Углеродная секвестрация в травяных экосистемах

УДК 633.2.03

Углеродная секвестрация в травяных экосистемах

Благовещенский Г. В., доктор сельскохозяйственных наук

Конончук В. В., доктор сельскохозяйственных наук

Тимошенко С. М., кандидат сельскохозяйственных наук

ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр «Немчиновка»

143026, Россия, Московская обл., Одинцовский р-н, п. Немчиновка, ул. Калинина, д. 1

E-mail mosniish @ yandex.ru.

Материалы статьи основаны на аналитической оценке результатов современных исследований, отражённых в докладах, представленных на 27-м Генеральном собрании Европейской федерации луговодов (Ирландия, Скорк, 17–21 июля 2018 года). Травяные агроэкосисемы в сельском хозяйстве Европы играют ключевую роль в производстве животноводческой продукции. В условиях изменяющегося климата особая значимость придаётся почве лугов, обладающей возможностью секвестрации атмосферного СО2, что обеспечивает потенциальную возможность смягчения воздействия климатических колебаний на агроценозы. Секвестрация углерода в почвах лугов регулируется комплексом биохимических процессов, которые связаны как с применяемыми технологиями, так и особенностями окружающей среды. Недавние исследования показывают, что совместно применяемые органические и неорганические удобрения существенно влияют на почвенно-углеродную секвестрацию. Применение азота оказывает стимулирующий эффект на углеродную сохранность, включая разложение органического вещества, понижение в глубь профиля распределения углерода корневой массы и микоризы, размещение углерода в различных органических фракциях почвы, микробиальный состав и активность подавления гетеротрофного дыхания и др. Применение в травяных экосистемах извести может оказывать нейтральный или положительный эффект на почвенные запасы углерода. Помимо потенциального эффекта от внесения удобрений, отражающегося на сохранении в почве углерода, ключевую значимость имеет частота и интенсивность использования трав. При интенсивном стравливании около 25–40% потреблённой, но не переваренной биомассы, возвращаются на пастбище в виде экскрементов. Даже когда более 80% наземной продукции убираются при интенсивных режимах скашивания для заготовки сена или силоса, углеродные потери могут компенсироваться путём применения навоза. Интенсивность использования трав зависит не только от возврата углерода и азота в почву, но и от эффекта фотосинтетической способности и углеродного разложения растений в растительных сообществах. Кроме того, интенсивность уборки отражается на почвенно-растительных связях, влияя на объёмы и качество корневых остатков и тем самым — на объёмы органических веществ и углерода в почве. Изменяющийся климат отражается на углеродной секвестрации. Содержание органического углерода в почве может немного уменьшиться в соответствии с атмосферным уровнем СО2 и таким образом смягчить влияние человека на климатические изменения. Однако биотическая и абиотическая вариабельность взаимосвязей между почвой и климатом могут сделать почвенную способность секвестрации более уязвимой и непредсказуемой. В соответствии с литературными источниками ежегодная норма секвестрации изменяется в пределах 2,2 (потери) и 2,5 т/га (прибавка) С в год. Эти материалы основываются на результатах последних исследований, полученных в долгосрочных и краткосрочных опытах на лугах.

Ключевые слова: интенсификация травяных систем, органический углерод почвы, секвестрация.

Травы в Европе являются важными экосистемами, которые служат ключевой основой человеческого общества, включая производство пищевых продуктов и регуляцию питательных веществ, влаги и секвестрацию углерода в почве (Klumpp et al., 2018).

Почвы под травами в животноводческих хозяйствах служат связующим звеном в системе почва – растение – животное и ресурсом атмосферного углерода, содержащегося в воздухе. Отмечается растущий интерес к травяным экосистемам и их влияние на уменьшение объёма парниковых газов в животноводческом секторе в размере 14,5% антропогенной эмиссии (Gerber et al., 2013).

Серьёзную научную проблему представляет собой оценка всестороннего влияния технологий, особенно интенсификация травяных аргоэкосистем, которые влияют на нетто углеродного баланса в Европе. Обычная практика состоит в применении удобрений, в том числе в известковании, пересеве трав, изменении использования земель (распашке пласта трав и возделывании однолетних культур), что отражается на почве и секвестрации углерода.

