Сборник материалов - Агрофизический НИИ
реклама
ЭМИССИЯ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ И СЕКВЕСТРАЦИЯ УГЛЕРОДА В ПОЧВАХ семинар с международным участием 14-15 октября 2015 г. Агрофизический институт Санкт-Петербург СБОРНИК РАСШИРЕННЫХ ТЕЗИСОВ ДОКЛАДОВ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ АГРОФИЗИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭМИССИЯ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ И СЕКВЕСТРАЦИЯ УГЛЕРОДА В ПОЧВАХ семинар с международным участием 14-15 октября 2015 г. сборник расширенных тезисов Санкт-Петербург 2015 УДК 631.4 ББК 40.3 Р87 Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах. Расширенные тезисы докладов семинара с международным участием, Санкт-Петербург, 1415 октября 2015 года. – СПб.: ФГБНУ АФИ, 2015. – 76 с. Составитель: Бучкина Н.П. Компьютерный дизайн: Цивилев А.Ю. Материалы публикуются в авторской редакции Фотография на обложке: Измерение прямых эмиссий закиси азота методом закрытых камер, фото Бучкиной Н.П. ISBN 978-5-905200-26-7 © ФГБНУ АФИ, 2015 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ПОДМОДЕЛЬ СИМБИОТИЧЕСКОЙ АЗОТФИКСАЦИИ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ МОДЕЛЬНЫХ ОЦЕНОК ДИНАМИКИ АГРОЭКОСИСТЕМ В МНОГОЛЕТНЕМ РАЗРЕЗЕ АБРАМОВА А.В.1, ТОПАЖ А.Г.2 1 ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный университет» abramova.math@gmail.com, 2 ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия alex.topaj@gmail.com Аннотация: Азотфиксация является главной приходной составляющей азотного баланса растительных экосистем и играет ведущую роль в поддержании плодородия почвы. Адекватное описание этого аспекта в моделях продукционного процесса бобовых культур с учетом основных влияющих процессов (доля клубеньков в растительных остатках культуры-предшественника, разложение клубенькового азота в межвегетационный период, его усвоение различными культурами и т.д.) выступает необходимым условием успешного использования модели в системах расчета севооборота. В докладе представлены результаты модельных расчетов долгосрочной динамики показателей экологического состояния агроландшафта (баланс почвенного углерода, динамика гумуса и т.д.) для тестовых схем хозяйственного севооборота и сценариев будущего климата. Проанализирована роль внедрения промежуточных сидеральных бобовых культур в севооборот в общем комплексе мер по смягчению негативных последствий климатических изменений. Введение Азотфиксация – превращение атмосферного азота в доступные растениям минеральные питательные формы – является главной приходной составляющей азотного баланса растительных экосистем и играет ведущую роль в поддержании плодородия почвы (Хворова и др, 2015). Не вызывает сомнения важность включения описания этого процесса в комплексные динамические модели продукционного процесса, особенно для задач среднесрочного планирования и анализа, в частности – для оценок реакции агроэкосистем в условиях реальных сельскохозяйственных севооборотов на возможные климатические изменения. В частности, ряд современных международных проектов направлен на изучение вопроса о способности сельскохозяйственных почв быть источником или стоком в балансе углекислого газа атмосферы соответственно при традиционных или щадящих практиках землепользования (Hlavinka и др., 2015). Наличие блока симбиотической азотфиксации в динамических моделях агроэкосистем, которые используются в качестве основного инструмента научного исследования в этих проектах, позволяет дать ответ на вопрос о сравнительной эффективности различных мер, направленных на повышение устойчивости агроландшафта. Одним из таких мероприятий выступает вовлечение промежуточных сидеральных бобовых культур в традиционные пищевые севообороты. Подходы к описанию симбиотической азотфиксации Алгоритмы описания симбиотической азотфиксации включены в большинство наиболее известных и распространенных мировых систем моделирования продуктивности сельскохозяйственных культур, таких как DSSAT, WOFOST, STICS, EPIC, APSIM (Liu и др., 2011; Хворова и др., 2015). В некоторых из этих систем используется упрощенный подход к описанию влияния азотного статуса на рост и развитие растений, который основан на нахождении 3 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. динамического баланса «потребностей» растения в азоте, требующемся для обеспечения потенциальных темпов роста, и «возможностей», то есть реально доступных для усвоения растением азотных соединений. В рамках этого подхода считается, что некоторая, заранее определенная часть «потребностей» удовлетворяется симбиотической азотфиксацией. Более продвинутый подход, принятый в большинстве «серьезных» моделей, состоит в вычислении на каждом шаге потенциальных темпов азотфиксации и определении ее текущего значения путем уменьшения этой максимально возможной величины за счет различных эмпирических функций стресса, в частности по влажности, температуре, кислотности и т.д. Принципиальным вопросом здесь является способ вычисления потенциальной азотфиксации. Некоторые разработчики для этого вводят в структуру модели отдельный компартмент (динамическую переменную) «клубеньки», а в других моделях производство дополнительного азота напрямую определяется величиной биомассы корней. В целом, большинство подобных алгоритмов носит эвристический характер и крайне слабо связано с сущностью реальных биохимических процессов, составляющих механизм симбиотической азотфиксации. Число же математических моделей фиксации атмосферного азота бобовыми растениями, носящих теоретически обоснованный характер, сравнительно невелико (модели Чупринина (1985), Хворовой (2001), Торнли (2001)). При этом общей слабой чертой всех перечисленных подходов является то, что они позволяют с большей или меньшей степенью детальности описать роль азотфиксации в продукционном процессе самой бобовой культуры, но не содержат в себе никаких потенциальных механизмов учета ее последействия. Иными словами, возможного использования оставшегося клубенькового азота на рост и развитие последующей структуры севооборота. Очевидно, что адекватное описание этого аспекта с учетом всех влияющих процессов (доля клубеньков в растительных остатках культуры-предшественника, разложение клубенькового азота в межвегетационный период, его усвоение различными культурами и т.д.) является абсолютно необходимым условием успешного использования модели в системах расчета севооборота (Баденко и др., 2015) Результаты Магистральная тенденция в развитии современных методов математического моделирования в различных предметных областях естественных наук связана с появлением так называемых мультипарадигменных или гибридных моделей. В таких моделях одно и то же явление или феномен может рассматриваться и описываться с одновременным использованием нескольких принципиально разных математических методов формализации и/или техник имитационного моделирования. Подобное смешение подходов в рамках одной модели зачастую позволяет взглянуть на объект исследования с разных точек зрения, отразить в модели различные факторы, аспекты его поведения и получить синергетический эффект. В докладе представлены результаты исследования следующих модельных решений: 1) поточно-балансовая детерминистическая модель азотфиксации в системно-динамической и агентной постановке; 2) модель симбиотической азотфиксации, в которой активным действующим агентом выступает бобовое растение, и ее анализ методами теории оптимального управления; 3) модель симбиотической азотфиксации, в которой активными действующими агентами выступают колонии азотфиксирующих бактерий (ризобий) с различными параметрами поведения, например, популяция с неоднородной структурой; 4) модель симбиотической азотфиксации, с двумя активными агентами (бобовое растение и ризобии), полученная путём совмещения двух ранее разработанных классов моделей, в каждой из которых поведение одного из агентов пассивно, то есть заранее известно другому 4 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. агенту. Исследование получившейся двухкомпонентной динамической модели методами теории неантагонистических дифференциальных игр (Топаж, Абрамова, 2015). Прикладной выход проведенного исследования - серия проведенных вычислительных экспериментов с модифицированной версией модели продукционного процесса AGROTOOL (с оригинальным блоком симбиотической азотфиксации) в рамках среды поливариантного анализа APEX. Представлены результаты проведенных авторами модельных расчетов долгосрочной динамики показателей экологического состояния агроландшафта (баланс почвенного углерода, динамика гумуса и т.д.) для тестовых схем хозяйственного севооборота и сценариев будущего климата. Работы выполнялись в развитие проекта международного сотрудничества «Crop growth and soil processes modeling - the use of multi-model ensemble for crop rotations under recent and future climatic conditions» (Топаж и др., 2015). В частности, проанализирована сравнительная эффективность внедрения в севооборот промежуточных сидеральных бобовых культур в общем комплексе мер по смягчению негативных последствий климатических изменений. Благодарность Работа выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований в рамках проектов № 14-31-50324, № 15-34-50961. Литература Хворова Л.А., Топаж А.Г., Абрамова А.В., Неупокоева К.Г. (2015) Подходы к описанию симбиотической азотфиксации. Часть 1. Анализ и выделение перечня факторов с оценкой их приоритетности // Известия Алтайского гос. ун-та. – №1/1 (85). – С. 187–191. P. Hlavinka, K.C. Kersebaum, G. Hoogenboom, J.et al. (2015) The use of growth model ensemble for crop rotations under recent and future climatic conditions // AGMIP 5th Annual Global Workshop Poster Abstracts, February 25-28, 2015, University of Florida, Gainesville, USA, P. 63. Liu Y., Wu L. et al. (2011) Models of biological nitrogen fixation of legumes // Agronomy for Sustainable Development, №31(1). P. 883-905. Хворова Л.А., Топаж А.Г., Абрамова А.В., Неупокоева К.Г. (2015) Подходы к описанию симбиотической азотфиксации. Часть 2. Анализ подходов к математическому моделированию процесса // Известия АлтГУ. №1/1 (85). – С. 192–196. Чупринин В.Г. (1985) Модель симбиотической фиксации азота клубеньковыми тканями однолетних бобовых растений // Сб. научн. тр. «Параметры и модели плодородия почв и продуктивности агроценозов». – Пущино. – С. 157–162. Хворова Л.А. (1992) Моделирование влияния азотного питания на продукционный процесс посева люцерны: автореф. дисс. ...канд. техн. наук. – СПб.: Агрофизический НИИ. – 20 с. Thornley J.H.M. (2001) Simulating grass-legume dynamics: a phenomenological submodel // Annals of Botany. №8. Р. 905-913. Баденко В.Л., Гарманов В.В., Иванов Д.А., Савченко А.Н., Топаж А.Г. (2015) Перспективы использования динамических моделей агроэкосистем в задачах средне- и долгосрочного планирования сельскохозяйственного производства и землеустройства // Российская сельскохозяйственная наука. № 1-2. – С. 72-76. Топаж А.Г., Абрамова А.