результате минерализации не восполняются из-за отсутствия поступления фитомассы. Статистический анализ на материале двух полевых опытов показывает, что внесение удобрений повышает урожайность по сравнению с возделыванием без них, но различие в видах и дозах удобрений не дает значимую прибавку продуктивности. Фактор внесения извести также не является значимым. Анализ влияния погодных условий показал, что на урожайность яровых культур оказывает отрицательное воздействие повышение температуры в течении фазы кущения и выхода в трубку, хотя осадки в этот период сказываются благоприятно; для озимых и картофеля важны более теплые условия в фазу прорастания. По результатам расчетов трех калькуляторов – Cool Farm Tool, AgRE-Calc, Farm Carbon Toolkit (http://www.igras.ru/news/3677) – совокупная эмиссия трех парниковых газов на голову скота составляет (тыс. т СО2-экв./гол.): 3,9-18,7 для коров, 2,1-14,0 для лошадей, 0,3-1,3 для овец. От 56% до 95% общей эмиссии в СО2-экв. в зависимости от вида животных приходится на производство кормов; 11-41% − на внутреннюю ферментацию, которая пока не поддается эффективному управлению. Поскольку снижение производства кормов и изменение рациона может привести к ухудшению его сбалансированности и пагубно сказаться на здоровье животных, единственным путем снижения эмиссии от животноводства остается сокращение поголовья скота, хотя это может вызывать спорные оценки производителей сельскохозяйственной продукции.

Публикации

1. Золотухин А.Н. Дыхание почвы в экосистемах подзоны типичной лесостепи Материалы Международного молодежного научного форума "ЛОМОНОСОВ-2023", С. 22 (год публикации - 2023)

2. Рыжов А.В. Влияние антропогенных факторов на дыхание пахотных почв Длительного полевого опыта ТСХА Материалы XV Всероссийской молодежной научной школы-конференции «МЕРИДИАН-2023»: Исследования природы и общества в условиях глобальных трансформаций, С. 203-209 (год публикации - 2023)

3. Суховеева О.Э., Карелин Д.В., Золотухин А.Н. Расчет потоков углерода в агроэкосистемах Курской области Материалы Восьмой Национальной научной конференции с международным участием «Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2023, С. 92-93 (год публикации - 2023)

4. Суховеева О.Э., Карелин Д.В., Золотухин А.Н., Почикалов А.В. Soil respiration in agricultural and natural ecosystems of European Russia Eurasian Soil Science, V. 56, no. 9. P. 1247–1256 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1064229323601129

5. Лыскова Ирина Владимировна Результаты длительного полевого стационарного опыта Фалёнской селекционной станции (Кировская область) -, 2023623897 (год публикации - )

6. - РОССИЙСКИЕ УЧЕНЫЕ ОБНОВИЛИ ОЦЕНКИ ЭМИССИИ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ ОТ ЖИВОТНОВОДСТВА официальный сайт Института географии РАН, Новости, 12.12.2023 г. (год публикации - )