Недавние исследования, проводимые в длительных опытах и метаанализ показывают, что совместно применяемые органические и неорганические удобрения (Fornara et al., 2016) существенно влияют на почвенно-углеродную секвестрацию. Применение азота оказывает стимулирующий эффект на углеродную сохранность, включая разложение органического вещества, понижение в глубь профиля распределения углерода корневой массы и микоризы, размещение углерода в различных органических фракциях почвы, микробиальный состав и активность подавления гетеротрофного дыхания и др.

Применение в травяных экосистемах извести может оказывать нейтральный или положительный эффект на почвенные запасы углерода. Помимо потенциального эффекта от внесения удобрений, отражающегося на сохранении в почве углерода, ключевую значимость имеет частота и интенсивность использования трав. При интенсивном стравливании около 25–40% потреблённой, но не переваренной биомассы, возвращаются на пастбище в виде экскрементов.

Даже когда более 80% наземной продукции убираются при интенсивных режимах скашивания для заготовки сена или силоса, углеродные потери могут компенсироваться путём применения навоза. Интенсивность использования трав зависит не только от возврата углерода и азота в почву, но и от эффекта фотосинтетической способности и углеродного разложения растений в растительных сообществах. Кроме того, интенсивность уборки отражается на почвенно-растительных связях, влияя на объёмы и качество корневых остатков и тем самым — на объёмы органических веществ и углерода в почве (Klumpp, 2009).

По этой причине интенсивное использование травяной биомассы уменьшает углеродную секвестрацию. Длительность производимой биомассы и её качество отражаются на секвестрации почвенного углерода. Распашка трав в севооборотах приводит к уменьшению почвенного углерода. Обработка почвы оказывает существенное влияние на содержание питательных веществ и почвенные минерализационные процессы.

Реакция почвенного органического углерода на изменение использования земли или обработку травяных агросистем часто нелинейна и очевидно, что углерод теряется быстрее, чем он накапливается после использования земли (Sussana, 2004). Тем не менее периодическая обработка почвы и перерывы в возделывании трав могут иметь нарастающий потенциал почвенного углерода в периоды между культурами севооборота и посевом травосмесей. Почвенная углеродная секвестрация имеет тенденцию к увеличению с возрастом травостоев (Wang et al., 2014), однако это не всегда так ясно проявляется.

Многообразное влияние, например известкование, применение удобрений, системы выпаса, и влияние климатических изменений на почвенные экосистемы могут предотвратить почвенные углеродные запасы от вымывания, в отличии от неизменяемых систем.

Потенциал секвестрации углерода должен также учитывать более глубокие слои почвы, которые изменяются под влиянием растительной корневой массы в зависимости от фауны. Ниже 30 см глубины содержание углерода в почве уменьшается благодаря меньшему поступлению углерода в эти горизонты, и его накопление происходит медленно (Torres et al., 2017).

Особый интерес представляет всесторонняя оценка полифункциональной значимости травяных экосистем, различающихся по менеджменту и климатическим особенностям. Представленные материалы базируются на оценке 40 длительных опытов в Европе. Оценка углеродного баланса травяных полей производилась прямыми измерениями почвенных органических углеродных стоков и углеродных потоков в луговых агроэкосистемах.

Полученные данные показывают (Klumpp et al., 2018), что при использовании травяных экосистем углеродное накопление варьируется от 2,2 т С (потери) до 2,5 т (прирост) на 1 га С в год. Вместе с тем выявлены большие различия в накоплении углерода в почвах разных континентов: в Европе — 1,1 ± 0,2; США — 0,2 ± 0,2; Новой Зеландии — 0,1 ± 0,2. Эти данные могут быть частично связаны с различиями в климате, травяных системах, видовом составе, а также с интенсивностью использования травостоев, видами и способами выпаса животных. Следует отметить, что темпы углеродной секвестрации в конкретной почве зависят также от времени и места расположения, а также предшествующего использования, то есть «предшествующий эффект», который служит отправной точкой отсчёта, измерения динамики почвенного органического углерода на исследуемом объекте.