В. (2015) Математические модели симбиотической азотфиксации: взаимопомощь или подчинение? // Сборник тезисов докладов XXII международной конференции «Математика. Компьютер. Образование». – Пущино. – С. 101. Топаж А.Г., Медведев С.А., Захарова Е.Т., Хлавинка П. (2015). Использование среды поливариантного анализа динамических моделей агроэкосистемы «APEX» для среднесрочного планирования в агроэкологии. В сб. трудов конференции «Системный анализ и моделирование экологических и экономических систем (САМЭС-2015)», Ростов-на-Дону, 6-12 сентября 2015 г., с. 642-655. 5 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. СЕКВЕСТРАЦИЯ УГЛЕРОДА В ПРОФИЛЕ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ СУПЕСЧАНОЙ ПОЧВЫ РАЗНОЙ ОКУЛЬТУРЕННОСТИ БОЙЦОВА Л.В., ЗИНЧУК Е.Г., НЕПРИМЕРОВА С.В. ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия larisa30.05@mail.ru Аннотация: Исследовали профильное распределение углерода связанного с илистой фракцией в дерново-подзолистой почве средней и высокой степени окультуренности в овощном и полевом севооборотах. Наибольшая секвестрация углерода в илистой фракции обнаружена в вариантах высоко окультуренная почва в толще 0-33 см. В почве профиля полевого севооборота секвестрируется больше углерода в илистой фракции, чем в почве профиля овощного не зависимо от их степени окультуренности. Основным минералом, связывающим органический углерод в илистой фракции, является кварц. Введение Устойчивость почвы - это способность сопротивляться какому-либо воздействию на нее и восстанавливаться на исходном или новом уровне с сохранением своих основных функций. Устойчивость почвы определяется рядом ее физических, химических и биологических свойств. К важнейшим индикаторам, определяющим эти свойства, относят содержание общего органического углерода, содержание его лабильных форм, количество углерода, связанного с илистой фракцией почвы. Гумус, связанный с илистой фракцией почвы представляет собой наиболее устойчивую часть органического вещества почвы. Накопление гумуса в данной фракции свидетельствует о переходе его в стабильное состояние. Не только гранулометрический состав почвы, но и тип ила может влиять на способность почв к физической защите органического углерода от микробиологического разложения. Защитный эффект зависит от вида минералов на поверхности или в межслоевых промежутках которых сорбировано органическое вещество почвы. Наиболее активные сорбенты минералы монтмориллонитовой группы и мусковит. Такие минералы, как кварц, полевые шпаты достаточно инертны. Цель исследования состояла в изучении секвестрации углерода в профиле дерновоподзолистой супесчаной почвы разной степени окультуренности. Объекты и методы Исследования проводились на участках агрофизического стационара МОС ФГБНУ Агрофизический институт (Гатчинский район, Лен. Обл.). Почва изучаемых участков - дерновоподзолистая супесчаная подстилается красноцветными моренными отложениями, глубина пахотного слоя - 22-23 см. Основными минералами данной почвы являются кварц и полевые шпаты, кроме того, присутствуют слюды, хлориты, гидрослюды, амфиболы (следы), смешаннослойные минералы (Непримерова, 2013). Были проанализированы профили 4-х разрезов. Разрезы заложены на овощном (ОС) и полевом (ПС) севооборотах на участках со средней и высокой окультуренностью. В овощном севообороте выращивали многолетние травы 2-го года использования, клевер луговой и тимофеевку луговую, полевой севооборот представлен викоовсяной смесью. На участке со средней окультуренностью органические удобрения не вносились. На участке с высокой окультуренностью внесено 520 т га-1 навоза крупного рогатого скота в период 2003-2005 г (Оленченко, 2012). В почвенных образцах был определен общий органический углерод (Собщ.) по методу Тюрина (Растворова, 1995), а также органическое вещество, связанное с илистой фракцией почвы (Сил) 6 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. методом электрофореза (Моисеев, 2012). Проведен рентгенографический анализ минералов (Рентгенография…, 1983). Результаты и обсуждение Во всех вариантах максимальное содержание органических веществ сосредоточено в верхних горизонтах Апах и А1А2, где расположено максимальное количество живых и отмерших корней (таблица 1). Наибольшее количество Собщ для данных горизонтов обнаружено в варианте с дозой 520 т га-1 в обоих севооборотах. В варианте с дозой навоза 0 т га-1 в ОС в горизонте Апах сосредоточено в 2 раза меньшее количество Собщ., по сравнению с вариантом 520 т га-1, в ПС в 1,6 раза меньше. В горизонтах Апах и А1А2 ОС наблюдается большее содержание Собщ, чем в ПС. Участок овощного севооборота подвергался меньшим обработкам, так как здесь выращивали травы 2-го года использования. Следовательно, на этом участке меньше происходило окисление почвенного органического вещества, которое усиливается при традиционной обработке почвы с оборотом пласта. Кроме того, вид выращиваемой культуры влияет на накопление органического вещества, особенно в верхних горизонтах (Петрова, 2007). В горизонте А2В происходит резкое уменьшение и затем дальнейшее падение содержания Собщ. вниз по профилю во всех изученных вариантах. Почва ОС (вариант - высоко окультуренная почва) более насыщена общим органическим углеродом, по сравнению с почвой ПС (тот же вариант). Определение профильного распределения углерода связанного с илистой фракцией почвы показало следующее. Максимальное его накопление наблюдается в горизонтах Апах, А1А2, с наибольшими значениями в ПС для обеих доз органических удобрений. Для увеличения стабилизированного органического вещества, т.е. связанного с илом, является необходимым включение материала с высоким содержанием лигнина и/или фенолов и высоким содержанием азота, подобные условия сложились в полевом севообороте. Суммарное содержание Сил в двух верхних горизонтах (слой около 30 см) для двух севооборотов с разной окультуренностью составляет, 105,77- 165,56 г С кг-1 ила в овощном и 167,05-200,73 г С кг-1 ила в полевом севообороте для средней и высокой окультуренности, соответственно. Для всех вариантов пашни характерно уменьшение содержания Сил в 2-3 раза в горизонте А2В, по сравнению с Апах, А1А2. В вариантах высоко окультуренный ОС и средне окультуренный ПС в горизонте В2 наблюдается уменьшение Сил, причем более существенное в ОС севообороте (в 4 раза). На основании данных рентгенографического анализа выявлена отрицательная корреляционная зависимость между содержанием Сил и содержанием слюды (r = -0,50 - (-0,90)). Основным минералом, связывающим органический углерод в илистой фракции, является кварц, обнаружена положительная корреляция между Сил и содержанием кварца (r = 0,80-0,95). Выводы Во всех изученных профилях максимальное содержание общего органического углерода характерно для горизонтов Апах и А1А2. Наибольшая секвестрвция углерода в илистой фракции обнаружена в вариантах высоко окультуренная почва в толще 0-33см. При этом в профиле полевого севооборота секвестрируется больше углерода в илистой фракции, чем в профиле овощного не зависимо от их степени окультуренности. Количество углерода ассоциированного с илистой фракцией исследованной почвы не зависит от содержания в данной фракции слюд. Основным минералом, связывающим органический углерод в илистой фракции, является кварц. 7 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. Таблица 1. Содержание общего органического углерода, углерода ассоциированного с илом и рефлексы минералов в дерново-подзолистой супесчаной почве. Вариант Горизонт Глубина, см Собщ, г кг-1 почвы Сил, г кг-1 фракции Хлорит, импульс с-1 Кварц, импульс с-1 Слюда, импульс с-1 Овощной Севооборот 0 т га-1 А А2В В1 В2 С А А1А2 А2В В1 В2 С А А1А2 А2В В1 В2 С А А1А2 А2В В1 В2 С 0-22 22-32 32-57 57-112 112-150 0-23 23-33 33-50 50-85 85-138 138-168 0-22 22-31 34-48 48-79 79-106 106-155 0-22 22-33 33-50 50-75 75-120 120-160 16,97 1,11 1,78 3,14 2,57 32,04 31,98 11,36 4,40 9,32 7,16 14,06 14,25 1,89 2,76 0,48 0,25 22,39 31,86 1,56 1,82 1,87 0,50 78,38 27,39 5,21 7,79 28,63 80,91 84,65 45,04 12,58 3,16 7,73 87,30 79,75 24,44 7,99 4,75 9,92 85,72 115,01 35,38 7,35 8,83 8,18 152 172 0 227 0 0 142 0 158 217 135 205 182 192 182 215 203 0 0 138 165 163 153 1213 1017 800 718 683 1012 993 935 778 833 778 980 1105 1067 725 822 957 1027 943 1055 892 598 720 155 133 185 1009 898 0 665 890 868 1275 1489 143 158 1000 1330 1593 1216 190 1013 995 1022 1424 1497 Овощной Севооборот 520 т га-1 Полевой Севооборот 0 т га-1 Полевой Севооборот 520 т га-1 Литература Моисеев К.Г., Бойцова Л.В., Гончаров В.Д. (2012) Способы выделения илистой фракции почв. Агрофизика №1(5). С. 35-39. Непримерова С.В. (2013) Влияние интенсивного окультуривания дерново-подзолистой почвы на ее микростроение. Материалы научной сессии по итогам 2012 года Агрофизического института. СПетербург, 2-3 апреля, 2013. – С-Петербург: АФИ. – С. 149-154. Оленченко Е.А., Рижия Е.Я., Бучкина Н.П., Балашов Е.В. (2012) Влияние степени окультуренности дерново-подзолистой супесчаной почвы на ее физические свойства и урожайность сельскохозяйственных культур в агрофизическом стационаре. Агрофизика №4(8). С. 8-18. Петрова З.М., Зуев В.С., Бойцова Л.В., Рижия Е.Я., Бодров В.А. (2007). Исследование динамики физического состояния серых лесных почв Владимирского Ополья в процессе. Физические, химические и климатические факторы продуктивности полей. АФИ-75 лет. Под ред. А.М. Глобуса. – Санкт-Петербург: Изд. ПИЯФ РАН. - С.198-203. Растворова О.Г., Андреев Д.П., Гагарина Э.И., Касаткина Г.А., Федорова Н.Н. (1995) Химический анализ почв. СПб.: СПбГУ, - 254 с. Рентгенография основных типов породообразующих минералов (слоистые и каркасные силикаты). / Под ред. В.А. Франк-Каменецкого. (1983) - Ленинград: «Недра», - 359 с. 8 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗАКРЫТЫХ КАМЕР ДЛЯ ОЦЕНКИ ПРЯМОЙ ЭМИССИИ ЗАКИСИ АЗОТА ИЗ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОЧВ БУЧКИНА Н.П., РИЖИЯ Е.Я., БАЛАШОВ Е.В. ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, buchkina_natalya@mail.ru; alen_rizh@mail.ru; eugene_balashov@yahoo.co.uk Аннотация: В Российской Федерации количественная оценка прямой эмиссии закиси азота (N2O) из почв в атмосферу до настоящего времени остается приблизительной, поскольку измерения в полевых условиях практически не проводятся, и основываются либо на потенциальных измерениях, либо на данных, полученных в других странах мира. Необходимость оценки эмиссии N2O из сельскохозяйственных почв связана с ведущей ролью, которую почвы играют в образовании этого парникового газа. Представлены результаты по мониторингу прямой эмиссии N2O из пахотных почв Северо-Западного и Центрального регионов РФ за вегетационные периоды 2003–2013 годов. Введение Ежегодные сельскохозяйственные мероприятия вызывают существенное увеличение эмиссии N2O из почв по сравнению с естественными аналогами. По различным имеющимся оценкам прямые эмиссии N2O из сельскохозяйственных почв мира в атмосферу достигают 4.7 – 6.3 Тг N в год, что составляет от 25 до 40 % от суммарного количества этого газа, попадающего в атмосферу нашей планеты из разнообразных источников (5-ое национальное сообщение РФ, 2010). Размеры эмиссии N2O зависят от содержания в почвах доступного азота и углерода, активности микроорганизмов, объемов азота, поступающих в почвы с удобрениями и растительными остатками, а также от комплексного влияния почвенных и климатических условий на трансформацию азота и формирование N2O. Представлены результаты по измерению и расчетам прямой эмиссии N2O из пахотных почв Северо-Западного и Центрального регионов РФ за вегетационные периоды 2003 - 2013 годов. Выявлены взаимосвязи между свойствами почв, климатом с эмиссией N2O из пахотных почв и накоплением изучаемого газа в профиле почв. Объекты и методы исследования Полевые измерения прямой эмиссии N2O из сельскохозяйственных почв Северо-Западного региона были начаты в 2003 году. Основными объектами исследования служили агроземы, расположенные на территории Меньковского филиала Агрофизического НИИ. Мониторинг N2O проводился при помощи общепринятого метода закрытых камер (Бучкина и др., 2008). Исследования концентрации N2O на глубинах (10, 30 и 50 см) почвенного профиля с целью объективной оценки вклада почвы в эмиссию N2O проводились с помощью метода силиконовых трубок. Изучение прямой эмиссии N2O из почв Центрального региона РФ проводилось на базе ГНУ ВНИПТИОУ (Владимирская область, п. Вяткино) и полигоне Владимирского НИИСХ, (г. Суздаль). В Вяткино изучали влияние органических, минеральных и органоминеральных систем удобрений в зерно-пропашном севообороте на эмиссию N2O, а в Суздале – влияние способов основной обработки почв. 9 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. Все исследования проводились в динамике, в течение вегетационных периодов, с учетом возможных больших потерях азота в короткие периоды времени - после интенсивных осадков, внесения удобрений или обработки почвы. Отбор проб воздуха проводился в стеклянные флаконы с помощью 60-мл шприца через трехходовой кран, вмонтированный в центр каждой камеры или в трубки, выходящие на поверхность почвы. Содержание N2O в образцах определялось с помощью газового хроматографа Carlo Erba Strumentazione 4130, оснащенного детектором электронного захвата. Физические и химические показатели исследуемых почв изучались в динамике по стандартным методикам. Климатические изменения учитывались по метеорологическим наблюдениям местных метеостанций. Результаты исследований За время исследований было выявлено, что эмиссия N2O из дерново-подзолистых супесчаной почвы никогда не превышала 5 мг N2O-N на гектар в день, если почва содержала менее 10 мг доступного минерального азота на 1 кг почвы. Температура и влажность почвы оказывали существенное влияние на эмиссию N2O, если почва содержала более 10 мг доступного азота на кг почвы. Эмиссия N2O существенно возрастала, если доля водонасыщенных пор в почве превышало 40-60% от общего количества пор. С увеличением плотности сложения почв эмиссия N2O достоверно возрастала, так же как и с утяжелением гранулометрического состава (Buchkina et al., 2013). Кумулятивные потоки N2O, даже при выращивании одной и той же сельскохозяйственной культуры, существенно отличались в разные годы, что являлось последствием существенных различий в распределении осадков по месяцам вегетационного сезона. Выпадение большого количества осадков сразу после внесения в почвы удобрений существенно увеличивало кумулятивные потоки N2O из почв по сравнению с теми годами, когда май и июнь были засушливыми (Buchkina et al., 2010). Внесение в почвы азота с минеральными или органическими удобрениями практически всегда приводило к увеличению кумулятивного потока N2O из почв. Максимально большие кумулятивные потоки N2O из почв были отмечены при внесении высоких доз навоза крупного рогатого скота, что было связано не только с поступлением в почвы большого количества доступного азота, но также и с поступлением доступного углерода и влаги. Внесение в почвы навоза приводило к увеличению пространственной неоднородности эмиссии N2O из почв, что существенно увеличивало ошибку измерений (Buchkina et al., 2013). Эмиссия N2O из почв при выращивании пропашных культур всегда была выше, чем при выращивании культур сплошного сева. При этом эмиссия из почвы гребней всегда была достоверно выше, чем из почвы борозд (Buchkina et al., 2010). Уровень окультуренности почв также оказывала существенное влияние на эмиссию N2O. Высоко окультуренные почвы выделяли больше N2O, чем слабо окультуренные при внесении одинакового количества азота с минеральными удобрениями. Однако пересчет эмиссии N2O на единицу полученного урожая показал, что наименьшими значениями этой величины характеризуются хорошо окультуренные почвы (Рижия и др., 2011). Было установлено, что в течение вегетационного сезона концентрация N2O в профиле дерновоподзолистой супесчаной почвы: достоверно (p < 0,001) возрастала с глубиной, достоверно 10 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. (p < 0,001) зависела от увеличения влажности и плотности сложения почвы, не зависела от температуры почвы и количества доступного азота в почве. Изучение кумулятивных потоков N2O из серой лесной почвы с различными видами обработки почв показало, что достоверно высокими (р < 0,05) они были при применении ежегодной отвальной вспашки на глубину 20–22 см. Далее по убыванию расположились: ежегодная безотвальная обработка на глубину 6–8 см, ежегодная безотвальная обработка на глубину 20– 22 см и комбинированная обработка на глубину 28–30 см (Зинченко и др., 2011). Допустимые газообразные потери азота из сельскохозяйственных почв в течение вегетационного периода, выраженные в величинах эмиссионного фактора (ЭФ) (доля азота, потерянного в форме N2О, в % от общего количества азота, внесённого с удобрениями), не должны превышать 1.25% (IPCC). ЭФ в исследуемых почвах изменялся в разные вегетационные сезоны от 0.28 до 1.8%. ЭФ был наибольшим для почв, получающих высокие дозы N с минеральными удобрениями (0.5–1.8%). При внесении зеленых или органических удобрений ЭФ в проведенных экспериментах не превышал 0.62% (Buchkina et al., 2012). Выводлы Оценка эмиссии N2O из почв сельскохозяйственного назначения позволяет установить агроэкологическую эффективность систем выращивания растений в условиях сохранения требуемого качества почв. Измерение прямых эмиссий парниковых газов из почв является одним из ключевых шагов при оценке вклада сельского хозяйства страны в общий бюджет парниковых газов. Полученная информация может быть использована для разработки стратегии развития сельского хозяйства, для выбора технологий обработки почв, комплекса удобрений и севооборотов, ведущих к снижению вклада сельского хозяйства в бюджет парниковых газов без снижения урожаев сельскохозяйственной продукции. Литература Бучкина Н.П., Балашов Е.В., Рижия Е.Я.. Павлик С.В. (2008) Мониторинг эмиссии закиси азота из сельскохозяйственных почв – Методические рекомендации. Изд-во Россельхозакадемии, С-Пб. 20 с. Зинченко М.К, Бучкина Н.П., Рижия Е.Я., Павлик С.В., Зинченко В.С. (2011) Влияние приемов основной обработки почв на биологическую активность серых лесных почв Владимирского Ополья // Земледелие. №8, с. 25–27. Рижия Е. Я., Бойцова Л. В., Бучкина Н. П., Панова Г. Г. (2011) Влияние пожнивных остатков с различным отношением C/N на эмиссию закиси азота из дерново-подзолистой супесчаной почвы // Почвоведение. № 10, с. 1251–1259. Buchkina N.P., Rizhiya E.Y., Pavlik S.V., Balashov E.V. (2013). Soil physical properties and nitrous oxide emission from agricultural soils, In: Advances in Agrophysical Research (S. Grundas, A. Stepniewski – eds.).- InTechh., Shanghai. P. 193–220. Buchkina N.P., E.V. Balashov, E.Y. Rizhiya and K.A. Smith. (2010) Nitrous oxide emissions from a light-textured arable soil of North-Western Russia: effects of crops, fertilizers, manures and climate parameters // Nutrient Cycling in Agroecosystems. Vol. 87, 3: 429-442. Buchkina N., Rizhiya E., Balashov E. (2012) N2O Emission from a loamy sand Spodosol as related to soil fertility and N fertilizer application for barley and cabbage. // Archives of Agronomy and Soil Sciences. 58 (supplement 1): S141-S146. 11 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ЗАПАСЫ И СКОРОСТЬ АККУМУЛЯЦИИ УГЛЕРОДА ЭВТРОФНЫМИ БОЛОТАМИ ЮЖНО-ТАЕЖНОЙ ПОДЗОНЫ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ ГОЛОВАЦКАЯ Е.А.1, 2 1 ФГБУН Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, Томск, Россия 2 Томский государственный университет, Томск, Россия. golovatskaya@imces.ru Аннотация: Представлены результаты оценки запасов углерода в торфяных залежах эвтрофного болота в южной тайге Западной Сибири. На основе детального анализа стратиграфии торфяных месторождений рассмотрены закономерности развития болотного массива в течение Голоцена. Оценена скорость аккумуляции углерода и скорость накопления торфа в голоцене, а также современная (текущая скорость связывания углерода). Введение В болотных экосистемах нашей планеты в виде торфяных залежей сосредоточены значительные запасы углерода – 120–455 ГтC (Вомперский, 1994; Gorham, 1991). На территории Западной Сибири болотные экосистемы занимают почти 50% площади, и в них содержится около 36 % общего пула почвенного углерода России. Детальный анализ стратиграфии торфяных залежей позволяет не только оценить запасы углерода в исследуемых болотных экосистемах, но и проследить закономерности развития болотных массивов при изменении климатических условий в течение Голоцена. Объекты и методы Исследования проводились на научно-исследовательском стационаре «Васюганье» (ИМКЭС СО РАН). В качестве модельного объекта для исследования была принята территория эвтрофного болота Самара, в пределах которого было исследовано три пункта: осоково-ерниковая экосистемы (СО), ерниково-осоковая (СЕ) и сосново-елово-кедрово-березовая согра (СС). Окраина болотного массива представлена осоково-ерниково-гипновой ассоциацией, с редким древесным ярусом низкорослых берез (высота – 4–6 м, диаметр стволов – 4–9 см) и группами ивовых. Средняя мощность торфяной залежи составляет 350 см. Заболачивание окраины болотного массива шло в небольшой депрессии поймы реки, которая выстлана аллювиальными глинами. Этот участок был довольно сухой, поскольку в понижении произрастала черная ольха. Затем увлажнение увеличилось, что обеспечило доминирование гипновых мхов и образование соответствующего торфа. Постепенно в сообщества внедрялись травы (осоки, вахта и др.) Динамика обводнения и разрастание популяций тех или иных видов обеспечила чередование травяных и травяно-гипновых видов торфа. В целом, водноминеральный режим оставался относительно стабильным и потому залежь практически однородная низинного типа. Всю центральную часть болотного массива занимают заросли карликовой березки – Betula nana L., с редким ярусом низкорослых сосен и берез (высота – 2–6 м, диаметр стволов – 2– 7 см), кроме того, встречаются редкие группы ивовых. Травянистый ярус представлен типичными для осоково-гипновых болот Западной Сибири видами. В моховом покрове доминируют зеленые мхи. Торфяная залежь относится к низинному типу топяному подтипу. 