Почвенные углеродные запасы изменяются достаточно быстро, например под влиянием улучшения травяных экосистем, но с течением времени размеры углеродных запасов прогрессивно уменьшаются. Обычно почвы с низким содержанием органического вещества могут секвестировать больше углерода и в течение более долгого периода.

Почвы приближаются к новому равновесному состоянию углерода, при котором поступление равно улетучиванию за 30–70-летний период использования трав. Нетто-перемещение СО2 из атмосферы становится очень низким. Аналогичные результаты получены в длительных опытах с севооборотами во ВНИИ агрохимии (Сычёв и др., 2018).

Однако это равновесие может быть изменено под влиянием практической деятельности при применении минеральных удобрений, известкования, а также системы выпаса или режима скашивания, которые позволяют ускорять или замедлять происходящие процессы.

Было установлено, что вновь создаваемые 3–5-летние по продолжительности использования травостои и улучшенные перманентные травяные агросистемы имеют сходную почвенную углеродную секвестрацию, но эти нормы с аккумуляцией могут сильно изменяться под воздействием практики.

Несмотря на высокую вариабельность, связанную с воздействием различной практики, главная задача должна заключаться в поддержании существенного почвенного углеродного запаса. Поэтому луговая интенсификация, вероятно, внесёт вклад, уменьшающий сокращение почвенного органического вещества. Выбор наилучших путей управления травяными агросистемами (выпас – скашивание и их сочетание) играют важную роль в устойчивости травостоев и могли бы избежать частых перерывов и перезалужения травяных экосистем.

Управление травостоем оказывает влияние не только на количество и качество продукции, но и на углеродный баланс. Интенсивность использования режима выпас – скашивание отражается на структуре травостоя и биогеофизическом цикле. Стравливание трав животными способствует пространственной гетерогенности в С-, N- и Р-фондах, обусловленной невыравненным потреблением корма и животноводческими отходами. Поэтому выпас вызывает мозаичность и вытаптывание трав, что влияет на высоту трав и качество корма. При скашивании вся надземная биомасса убирается одинаково и без экскреций, то есть без возврата на участок, и отличается выровненной продукцией без органических отходов. Если стравливание или скашивание производится слишком интенсивно и/или периодически, между скашиваниями слишком короткий промежуток, то количество растительной биомассы (углерода) может уменьшаться. Таким образом, количество травяной и животноводческой продукции варьируется в соответствии с интенсивностью отчуждения биомассы.

Более частое отчуждение повышает питательность кормов. Качество корма способствует увеличению производства животноводческой продукции.

Сравнения между выпасом и скашиванием показывает, что луговые почвы, вероятно, секвестируют больше углерода при умеренном внесении азота. Однако в смешанных (выпас – скашивание) системах, очевидно, меньше почвенной углеродной секвестрации по сравнению с чисто пастбищной системой. Это, возможно, объясняется большим поступлением в почву экскрементов животных при выпасе по сравнению со смешанными системами. При скашивании углеродное поступление в почву весьма заметно уменьшается. Таким образом, выпас позитивно отражается на почвенно-углеродной секвестрации, когда он проводится без сочетания с режимом скашивания.

Тем не менее в материалах собрания отмечается, что в настоящее время пока ещё весьма мало публикаций, посвящённых системам выпаса с укосом как на постоянной основе, так и при чередовании, включая оценку нагрузки, периодичность выпаса, сезонную продолжительность. Это относится также к материалам сравнения использования кормов, отражающим почвенную углеродную динамику в условиях ротационной пастьбы и применения удобрений. Представленные данные (Klumpp et al., 2018) показывают, что почвенная углеродная секвестрация увеличивается с повышением объёма биомассы, потребляемой при выпасе животных или укосном способе использования. В смешанных системах избыточно интенсивное использование корма уменьшает почвенную углеродную секвестрацию, которая также сопровождается потерями углерода в почве. Для пастбищных систем углеродная секвестрация увеличивается до критической массы потреблённых трав, которая достигается при удобрении азотом, обеспечивающим удвоение биомассы.