12 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. Средняя мощность торфяной залежи составляет 360 см. Заболачивание центральной части болотного массива началось в пойме, в небольшом понижении во влажных, но богатых условиях (о чем свидетельствует наличие хвощового торфа в придонных слоях торфяной залежи). Затем увлажнение увеличилось, и образовался мелководный разлив, что диагностируется по наличию тростника. Привнос вод рекой сопровождался заносом моллюсков (раковины) (до 270 см). Дальнейшее развитие болота – однотипно, т.к. торфяная залежь имеет более–менее однородное строение. В древесном ярусе сосново-елово-кедрово-березовой согры преобладают Pinus sylvestris и P. sibirica, также встречаются Picea obovata Lebed., Abies sibirica Lebed., Betula alba L. Высота древесного яруса 15–20 м, п.п. 70–80%. Травяный ярус обилен – п.п. до 80%. Моховой покров разрежен (п.п. 30–40 %). Мощность торфяной залежи 430 см. Залежь низинного типа, сложена травяными, травяно-гипновыми, гипновыми торфами, в основании залежи лежит хорошо разложившийся хвощовый торф. Согласно данным радиоуглеродного датирования наиболее древней является торфяная залежь согры (8060±135 лет), наиболее молодой центральная часть болота – (4940±85 лет). На каждом пункте наблюдения были отобраны образцы торфа на всю глубину торфяных залежей (каждые 10 см) для проведения анализа ботанического состава, плотности, содержания углерода в торфе и др. Получено 16 радиоуглеродных датировок торфа (Лаборатория геологии и палеоклиматологии кайнозоя в Институте геологии и минералогии СО РАН и в Лаборатории биоинформационных технологий ИМКЭС СО РАН). Скорость накопления торфа (гС·м-2 в год) определялась для торфяных залежей путем деления запасов углерода в торфяной залежи на возраст образцов торфа придонного слоя, скорость вертикального прироста торфа (мм в год) определялась как отношение мощности торфяной залежи к возрасту придонного слоя торфа. Для оценки современной скорости депонирования углерода были выполнены измерения чистой первичной продукции (NPP) укосным методом (Головацкая, Порохина, 2005), а также оценена скорость трансформации растений-торфообразователей методом закладки растительности в торф (Козловская и др. 1978). Результаты Содержание общего углерода (Собщ) исследуемых торфах эвтрофного болота изменяется от 12% до 50%, в среднем составляя 33%. Содержание Собщ с глубиной постепенно снижается, достигая минимальных значений в придонном слое. На протяжении почти всей торфяной залежи СЕ и СО содержание Собщ имеет близкие значения. Значительно отличается по содержанию Собщ торфяная залежь согры – в слое 100–300 см наблюдается снижение содержания Собщ с 45 до 20%. Минимальное содержание Собщ получено для придонных слоев согры – 350–400 см (12 %). Общие запасы углерода в торфяной залежи в первую очередь определяются ее мощностью, существенную роль играет плотность торфа, которая может изменяться в широких пределах (76–400 г·дм-3 для исследуемого болота). В торфяных залежах СО и СЕ плотность торфа имеет сходный характер распределения по глубине, с наибольшими различиями в слое 270–330 см. В торфяной залежи согры до глубины 80 см плотность характеризуется близкими значениями с плотностью торфа других пунктов, однако глубже наблюдаются значительные различия. Общие запасы углерода в этих залежах составляют от 137 до 189 кг·м-2. В среднем различия в запасах углерода в слоях торфа между разными залежами эвтрофного болота слабо выражены, так как торфяная залежь исследуемого эвтрофного болота характеризуется довольно однородным сложением и близкими значениями плотности торфа. 13 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. Результаты оценки скорости накопления торфа и углерода показывают, что усредненная скорость накопления углерода в изученных торфяных залежах составляет в среднем 23,0 (20,2– 27,0) гС·м-2 в год, средняя скорость вертикального прироста торфа изменяется от 0,47 до 0,71 мм в год. Скорость накопления торфа существенно изменялась в течение голоцена с изменением климата и, соответственно, растительного покрова болот (табл. 1). Таблица 1. Скорость аккумуляции углерода и вертикального прироста торфа в процессе торфообразования, среднее для торфяного профиля, в скобках указаны min и max значения Скорость аккумуляции Вертикальный прирост -2 Фитоценоз -1 торфа, мм в год углерода, г·м ·год Ерниково-осоковая гипновая экосистема Осоково-ерниковогипновая экосистема Сосново-елово-кедровоберезовая согра 27,0 (13,7–74,1) 0,71 (0,47–1,75) 20,2 (7,8–56,3) 0,47 (0,23–1,38) 21,6 (10,5–38,8) 0,52 (0,31–0,76) Так же нами была оценена скорость текущей аккумуляции углерода, полученная балансовым методом, при котором учитываются все входящие и выходящие потоки углерода. К входящим потокам относится чистая первичная продукция (NPP), к выходящим -эмиссия СО2 и CH4, вынос углерода с болотными водами, кроме того учитываются скорость процессов разложения растительных остатков. Получено, что в настоящее время аккумуляция происходит в основном за счет роста растительности (120 гС·м-2 в год), а в виде торфа на накапливается лишь около 6 гС·м-2 в год, что гораздо ниже чем оценки, полученные для голоцена. Выводы Содержание углерода в исследуемых эвтрофных болотных экосистемах варьирует от 137 до 189 кг·м-2, в зависимости от мощности торфяной залежи, а также от плотности торфа. Изменение вертикального прироста торфа и скорости депонирования углерода определяется изменением климатических условий и сменой растительного покрова в течение голоцена. Современная (текущая) скорость связывания углерода в виде торфа эвтрофным болотом в 4 раза ниже по сравнению с оценками скорости накопления в течение голоцена, 6 и 23 гС·м-2 в год соответственно. Литература Вомперский С. Э. (1994) Роль болот в круговороте углерода / Биогеоценотические особенности болот и их рациональное использование. - М.: Наука, С.5-37. Gorham E. (1991) Northern Peatlands: role in carbon cycle and probable responses to climatic warming. Ecological Applications. Vol.1. №2. P.182-195. Головацкая Е.А., Порохина Е.В. (2005) Ботаника с основами фитоценологии: Биологическая продуктивность болотных биогеоценозов. Учеб.-метод. пособие. - Томск: Изд-во: Том. гос. пед. унта. - 64 с. Козловская Л.С., Медведева В.М., Пьявченко Н.И. (1978) Динамика органического вещества в процессе торфообразования. Л.: Наука ЛО, - 172 с. 14 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. К ВОПРОСУ ПРОВЕДЕНИЯ ИНВЕНТАРИЗАЦИИ ВЫБРОСОВ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ ПРЕДПРИЯТИЯМИ И СУБЪЕКТАМИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОЛОВИНА Н.М. АО «НИИ Атмосфера», г. Санкт-Петербург, Россия nmgolov@mail.ru Аннотация: Политика противодействия глобальному потеплению климата включает его смягчение за счет сокращения эмиссий парниковых газов, а также адаптацию к его воздействию. В Российской Федерации отсутствует действующая система учета выбросов парниковых газов на уровне субъектов и организаций, осуществляющих хозяйственную и иную деятельность, что делает невозможным создание прозрачных механизмов регулирования (сокращения) выбросов парниковых газов. Разработанные в последнее время нормативные и методические документы, представленные в данной статье, будут способствовать решению данной проблемы. Основными международными документами по климату являются: Рамочная конвенция ООН об изменении климата (РКИК ООН) и Киотский протокол (Kyoto Protocol). Парниковыми газами называются газообразные составляющие атмосферы природного и антропогенного происхождения, которые поглощают и переизлучают инфракрасное излучение (Рамочная конвенция об изменении климата, 1992г). Парниковыми газами, регулируемые Киотским Протоколом, являются: диоксид углерода (CO2), метан (CH4), закись азота (N2O), гидрофторуглероды (HPCs), перфторуглероды (PFCs), гексафторид серы (SF6). Выбросы парниковых газов выражаются в единицах массы, как правило, в гигаграммах (Гг = 1000 тонн). Совокупные выбросы различных парниковых газов, например, совокупный региональный выброс, выражаются в Гг СО2-эквивалента. Для пересчета массовых выбросов индивидуальных газов в СО2-эквивалент используют специальные пересчетные коэффициенты (потенциалы глобального потепления). В настоящее время в Российской Федерации сформирована национальная система оценки выбросов парниковых газов из источников и адсорбции поглотителями, созданная в соответствии с требованиями РКИК ООН и предназначенная для оценки выбросов парниковых газов в целом по стране. Национальная система оценки выбросов парниковых газов представляет агрегированные данные об объемах выбросов по видам газов и категориям источников в целом по стране. Выбросы парниковых газов в РФ в 2012 году составили 2,3 млрд. т СО2-экв. или 68,2% от уровня 1990 года (Национальный доклад о кадастре антропогенных выбросов, 2012 г.). В соответствии с прогнозами, выполненными Минэкономразвития России, рост выбросов парниковых газов замедлился в последние годы в связи с кризисными явлениями в экономике, но есть вероятность его роста в среднесрочной и долгосрочной перспективе (до 2030 года). Ведение национальных систем отчетности о выбросах парниковых газов для хозяйствующих субъектов, является широко распространенной практикой в мире и апробированным механизмом для сбора объективной и оперативной информации о выбросах парниковых газов. Такая информация используется для выработки целенаправленных решений по сокращению выбросов с учетом интересов 2014 г. №504-р) утвердило «План мероприятий по обеспечению к 15 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. 2020 году сокращения объема выбросов парниковых газов до уровня не более 75 процентов объема указанных выбросов в 1990 году», который включает в себя следующее: I. Формирование системы учета объема выбросов парниковых газов. II. Выполнение оценки и прогноза объема выбросов парниковых газов на период до 2020 года и на перспективу до 2030 года, включая оценку потенциала сокращения объема выбросов парниковых газов. III. Меры государственного регулирования объема выбросов парниковых газов. Для обеспечения эффективности функционирования системы мониторинга, отчетности и проверки выбросов парниковых газов необходима достоверная и оперативная информация о выбросах парниковых газов на уровне организаций, осуществляющих хозяйственную деятельность в Российской Федерации, т.к. их деятельность является основным источником выбросов парниковых газов.хозяйствующих субъектов, а также для создания институционной основы регулирования выбросов парниковых газов. Российская Федерация, являясь стороной РКИК ООН, взяла на себя обязательства по реализации последовательной политики и мер, направленных на снижение выбросов парниковых газов. Создается законодательная и нормативно-методическая база по регулированию объема выбросов парниковых. Указом президента РФ от 30.09.13 № 752 определены цели: а) обеспечить к 2020 году сокращение объема выбросов парниковых газов до уровня не более 75 процентов объема указанных выбросов в 1990 году; б) утвердить в 6-месячный срок план мероприятий по обеспечению установленного объема выбросов парниковых газов, предусмотрев в нем разработку показателей сокращения объемов выбросов парниковых газов по секторам экономики.Правительство Российской Федерации (Распоряжение правительства РФ от 2 апреля). В Российской Федерации систематические и повсеместные наблюдения за выбросами парниковых газов по субъектам и организациям, осуществляющим хозяйственную и иную деятельность, отсутствуют. Разработанная в соответствии с пунктом 1 «Плана мероприятий», Концепция формирования системы мониторинга, отчетности и проверки объема выбросов парниковых газов в РФ (Распоряжение Правительства РФ от 22.04.2015 №716-р) определяет цели, задачи, принципы и этапы введения отчетности в организациях, осуществляющих хозяйственную и иную деятельность. Реализация Концепции будет осуществляться в 2015 - 2020 годы в 3 этапа с постепенным охватом и вовлечением в нее различных регионов, секторов экономики и организаций. Пункты 3 и 4 «Плана мероприятий» явились основанием для разработки методических рекомендаций по оценке объемов выбросов парниковых газов в субъектах и в организациях, осуществляющих хозяйственную и иную деятельность. Утвержденные в 2015 году «Методические рекомендации по проведению добровольной инвентаризации объема выбросов парниковых газов в субъектах РФ» (Распоряжение Минприроды России от 16.04.2015 № 15-р) предназначены для использования уполномоченными органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации для проведения инвентаризации объема выбросов парниковых газов один раз в год. Данные 16 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. рекомендации включают оценки выбросов парниковых газов для секторов «Энергетика» (раздел I), «Промышленные процессы и использование продукции» (ППИП) (раздел II), «Сельское хозяйство» (раздел III) и «Отходы» (раздел IV). При разработке Методических рекомендаций использованы международные стандарты и руководства по проведению мониторинга выбросов парниковых газов и подготовке отчетности. В 2015 году разработаны «Методические указания и руководство по количественному определению объема выбросов парниковых газов организациями, осуществляющими хозяйственную и иную деятельность в РФ» (Проект приказа Минприроды России 2015 года). Данные методические указания предназначены для организаций, осуществляющих хозяйственную деятельность на территории РФ, в результате которой происходят выбросы парниковых газов в атмосферу в количестве, превышающем установленное значение на первом этапе -150 тыс. т CO2-экв. в год с 2016 года. На втором этапе (2017-2018 гг.) – всеми предприятиями с объемом выбросов более 50 тыс. т CO2-экв. в год. Методические указания включают формы сведений об объемах выбросов парниковых газов в организации для предоставления в уполномоченные исполнительные органы государственной власти Российской Федерации и инструкции по ее заполнению. Заключение Введение системы отчетности по объемам выбросам парниковых газов в организациях обеспечит получение достоверных, полных и сопоставимых данных об объемах выбросов парниковых газов и будет способствовать выработке и реализации эффективных мер государственного регулирования (сокращения) выбросов парниковых газов, решения других задач климатической политики и выполнения международных обязательств Российской Федерации. Литература Киотский протокол к Рамочной Конвенции ООН об изменении климата,UNEP/IUC1998 г. Национальный доклад о кадастре антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов, не регулируемых Монреальским протоколом за 1990-2010 годы, М., 2012. Проект приказа Минприроды России «Об утверждении методических указаний и руководства по количественному определению объема выбросов парниковых газов организациями». Рамочная конвенция об изменении климата, 1992г. Распоряжение Минприроды России от 16.04.2015 №15-р «Об утверждении методических рекомендаций по проведению добровольной инвентаризации объема выбросов парниковых газов в субъектах Российской Федерации». Распоряжение Правительства РФ от 2.04. 2014 . №504-р» Об утверждении плана мероприятий по обеспечению к 2020 году сокращения объема выбросов парниковых газов до уровня не более 75% объема указанных выбросов в 1990 году». Распоряжение Правительства РФ от 22.04.2015 №716-р «Об утверждении Концепции формирования системы мониторинга, отчетности и проверки объема выбросов парниковых газов в Российской Федерации». Указ Президента Российской Федерации от 30.09.2013 № 752 « О сокращении выбросов парниковых газов». 17 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ОЦЕНКА ЭМИССИИ УГЛЕРОДА ПОЧВАМИ РОССИИ: МОДЕЛЬНЫЙ ПОДХОД ГОЛУБЯТНИКОВ Л.Л. Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва, Россия golub@ifaran.ru Аннотация: На основе математического моделирования предложен подход к оценке годового потока углерода из почвенного покрова России. В данной работе используется разработанная "демографическая" модель углеродного цикла. Значительное влияние на величину эмиссии углерода оказывают почвы лесной зоны России. Для почвенного покрова тундровой и полупустынной природных зон характерна незначительная C-CO2 эмиссия. Годовой поток углерода из почв России оценен в 4.1 Гт C-CO2. Поток углерода из почв в атмосферу оказывает существенное влияние на баланс углерода в наземных экосистемах. Эмиссия CO2 из почв осуществляется в результате жизнедеятельности корней растений, почвенных животных и микроорганизмов. Ежегодный глобальный поток CO2 из почв в атмосферу оценивается в 64-72 Гт C-CO2 (Ito, 2003; Kudeyarov, 2005; Schlesinger, Andrews, 2000). Территория России занимает около 1/9 части поверхности суши и её почвенный покров оказывает существенное влияние на глобальный цикл углерода. Целью данной работы была оценка интенсивности потока CO2 из почвенного покрова России на основе модельного подхода. В данной работе используется разработанная в лаборатории математической экологии Института физики атмосфера им. А.М.Обухова РАН "демографическая" модель углеродного цикла, основанная на схеме преобразования фитомассы с течением времени (Golubyatnikov, Svirezhev 2008). В модели рассматривается фитомасса B(t, t) "возраста" t в момент времени t в углеродных единицах вдоль оси t: B(t, t) является живой фитомассой на временном промежутке [0, t1]; B(t, t) на временном промежутке [t1, t2] является мертвой фитомассой (мортмассой) и B(t, t) является почвенным органическим веществом (гумусом) на временном диапазоне [t2, ¥]. Мортмасса разлагается под воздействием биологических и небиологических процессов. Почвенный гумус представляет собой медленно разлагающуюся органическую субстанцию, время жизни которой достаточно велико. Параметр t выступает в качестве "демографического" маркера для фитомассы. Данная модель углеродного обмена позволяет оценить интенсивность потока углерода в атмосферу из мортмассы и гумуса для различных наземных экосистем. Согласно работам (Kudeyarov, 2005; Kudeyarov, Kurganova, 1998), корневое дыхание составляет около 1/3 от эмиссии углерода из почв. Учитывая это соотношение и экспериментальные данные о первичной биологической продукции, запасах фитомассы, мортмассы и почвенного органического вещества в различных экосистемах, был рассчитан годовой поток углерода (C-CO2) из почв России. Согласно нашим расчетам, наибольшие значения эмиссии углерода из почвенного покрова характерны для почв экосистем широколиственных лесов и степей (550-670 гС/(м2 год)), для почв бореальных лесов и полупустынь свойственны средние значения эмиссии углерода (160360 гC/(м2 год)), эмиссия углерода из тундровых почв минимальна (около 80 гC/(м2 год)). Модельные расчеты показали, что значительная роль в эмиссии углерода принадлежит почвам лесной зоны, из которых ежегодно поступает в атмосферу около 2.1 Гт C-CO2 (рисунок 1). Эмиссии углерода из почв степей и горных районов примерно одинаковы и составляют около 1 Гт C-CO2/год. Для почв тундры и полупустынь характерны небольшие годовые эмиссии 18 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. углерода – около 0.1 and 0.04 Гт C-CO2 соответственно. Проведенные расчеты показали, что годовой поток углерода в атмосферу из почв России оценивается примерно в 4.1 Гт C-CO2. Полученная оценка хорошо согласуется с результатами исследований других авторов (Kudeyarov, Kurganova, 1998; Kurganova, 2003). Согласно данной оценке, почвенное дыхание наземных экосистем России составляет около 6% глобальной эмиссии углерода почвами. Лес 2.1 Тундра 0.1 Горные районы 0.8 Полупустыня 0.04 Степь 1.0 Рис. 1. Оценки годовых потоков углерода из почв экосистем России, Гт C-CO2. Благодарность Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 14-05-00193-а) и Программы фундаментальных исследований Отделения наук о Земле РАН "Влияние современных изменений климата и окружающей среды на процессы в атмосфере и криосфере". Литература Golubyatnikov L.L., Svirezhev Yu.M. (2008) Life-cycle model of terrestrial carbon exchange. Ecological Modelling. Vol. 213(2). P. 202-208. Ito A. (2003) A global-scale simulation of the CO2 exchange between the atmosphere and the terrestrial biosphere with a mechanistic model including stable carbon isotope, 1953-1999. Tellus B. Vol. 55. P. 596612. Kudeyarov V.N. (2005) The role of soils in the carbon cycle. Eurasian Soil Science. Vol. 38(8). P. 808–815. Kudeyarov V.N., Kurganova I.N. (1998) Carbon dioxide emission and net primary production of Russian terrestrial ecosystems. Biology and Fertility of Soils. Vol. 27(3). P. 246-250. Kurganova I. (2003) Carbon dioxide emission from soils of Russian terrestrial ecosystems. Interim Report IR-02070, IIASA. 63 p. Schlesinger W.H., Andrews J.A. (2000) Soil respiration and global carbon cycle. Biogeochemistry. Vol. 48. P. 720. 19 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. БИОХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАЗЛОЖЕНИЯ ПОЧВЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА НА ЭМИССИЮ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ В ЗОНЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ ЗИНЧЕНКО А.