При умеренных дозах удобрений как выпас, так и скашивание даёт сходное количество биомассы, тогда как частое скашивание уменьшает углеродную секвестрацию более быстрыми темпами, если уборка трав слишком интенсивна. Пасущиеся животные обеспечивают удобрительный рециклинг. Кроме того, не вся сезонная биомасса (нетто-продукция) поедается животными. Образуется мозаичная гетерогенность доступной потреблённой биомассы и несъеденных остатков вследствие выделения животными экскрементов. Такая вариабельность травостоев и связанные с этим свойства почвы имеют значительный эффект биотических взаимосвязей растение – почва – экосистемы.

Тем не менее пастбищные и укосные удобренные системы должны учитывать возможность улучшения почвенной углеродной секвестрации и всего парниково-газового баланса. Отмечается взаимосвязь между удалением листьев, то есть фотосинтетической растительной биомассой, корневой продукцией (углеродный вклад в почву в течение года), между качеством корма (то есть переваримостью), растительными остатками (органического углерода в почве) при максимальном использовании трав путем выпаса – скашивания и эмиссий поступления углерода СН4 и N2О от мочевины и удобрений.

Большинство лугов в Ирландии получают значительное количество удобрений органических и минеральных, которые оказывают влияние на углеродный цикл. Например, в длительных опытах в Ирландии оценивается влияние отходов скотоводства на секвестрацию по сравнению с минеральными NРК-удобрениями или свиноводческими отходами. Это стало возможным благодаря учёту косвенного воздействия свиного навоза на почвенное микробиологическое сообщество и почвенную биохимию, а также снижению усредненного углеродного вклада свиного навоза (0,27–1,1 т С на 1 га в год) по сравнению с коровьим навозом (0,92–3,67 т С на 1 га в год) (Klumpp et al., 2018).

Представленные материалы показывают, что изменяющийся климат отражается на углеродной секвестрации. Содержание органического углерода в почве может немного уменьшиться в соответствии с атмосферным уровнем СО2 и таким образом смягчить влияние человека на климатические изменения. Однако биотическая и абиотическая вариабельность взаимосвязей между почвой и климатом могут сделать почвенную способность секвестрации более уязвимой и непредсказуемой. Например, годичная вариабельность температуры и осадков, поступления навоза и разложения биомассы в почве может существенно отразиться на нетто-продукции, что ведёт к ежегодной вариабельности в почвенной С-динамике и сохранности. Так, в зависимости от фазы роста, системы использования скашивания – выпаса, интенсивности краткосрочных или экстремальных температур, уменьшения осадков проявляется различное воздействие на экосистемы. При высоких урожаях результаты засухи существенно отражаются на фотосинтезе и ведут к подсыханию биомассы, медленному восстановлению и тем самым — к уменьшению углеродной секвестрации. В то же время при умеренном урожае (как результат раннего наступления вегетационного периода и, соответственно, скашивания – выпаса) вегетативное восстановление происходит быстрее, производя большую продукцию и С-секвестрацию. При низких объёмах надземной биомассы (например, при интенсивном использовании) засушливый период может привести к серьёзным изменениям в вегетации и почвенной эрозии.

Подобно потенциальным климатическим изменениям эффективность аккумуляции почвенного С будет содействовать не только изменению урожайности трав, но изменению микробиологических взаимосвязей в системе почва – растение, существенно влияющих на количество С, которое может уменьшаться или накапливаться в почвах. Например, повышение в почве микробиологической активности может оказывать влияние на почвенную респирацию и С-потери, но может также быть связанным с увеличением остатков разложения и органических углеродных процессов, обеспечивающих стабилизацию и объединение органоминеральных фракций (Cotrufo et al., 2013).

В соответствии с предполагаемыми изменениями климата, в северных регионах Европы зимой станет теплее и более влажно. В южных районах станет теплее и засушливее летом, особенно во многих странах Средиземноморья. Возникает возможность увеличения концентрации кормовой продукции в северных районах. Во всех районах Европы изменение климата приведёт к изменению качества кормов и годовых производственных циклов с удлинением вегетационных периодов на севере и смене пиков травостоев в осенне-зимних месяцах в Средиземноморье. Это потребует адаптации использования трав и изменения стратегии применения удобрений, а также видового состава и травосмесей.