В. ГГО им. А. И. Воейкова, Санкт-Петербург, Россия aresh-08@mail.ru Аннотация: Модель предназначена для диагноза эмиссии парниковых газов (CO2 и CH4) почвой в масштабе регионов при текущем климате и ее предсказания для различных сценариев изменений климата. Расчет образования газов основан на математическом моделировании дыхания микробной биомассы. Кинетика разложение почвенного органического углерода описывается уравнением Михаэлиса–Ментон. Представлены примеры результатов расчета для условий тундровой зоны Северо-Востока Сибири (район устья Лены). Даны рекомендации по методике использования модели. Роль почвенного углерода в эмиссии парниковых газов Глобальный запас почвенного органического углерода (SOC) значительно (по крайней мере в 4 раза (German, 2012)) больше запаса С в атмосфере и в живых растениях вместе взятых. Микробное разложение SOC является крупным источником поступления парниковых газов (GHG) в атмосферу. Скорость разложения SOC растет с ростом температуры почвы, образуя петлю положительной обратной связи между содержанием GHG в атмосфере, температурой и скоростью микробного разложения SOC. Болота и тундра в северных широтах, большая часть которых находится в зоне вечной мерзлоты, накопили большие запасы SOC (547 Гт согласно (Zhang, 2012)), эти экосистемы являются основными природными источниками парникового газа метана (CH4). Потепление в северных широтах идет примерно в 2 раза быстрее, чем в глобальном масштабе. Рост температуры оказывает прямое воздействие на эмиссию GHG в зоне вечной мерзлоты, а также косвенное воздействие за счет сопутствующего изменения гидрологического режима (изменения осадков и стока). Краткое описание модели Модель формулируется в виде системы дифференциальных уравнений, основанных на следующих принципах и допущениях: 1) SOC преобразуется в доступную для питания почвенных бактерий растворимую форму (DOC) в ходе биохимической реакции катализируемой ферментами, выделяемыми бактериями. Скорость ферментивной реакции описывается уравнением Михаэлиса –Ментон (М-М). 2) Фактором, лимитирующим рост бактерий, является продукция DOC, соответственно рост микробной биомассы описывается моделью Моно. 3) Зависимость коэффициентов уравнения M-М от температуры описывается показательными функциями (Davidson, 2006), максимальная скорость ферментивной реакции считается пропорциональной микробной биомассе (Полуэктов, 2011). 4) Дыхание микробов происходит в аэробном (выделение СО2) или в анаэробном (CH4) режиме, его интенсивность зависит от коэффициента утилизации углерода (CUE) в процессе роста бактерий. 5) Соотношение CO2/CH4 в почвенном дыхании зависит от уровня почвенных (болотных) вод, это соотношение описывается с помощью эмпирической функции. 6) Плотность потока GHG в атмосферу определяется суммированием генерации GHG во всем деятельном слое почвы, разбитом по вертикали на расчетные подслои. 20 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. 7) Расчеты по модели проводятся с базовым набором биохимических параметров, полученным по данным инкубационных экспериментов с образцами почвы (Davidson, 2006, German, 2012), значения отдельных параметров могут уточняться при тестировании и настройке модели для конкретных микроландшафтов. Примеры расчетов с помощью модели На рисунках 1 и 2 представлены примеры расчетов для 1 варианта внешних (климатических и почвенных) условий, близкого к условиям в тундровой зоне на Северо-Востоке Сибири (район устья Лены). Глубина болотных вод задана постоянной в течение летнего сезоны (10 см). В более полной версии доклада рассмотрено влияние различных отклонений условий от данного варианта. Рис. 1. Рассчитанный по модели временной ход микробной биомассы (Cmic) в углеродных единицах в верхнем расчетном слое почвы (0-2 см). Начало и конец кривой соответствуют дням перехода среднесуточной температуры расчетного слоя почвы через 0ОС (14 мая - 28 сентября). Рис. 2. Рассчитанный временной ход плотности потоков GHG (Rs [мгCO2 м-2 час-1], E [мгCH4 м-2 час-1]) с поверхности почвы в атмосферу. Масштаб для E в 10 раз крупнее, чем для Rs. 21 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. Рекомендации по методике использования модели Для задач моделирование глобального климата наибольшее значение имеют суммарные за значительные промежутки времени (год, сезон) потоки GHG, осредненные для крупных регионов. Использование модели для решения этих задач предполагает следующую последовательность действий: 1) Выделение на территории региона нескольких (3 – 6) типичных микроландшафтов, которые могут быть распознаны по данным спутникового мониторинга. 2) Тестирование и настройка модели по данным локальных измерений потоков GHG из почвы для выделенных микроландшафтов в одном или нескольких местах региона. 3) Обобщение (повышение масштаба) для региона путем осреднения рассчитанных по модели потоков для отдельных микроландшафтов с весами, равными отношению площади микроландшафта к площади региона, и с учетом неоднородности внутри региона почвенных, температурных и гидрологических условий. 4) Предсказание изменений региональных потоков GHG при различных сценариях изменения климата. Благодарность Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 14-05-00677а). Литература Полуэктов Р. А. (2011) Описание процесса аммонификсации в рамках модели трансформации углерода и азота в почве. Проблемы агрохимии и экологии. № 4. С. 25-28. Davidson E. A., Janssens I. A., Lou Y. (2006) On the variability of respiration in terrestrial ecosystem: moving beyond Q10. Global Change Biology, Vol. 12, P. 154-164. German D. P., Marcelo K. R. B., Stone M. M., Allison S. (2012) The Michaelis-Menton kinetics of soil extracellular enzymes in response to temperature: a cross-latitudinal study. . Global Change Biology, Vol. 18, P. 1468-1479. Zhang Y., Sachs T., Li C., Boike J. (2012) Upscaling methane fluxes from closed chambers to eddy covariance based on permafrost biogeochemistry integrated model. Global Change Biology, Vol. 18, P. 1428-1440. 22 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ОСОБЕННОСТИ ЭМИССИИ N2O ИЗ АГРОЭКОСИСТЕМ НА СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЕ ВЛАДИМИРСКОГО ОПОЛЬЯ ЗИНЧЕНКО С.И.1, РИЖИЯ Е.Я.2, БУЧКИНА Н.П.2 1 ФГБНУ «Владимирский НИИСХ» ФАНО,Суздаль, Россия zinchenkosergei@mail.ru 2 ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия alen_rizh@mail.ru; buchkina_natalya@mail.ru Аннотация: Проведенные исследования на серой лесной среднесуглинистой почве Опольной зоны при возделывании сельскохозяйственных культур показали, что активность эмиссии N2O из почвы зависит от приемов основной обработки. На фоне одинаковой обеспеченности почвы влагой, в период проведения наблюдений, биологическая активность микрофлоры, в том числе нитрифицирующей, была выше на ежегодной отвальной вспашке и периодической ярусной вспашке. Кумулятивный поток N2O с поверхности почвы был достоверно больше (р<0,05) в агроэкосистеме с отвальной вспашкой на глубину 20-22 см (515,5 г га-1), а наименьшим при безотвальных обработках на глубину 6-8 см (325,7 – 351,1 г га-1). На участке (30 летней) залежи – 280,0 г га-1. Безотвальные обработки на глубину 6-8 см и 20-22 см приводят к меньшей эмиссии N2O из серой лесной почвы, чем ежегодная отвальная вспашка на глубину 20-22 см. Они являются оптимальными для применения в агроэкосистеме с экологической точки зрения. Введение Сельскохозяйственная деятельность человека оказывает существенное воздействие на физические и химические свойства почвы, особенно на свойства верхнего пахотного горизонта. Основные изменения физических свойств почвы в сторону, благоприятную для роста и развития культурных растений, достигаются путем обработки почвы. Информация об эмиссии N2O необходима для разработки стратегии развития сельского хозяйства, для выбора технологий обработки почв, комплекса удобрений, ведущих к снижению вклада сельского хозяйства в бюджет парниковых газов без уменьшения урожаев сельскохозяйственных культур и плодородия почв (Buchkina et al., 2013). Объекты и методы исследования Экспериментальные исследования проводились во Владимирском НИИСХ (г. Суздаль) в полевом многолетнем опыте, заложенном в 1986 г. на серой лесной среднесуглинистой почве. Севооборот опыта: овес + мн. травы (клевер) – мн. травы первого года- мн. травы второго года – озимая рожь – яровая пшеница - ячмень. Изучали четыре варианта основной обработки: (1) ежегодную безотвальную обработку почвы культиватором КПС-4 на глубину 6-8 см; (2) – ежегодную безотвальную обработку почвы культиватором КПГ - 250 на глубину 20-22 см; (3) – ежегодную отвальную вспашку плугом ПЛН-4-35 на глубину 20-22 см; (4) комбинированную обработку, состоящую из ярусной вспашки плугом ПЯ – 3-35 на глубину 28-30 см под озимую рожь и безотвальной обработки культиватором КПС - 4 на глубину 6-8 см под все остальные культуры севооборота. В период исследований в опыте выращивали ячмень в 2008 г., овес + клевер в 2009 г. Почвы опытного участка характеризуются слабокислой реакцией среды (5,5-6,0), содержание гумуса в них составляет 2,2-3%. Общее содержание элементов питания составляет от 10 до 23 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. 25 мг Р2О5 на 100 г почвы, 10-12 мг К2О на 100 г почвы. Минеральные удобрения вносились в дозах, рекомендованных для культур севооборота (NРК 40-60 кг д.в. га-1). Применялись комплексные микробиологические и биохимические методы исследования: ферментативная активность каталазы определялась газометрическим методом, целлюлозоразлагающая способность почвы – апплика-ционным методом (Звягинцев, 1991); эмиссия закиси азота из почв - методом закрытых камер (Buchkina et al., 2010). Результаты исследований Достоверных различий в весовой влажности почв различных вариантов опыта в период вегетации не наблюдали. Наименьшая плотность сложения почвы в период исследований в среднем за два года отмечалась на варианте с отвальной вспашкой и в период развития культур колебалась от 1,07 в мае до 1,30 г см-3 к концу вегетации культур. Наиболее высокая плотность сложения в этот период отмечалась на участке с ежегодной мелкой обработкой, где почва уплотнялась от 1,16 до 1,46 г см-3. При существующих показателях плотности сложения почвы и ее обеспеченности влагой, высокая и средняя целлюлозоразрушающая активность почвы на глубине 0-10 см была характерна для вариантов с обработкой на глубину 6-8 см (1 и 4 вариант). Микробиологическая активность почвы по разложению клетчатки на глубине 10-20 см на этих вариантах опыта была средняя. В целом, в слое 0-20 см минерализация льняной ткани на участках с этой основной обработкой также имела самые высокие значения - 43 и 41%, соответственно. На глубине 20-30 см минерализационная активность на выше упомянутых вариантах обработки почвы снижалась до слабой (на уровне 25 %). Водно-физические свойства почвы, которые определяются гидротермическим режимом и приемом обработки, были схожи на всех изученных вариантах опыта, и, почвы следовательно, не являлись определяющими для минерализации целлюлозы. Можно считать, что прямого влияния влажности почвы и плотности ее сложения на интенсивность минерализации целлюлозы при различных способах основной обработки почвы не наблюдалось. Основной причиной активности целлюлозоразрушающей микрофлоры, на наш взгляд, следует считать распределение органических остатков, которые служат источником энергетического материала для целлюлозолитиков (Зинченко, Стоянова, 2011; Зинченко, 2014). Закись азота (N2O), выделяемая почвой в атмосферу, является одним из трех основных парниковых газов и ее образование в почве зависит от целого ряда почвенномикробиологических параметров, которые, в свою очередь, определяются и способом обработки почв. Кумулятивные потоки N2O из почв вариантов опыта, рассчитанные нами на основе еженедельных измерений эмиссии на протяжении вегетационного сезона, в среднем за вегетационный сезон изменялись от 325,7 до 515,5 г N2O-N га-1, а на необрабатываемом участке составили 280,0 г N2O-N га-1. Внесение дополнительного количества азота (из расчета 90 кг N га-1) в почвы приводило к достоверно большим (р < 0,001) потерям N в виде закиси азота из почв всех исследуемых участков (Buchkina et al., 2009). На фоне одинаковой обеспеченности почвы влагой в период проведения наблюдений биологическая активность микрофлоры, в том числе нитрифицирующей, была выше в почве 24 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. участка с ежегодной отвальной вспашкой. Так, содержание нитратов в слое 0-30 см составило: в почве варианта с отвальной вспашкой - 4,5 мг 100 г почвы-1, с мелкой безотвальной обработкой - 4,02 мг 100 г почвы-1, с периодической ярусной обработкой – 3,63 мг 100 г почвы-1 и в варианте с безотвальной глубокой обработкой– 2,57 мг 100 г почвы-1. Выводы Мелкие обработки обусловили самые высокие показатели минерализации целлюлозы в слое почвы 0-20 см (более 40%). Оптимальными по кумулятивной эмиссии закиси азота, с агроэкологической точки зрения, являлись плоскорезная обработка на глубину 6-8 и 20-22 см и безотвальная обработка на глубину 6-8 см с чередованием через пять лет с периодическая ярусная обработка на глубину 28-30 см, где наблюдались наименьшие эмиссии N2O (325,7 – 395,7 г N2O-N га). Литература Звягинцев Д.