Результаты исследований (Klumpp et al., 2018) показывают, что луговые почвы оказывают влияние на уменьшение углекислого газа в результате аккумуляции почвенного углерода под воздействием климата и агротехнологии. Почвенные углеродные секвестрационные нормы имеют тенденцию к уменьшению со временем при неизменяемой технологии.

Почвы с низким содержанием органического углерода отличаются более высокими нормами аккумуляции С по сравнению с почвами с высоким содержанием в результате изменения использования земли. Однако неясно, когда равновесие может быть достигнуто в результате взаимосвязанных различных факторов, включая интенсификацию применения различных агроприёмов.

Улучшение использования травостоев и применение удобрений позволяют увеличить углеродную секвестрацию. Однако её эффективность зависит от времени, частоты и интенсивности использования. При критически сильном использовании травостоев секвестрация углерода может снижаться и даже стать негативной. Авторы (Klumpp et al., 2018) считают, что выпас имеет преимущества на высокогорных местностях и экстенсивно используемых землях по сравнению со скашиванием.

Органическая компенсация (животноводческие отходы) даёт обычно положительный эффект на аккумуляцию почвенного углерода по сравнению с применением минеральных удобрений. Однако животноводческие стоки, поступающие от жвачных животных и свиней, приводят к разному уровню накопления углерода.

Заключение. Управление почвенными травяными агроэкосистемами представляет собой процесс накопления в почве углерода за счёт аккумуляции СО2 и зависит от климатических условий и хозяйственной деятельности человека. Нормы почвенной углеродной секвестрации имеют тенденцию уменьшаться в течение времени при многолетнем использовании одних и тех же технологий. Обычно низкое содержание общего углерода в почве имеет более высокую ассимиляцию углерода по сравнению с более высоким содержанием органического вещества в условиях изменения технологий использования земли. Неизвестно, когда будет достигнуто равновесное состояние содержания углерода в результате использования различных многочисленных приёмов интенсификации агроэкосистем. Пастбищное использование агроэкосистем имеет преимущество в горных условиях и при менее интенсивном использовании земель по сравнению со скашиванием. Использование отходов животноводства более эффективно в отношении аккумуляции углерода в почве по сравнению с применением минеральных удобрений и различается в зависимости от вида скота.

Литература

  1. Klumpp K. The carbon sequestration of grassland soils — climate change and mitigation strategies. Vol. 23 / K. Klumpp, D. A. Fornara. — 2018. — Р.509–519.
  2. Tacking climate change through livestock — A global assessment of emission and mitigation opportunities / R. J. Gerber, H. Steinfeld et al. // Food and Agriculture Organization of United Nations (FAO), Roma, 2013.
  3. Long term nutrient fertilization and the carbon balance of permanent grassland: any evidence for sustainable intensification? / D. A. Fornara, E. Watson et al. // Biogeoscience. — 2016. — Vol. 13. — Р.4975–4984.
  4. Grazing triggers soil carbon loss by altering plant roots and their control on soil microbial community / K. Klumpp еt al. // Journal of Ecology. — 2009. — Vol. 97. — Р.876–885.
  5. Carbon cycling and sequestration opportunities in temperate grassland. The ecology and management of grazing systems / J. Sussana et al. — CAB International Wallingford UK, 2004. — P.3–35.
  6. Land management History of Canadian Grassland and the impact on Soil Carbon storage / H. Wang et al. // Rangeland Ecology Management. — 2014. — Vol. 67. — Р.333–343.
  7. Clay illuviation provides long-term sink for C sequestration in subsoils / G. Torres-Sallan et al. // Scientific Report 7. — 2017. — № 45635.
  8. Сычёв В. Г. Исследование динамики и баланса гумуса при длительном применении систем удобрения на основных типах почв / В. Г. Сычёв, Л. К. Шевцова, Г. Е. Мёрзлая // Агрохимия. — 2018. — № 12. — С.3–32.
  9. The Microbial Efficiency-Matrix Stabilization (MEMS) framework integrates plant litter decomposition with soil organic matter stabilization: do labile plant inputs from stable soil organic matter / F. Cotrufo, M. B. Wallenstain, C. M. Boot et al. // Global Change Biology. — 2013. — Vol. 19. — Р.988–995.