Г. (1991) Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: МГУ. – 299 с. Зинченко М.К., Стоянова Л.Г. (2011) Трансформация микробиологических свойств агроценозов серой лесной почвы Владимирского ополья/ Владимирской земледелец. №2. С.8-11. Зинченко М.К. (2014) Формирование биогенности серой лесной почвы в агроландшафтах Владимирского ополья под влиянием различных систем удобрений/ Владимирский земледелец. №4. С. 12-14. Buchkina N.P., Balashov E.V., Rizhiya E.Y., Smith K.A. (2010) Nitrous oxide emissions from a light-textured arable soil of north-western Russia: effects of crops, fertilizers, manures and climate parameters. Nutrient Cycling in Agroecosystems, Vol. 87. P. 429-442. Buchkina N.P., Rizhiya E.Y., Pavlik S.V., Balashov E.V. (2013). Soil physical properties and nitrous oxide emission from agricultural soils, In: Advances in Agrophysical Research (S. Grundas, A. Stepniewski – eds.).- InTechh., Shanghai. P. 193–220. Buchkina N.P., Rizhiya E.Y., Pavlik S.V., Zinchenko V.S., Zinchenko S.I. (2009) N2O emission from loam grey soil under different tillage in Vladimir region o Russia. In: Proc. of 18th ISTRO conference, 15-19 June 2009, Izmir, Turkey. P. T6-003-1-T6-003-6. 25 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКОВ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ В РАЙОНЕ ГМО «ТИКСИ» ИВАХОВ В.М.1, ПАРАМОНОВА Н.Н.1, ПРИВАЛОВ В.И.1, КАЗАКОВА К.В.1, ЛАУРИЛА Т.2, АУРЕЛА М.2 1 Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова, Санкт-Петербург, Россия viktor.ivakhov@voeikovmgo.ru 2 Финский метеорологический институт, Хельсинки, Финляндия tuomas.laurila@fmi.fi Аннотация: приведены результаты измерений потоков парниковых газов: СН4, СО2 и N2O, – на гидрометеорологической обсерватории (ГМО) «Тикси». Значения потоков диоксида углерода, полученных методом вихревых ковариаций, лежат в пределах ±0.5 мг/м2/с. Потоки метана варьируются в пределах -0.0006÷0.001 мг/м2/с. Эмиссия закиси азота отсутствует или крайне мала. Сравнения полученных значений потоков с результатами измерений потоков в дельте реки Лены показали хорошее согласие. Введение Прогнозируемые изменения окружающей среды в Арктическом регионе (таяние вечной мерзлоты, изменения гидрологического режима и растительного покрова), могут оказать значительное влияние на динамику потоков основных парниковых газов (главным образом СН4 и СО2). Инвентаризация потоков парниковых газов (ПГ), как в глобальном масштабе, так и с территории России, была и остается актуальной задачей, требующей комплексных мер для её решения. В частности для Арктики особое значение имеет метан, эмиссия которого может возрасти вследствие таяния вечной мерзлоты. Проводимые наблюдательные работы на гидрометеорологической обсерватории «Тикси» включают в себя непрерывные измерения потоков СН4 и СО2. Так, летом 2010 года были запущены непрерывные измерения потоков СО2 методом вихревых ковариаций. В июне 2011 года были начаты измерения потоков метана. В дополнение к непрерывным измерениям в 2013-2014 годах было проведено несколько полевых исследований потоков метана, диоксида углерода и закиси азота камерным методом. Методы Система измерения потоков СН4 и СО2 микрометеорологическим методом вихревой ковариации расположена в небольшой кабине и состоит из анализатора метана RMT-200 (Los Gatos Research), анализатора диоксида углерода Li-7000 (Li-Cor), акустического анемометра USA-1 (METEK) и сопутствующих устройств. Измерительная кабина находится на границе раздела каменистого (сланцевая щебенка) участка и растительного покрова. Каменистый участок в свою очередь является «хвостом» (продолжением) друмлина – характерного для данного региона геоморфологического образования. В самом простом приближении подстилающую поверхность (ПП), находящуюся в пределах футпринта, можно разделить на три типа: (1) сухая тундра с растительным покровом, (2) увлажненная тундра с растительным покровом, (3) каменистые участки тундры. Параллельно с измерениями потоков на участках с упомянутыми типами ПП ведутся измерения радиационных характеристик (ФАР, радиационный баланс, суммарная радиация), температурного и влажностного профиля почвы, температуры и влажности воздуха. Файлы данных формируются с получасовым разрешением. Камерные измерения потоков СН4, СО2 и N2O проводились в ходе трех полевых кампаний. Эксперименты проводились с помощью прозрачных камер размером 0.5 × 0.5 × 0.25 м, которые ставились на металлические основания с гидрозатвором, установленные на различных 26 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. типах ПП. Пробы на СН4 и СО2 отбирались посредством 250 мл шприца и затем перекачивались в 50 мл стеклянные пузырьки с резиновой септой. Пробы на N2O помещались в 10 мл ампулы. Концентрация СН4 и СО2 определялась на газовом хроматографе (ГХ) с привязкой к шкале NOAA 2004 в лаборатории ГГО, а концентрация N2O определялась на ГХ в АФИ. В 2014 году камерные измерения проводились с помощью лазерного спектрометра DLT-100 (Los Gatos Research). Результаты Микрометеорологические измерения потоков СО2 ведутся непрерывно начиная с лета 2010 года, за исключением трехмесячной паузы, вызванной техническими неполадками зимой 2011. Величина потока диоксида углерода на ГМО «Тикси» в летние сезоны схожа с потоками, измеренными в других арктических регионах, например, на севере Финляндии. Но для зимних периодов потоки в Тикси близки к нулю, тогда как в Финляндии они немного больше. Рис. 1. Получасовые значения потоков СО2 на ГМО «Тикси». Отрицательные значения потоков означают поглощение газовой компоненты экосистемой. Измерения потоков метана были запущены в июне 2011 года, но из-за проблем с прибором они не велись более двух лет, и только летом 2014 года измерения возобновились. Потоки метана зависят от типа ПП, гидрологического и температурного режимов, растительного покрова и содержания углерода в почве. Значения полученных потоков метана, измеренных автоматическим комплексом, находятся в пределах -0.0006÷0.001 мг м-2 с-1. Величина потока метана, полученного для сухих участков с растительным покровом составила 0.01±0.06 мг м-2 час-1. Для увлажненных участков и каменистого участка средние значения потоков СН4 составили 2,35±2,12 и −0,07±0,05 мг м-2 час-1, соответственно. На рисунке 2 приведены примеры измерения потоков СН4 и СО2 с помощью автоматического газового 27 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. анализатора. Высокочастотные (1 Гц) измерения концентрации газовой компоненты в камере позволили идентифицировать и учесть при расчетах потоков «всплески» концентраций, вызванные пузырьковым механизмом на затопленных участках. Максимальный зафиксированный поток метана составил 5.76 мг м-2 час-1и был получен на затопленном участке с травой. В то же время на участке со сланцевой щебенкой был получен отрицательный поток, максимальное (по модулю) значение которого составило -0.16 мг м-2 час-1. Рис. 2. Результаты камерных измерений потоков СН4 и СО2 в июне 2014 года. Верхний график – потоки на увлажненном микрорельефе, нижний – на сухом каменистом участке. Исследования потоков закиси азота не выявили сколько-нибудь значимых эмиссий или стоков. Изменения концентрации N2O после многочасовых экспозиций в большинстве случаев находились в пределах инструментальной погрешности. Отметим, что полученные значения потоков ПГ хорошо согласуются с результатами, полученными в работе Schneider et al. (2009), в которой исследовались потоки ПГ в районе дельты реки Лена. Благодарности Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 14-05-00677а). Авторы выражают свою благодарность Бучкиной Н. П. (ФГБНУ АФИ) за помощь в измерениях закиси азота. Литература Schneider J., Grosse G., Wagner D. (2009). Land cover classification of tundra environments in the Arctic Lena Delta based on Landsat 7 ETM+ data and its application for upscalling of methane emission // Remote sensing of Environment. V. 113. P. 380―391. 28 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНОЙ ФОРМЫ АЗОТА НА РАЗЛОЖЕНИЕ РАСТИТЕЛЬНОГО ОПАДА И ЛЕСНЫХ ПОДСТИЛОК КВИТКИНА А.К., ЛАРИОНОВА А.А., БЫХОВЕЦ С.С. Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, Пущино, Россия aqvia@mail.ru Аннотация: в длительном инкубационном эксперименте рассмотрено влияние C/N и внесения минеральной формы азота на минерализацию углерода и азота растительных опадов в ряду: лиственный опад, ветки лиственных деревьев, хвоя и кора, некромасса цианобактерий. Растительный опад – это основной источник поступления свежего органического вещества в почву. Скорость разложения опада контролируется содержанием азота, поэтому эмиссия углекислого газа по мере разложения растительных остатков также зависит от соотношения С/N в опаде. Однако до сих пор обсуждаются не только механизмы, но и направленность влияния азота на минерализацию и гумификацию органического вещества: азот замедляет или стимулирует разложение? Имеющиеся в литературе сведения противоречивы, в них можно найти свидетельства того, что при увеличении концентрации азота процессы разложения опада могут как усиливаться, так и подавляться. Целью нашей работы было показать влияние С/N на разложение растительного опада. Отношение углерода к азоту или C/N – это ключевой показатель качества растительного опада, который используется для предсказания динамики его минерализации и гумификации. Влияние органического азота, входящего в состав растений, рассматривалось на примере 5 видов опадов разного происхождения. По величине отношения С/N они были выстроены в ряд: некромасса цианобактерий, C/N=9; лиственный опад смешанного леса, C/N=32; хвойный опад смешанного леса, C/N=66; кора хвойных деревьев, C/N=84 и ветки лиственных деревьев C/N=206 (Приокско-Террасный биосферный заповедник, Московская область). Опады инкубировались в измельчённом состоянии в смеси песка с иллитом при 22°С и 70% ППВ в течение 403 суток. Концентрация СО2 в пробах измерялась на газовом хроматографе. Минерализация органического вещества определялась нами как кумулятивная эмиссия углекислого газа, рассчитанная в процентах от внесённого углерода. Максимальный эффект от внесения минерального азота наблюдался в первые 12 суток (рисунок 1). По результатам 403 суток инкубации наиболее интенсивно разлагался листовой опад с C/N=32, минерализовалось 50% углерода. Древесный опад с C/N=206 разлагался наименее интенсивно, потери углерода в виде СО2 не превысили 2,5%. Преобладающей тенденцией является обратная зависимость между минерализацией и величиной C/N в опаде: чем меньше C/N, тем интенсивней идёт разложение и потеря углерода биомассой, однако разложение некромассы цианобактерий является исключением из данной закономерности. Обладая самым малым C/N=9, цианобактерии разлагаются медленнее листьев с C/N=32. Таким образом, другие показатели качества растительного материала наряду с величиной С/N оказывают влияние на минерализацию. По результатам 13С-ЯМР опады отличаются по содержанию структурных компонентов,: алифатических, ароматических, О-алкильных и карбонильных. 