Carbon sequestration in grassland ecosystems

Blagoveshchenskiy G. V., Dr. Agr. Sc.

Kononchuk V. V., Dr. Agr. Sc.

Timoshenko S. M., PhD Agr. Sc.

Federal Research Center “Nemchinovka”

143026, Russia, the Moscow region, Odintsovskiy rayon, poselok Nemchinovka (village), Kalinina str., 1

E-mail mosniish @ yandex.ru.

This article deals with the analysis of recent investigations presented at the 27th General Meeting of European Grassland Federation. Carbon sequestration is regulated by the complex of biochemical processes, influenced by cultivation technologies and environment. Combination of organic and mineral fertilizers significantly influences soil carbon sequestration. Nitrogen improves carbon deposition, organic matter decay, carbon accumulation in various organic soil fractions, microbial composition and suppression of heterotrophic respiration, and deepens carbon distribution profile of roots and mycorrhiza. Lime has neutral or positive effect on carbon stock in soil. Frequency and intensity of grass use also influence carbon deposition. Around 25–40% of consumed biomass (not digested) returns to grasslands as excrements under the intensive grazing. Even when 80% of green mass is used for hay or silage, manure can compensate carbon loss. Cutting intensity depends on plant photosynthetic ability and carbon decomposition. It affects soil-plant interaction, quantity and quality of root residues and therefore concentration of organic matter and carbon in soil. СО2 level can slightly reduce soil organic carbon and decrease anthropogenic effect on climate change. However, biotic and abiotic variability of soil-climate interactions can make sequestration vulnerable and unpredictable. Annual С sequestration varies within 2.2 (loss) and 2.5 t ha-1 (increase).

Keywords: intensification, grassland ecosystem, soil, organic carbon, sequestration.

References

1. Klumpp K. The carbon sequestration of grassland soils — climate change and mitigation strategies. Vol. 23 / K. Klumpp, D. A. Fornara. — 2018. — P.509–519.

2. Tacking climate change through livestock — A global assessment of emission and mitigation opportunities / R. J. Gerber, H. Steinfeld et al. // Food and Agriculture Organization of United Nations (FAO), Roma, 2013.

3. Long term nutrient fertilization and the carbon balance of permanent grassland: any evidence for sustainable intensification? / D. A. Fornara, E. Watson et al. // Biogeoscience. — 2016. — Vol. 13. — P.4975–4984.

4. Grazing triggers soil carbon loss by altering plant roots and their control on soil microbial community / K. Klumpp et al. // Journal of Ecology. — 2009. — Vol. 97. — P.876–885.

5. Carbon cycling and sequestration opportunities in temperate grassland. The ecology and management of grazing systems / J. Sussana et al. — CAB International Wallingford UK, 2004. — P.3–35.

6. Land management History of Canadian Grassland and the impact on Soil Carbon storage / H. Wang et al. // Rangeland Ecology Management. — 2014. — Vol. 67. — P.333–343.

7. Clay illuviation provides long-term sink for C sequestration in subsoils / G. Torres-Sallan et al. // Scientific Report 7. — 2017. — № 45635.

8. Sychev V. G. Issledovanie dinamiki i balansa gumusa pri dlitelnom primenenii sistem udobreniya na osnovnykh tipakh pochv / V. G. Sychev, L. K. Shevtsova, G. E. Merzlaya // Agrokhimiya. — 2018. — No. 12. — P.3–32.

9. The Microbial Efficiency-Matrix Stabilization (MEMS) framework integrates plant litter decomposition with soil organic matter stabilization: do labile plant inputs from stable soil organic matter / F. Cotrufo, M. B. Wallenstain, C. M. Boot et al. // Global Change Biology. — 2013. — Vol. 19. — P.988–995.

Обсуждение закрыто.