29 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. Для того чтобы оценить влияние азота на скорость разложения растительных тканей с одинаковым биохимическим составом к исходным опадам добавляли минеральный азот в виде раствора NH4NO3 различной концентрации для получения рядов с разным отношением C/N. Самый широкий диапазон значений C/N был в варианте с древесным опадом с исходным С/N 206, в который азот добавляли до величины C/N 190, 170, 150, 130 и 100, 50, 20, 10 и 5. В хвойный опад ( исходный C/N=66–84) азот добавляли до значений С/N 50, 20, 10 и 5. Лиственный опад (C/N=32) доводили до C/N 20, 10 и 5, а некромассу цианобактерий с C/N=9 до величины С/N равной 5. 20 c 15 10 5 0 Хвоя сосны С-СО2/С орг, % С-СО2 /С орг, % Цианобактерии b a c a b а b b 2 5 9 35 30 25 20 15 10 5 0 b b b b b b b c b a а 5 10 30 66 Кора сосны 12 50 40 b a 30 a 20 a ab b b c a 5 10 32 10 0 С-СО 2 /С орг, % С-СО2/С орг, % Опад листьев a 9 ab 6 a 3 a a a 5 0 ab c bc a a b bc c a 10 20 50 84 a Ветки деревьев 403 сут С-СО2/С орг, % 20 15 cd cd cd cde cde cde bc cd 5 10 10 5 0 90 сут 12 сут d cd c de e cd bc bc d d b e de ab ab bc ab aa 20 50 100 130 150 170 190 a aa 206 C/N Рис. 1. Кумулятивные потери углерода при разложении опадов на 12, 90, 403 сутки инкубации, выраженные в % от внесённого углерода. Индексы (a-e) показывают статистически значимые отличия между вариантами (р < 0,01). Оказалось, что внесение азота стимулировало минерализацию углерода только бедных азотом субстратов: веток лиственных деревьев и хвои. На разложение богатого азотом опада листьев C/N=32 и цианобактериальной массы C/N=9 добавление минерального азота оказывало противоположно направленное ингибирующее действие. Сильнее всего азот влиял на минерализацию углерода древесных опилок. Добавление минерального азота к опилкам веток с С/N 206 до С/N 150 и ниже приводило к увеличению минерализации углерода с 2,3% до 1025%, то есть в 5-10 раз. Степень влияния минерального азота на интенсивность минерализации уменьшалась в ряду древесный опад >хвоя >лиственный опад > некромасса цианобактерий> кора. Минерализация азота в опадах рассчитывалась по изменению общего содержания азота в микрокосме в конце опыта. В естественном опаде листьев количество азота в субстрате микрокосма не уменьшилось, при этом 50% исходного углерода эмитировало виде СО2. При разложении цианобактерий количество исходного азота уменьшилось на 25%. Бедные азотом 30 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. опады (хвоя сосны, ветки лиственных деревьев), тоже теряют азот по мере разложения. Хвоя теряет 21% азота. Ветки лишаются 14%-25% азота. Для всех опадов снижение C/N за счет внесения минерального азота сопровождалось дальнейшим увеличением потерь азота из пробы, кроме цианобактерий. Максимальные потери азота для всех остальных типов опадов наблюдались при C/N 5 и 10: 41-49% для опада листьев, хвои, веток, и 32-35% для коры. Таким образом, баланс азота при разложении опадов зависит от соотношения C/N, созданного привносом минерального азота в систему. Изменения C/N в микрокосме по окончанию разложения опадов без внесения минеральной формы азота не достоверно для всех типов опадов, за исключением веток лиственных деревьев. После внесения минеральной формы азота до C/N 5, 10 и 20 наблюдается повышение C/N по мере разложения опилок. При разложении естественных опадов, без внесения азота, наблюдалось значительное снижение C/N для опада листьев (с C/N 31,6 до C/N 20,8) и коры (с C/N 84,4 до C/N 66,4). Однако для веток лиственных деревьев в разных повторностях наблюдалось как снижение, так и повышение C/N. Поэтому нельзя однозначно говорить об обязательном снижении C/N по мере разложения опадов. Очевидно, что происхождение и состав исследованных типов опадов модифицирует зависимость интенсивности разложения от содержания азота в опаде. Таким образом, разные по качеству компоненты растительного опада противоположно отвечают на внесение азота, создавая неопределенность в оценке влияния содержания азота на скорость разложения растительных опадов. Дополнительным источником неопределенности является лимитирование разложения в определенном интервале С/N, который специфичен для каждого типа опада. При попадании в определенный интервал C/N наблюдается прямая или обратная зависимость разложения органического вещества от уменьшения C/N, вне этого интервала зависимости не будет. Благодарности Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 14-04-01738, № 14-04-01884) и гранта Президента Российской Федерации НШ-6123.2014.4 “Исследование биогенных источников, резервуаров и стоков парниковых газов в условиях меняющейся окружающей среды”. Литература Квиткина А.К., Ларионова А.А., Быховец С.С. (2014) Влияние экзогенного и эндогенного азота на скорость минерализации растительных остатков кукурузы. Агрохимия. № 9. С. 52-61. Пестряков В.К., Ковш Н.В., Попов А.И., Чуков С.Н. (1990) Моделирование трансформации органических веществ в лабораторном эксперименте. Почвоведение. №3. С. 30-41. Hobbie S., Eddy W., Buyarski C., Adair C., Ogdahl M., Weisenhorn P.(2012) Response of decomposing litter and its microbial community to multiple forms of nitrogen enrichment. Ecological monographs. V. 82 (3). P. 389-405. Knorr M., Frey S.D., Curtis P.S. (2005) Nitrogen additions and litter decomposition: a meta-analysis. Ecology. V. 86. P. 3252-3257. 31 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЕ УГЛЕРОДА В ПОЧВАХ ПРИ МНОГОЛЕТНЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ В СЕВЕРНОМ КАЗАХСТАНЕ КУНАНБАЕВ К.К., ЖЛОБА Л.Д. ТОО «НПЦ зернового хозяйства им. А.И. Бараева», п. Научный, Республика Казахстан npcecolab@mail.ru Аннотация: Наименьшие содержание органического вещества было отмечено на варианте пшеница по пару и колебалось по годам исследования в пределах 2,47–2,71%. Качественный состав гумуса на этом варианте показал значительное сужение соотношения гуминовых и фульвокислот, а также их низкое содержание в почве. Содержание лабильного гумуса на всех вариантах было на одном уровне. Введение В современном земледелии не может быть более важной агрономической задачи, чем предотвращение дальнейших потерь гумуса. Поскольку органическое вещество аккумулирует большое количество углерода, элементов питания растений, способствует формированию водопрочной структуры и оптимальной прозрачности, препятствуют развитию эрозионных процессов, инактивируют токсичные вещества, выполняя биогеохимическую функцию в земной коре. Современное состояние пахотных угодий Северного Казахстана это результат использования земель с момента их освоения. Распашка и длительное сельскохозяйственное использование черноземов сопровождается заметным уменьшением содержания запасов гумуса. Уменьшение общего содержания гумуса сопровождается уменьшением содержания всех групп гумусовых веществ: гуминовые - и фульвокислоты (Сиухина, 2009). Анализ изменения относительного содержания отдельных групп гумусовых веществ позволяет выявить особенности процесса почвообразования и трансформации органического вещества почвы под воздействием сельскохозяйственных культур. Материалы и методы Исследования проводились на южных карбонатных черноземах тяжелого механического состава с высоким содержанием карбонатов – до 5%. Содержание валовых форм азота – 0,3%, фосфора – 0,1%. Реакция почвенной среды слабощелочная (рН 7–7,9). В поглощенном комплексе преобладает кальций (до 80%) и магний (11%). Почвенные образцы отбирали на стационарном полевом опыте лаборатории агрохимии ТОО «НПЦ ЗХ им. А.И. Бараева». Опыт проводился с аммофосом в дозе Р20, аммиачной селитрой в дозе N20, нитроаммофосом в дозе N20P20. Определение содержания органического вещества определялось по методу Тюрина в модификации ЦИНАО, определение лабильного гумуса ускоренным пирофосфатным методом по Кононовой – Бельчиковой. Результаты и обсуждение Проведенные нами исследования на варианте с бессменным посевом пшеницы с минеральными удобрениями и гербицидами в 2012 по 2014 годы показали, что содержание органического вещества изменялось от 2,61 до 3,26% (таблица 1). Одной из важных качественных характеристик гумуса является его групповой состав. Содержание гуминовых кислот в эти годы находилось в пределах 0,28 – 0,44%, фульвокислот 0,13–0,39%. В 2013 году мы наблюдаем снижение запасов органического вещества, в тоже время содержание лабильного гумуса в этом году было значительно больше, чем по другим годам исследования. 32 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. Таблица 1. Состав органического вещества в почве за 2012–2014 гг. на варианте с бессменными посевами пшеницы с минеральными удобрениями и гербицидами в слое 0-20 см, % Годы 2012 2013 2014 НСР05 Общий углерод 3,26 2,61 3,26 0,04 С лаб 0,59 0,66 0,56 0,04 СГК 0,32 0,28 0,44 0,03 СФК 0,27 0,39 0,13 0,03 СГК:СФК 1,19 0,72 3,38 Содержание гумуса на варианте пшеница по пару характеризовалось низкой обеспеченностью органическим веществом (таблица 2). Наиболее низкая концентрация лабильного гумуса нами отмечается в 2012 году , в последующие годы идет нарастание содержание лабильного гумуса. В 2012, 2014 гг. по соотношению гуминовых и фульвокислот преобладает гуматный тип почвы (Сгк/Сфк = 1,43., 1,74). В 2013 году отмечается фульватный тип почвы (Сгк/Сфк = 0,75). Таблица 2. Состав органического вещества в почве за 2012–2014 гг. на варианте пшеница по пару в слое 0-20 см,% Годы 2012 2013 2014 НСР05 Общий углерод 2,47 2,60 2,71 0,04 С лаб. 0,34 0,59 0,63 0,04 СГК. 0,20 0,24 0,40 0,03 СФК . 0,14 0,32 0,23 0,04 СГК:СФК 1,43 0,75 1,74 Монокультура и севооборот оказывают существенное влияние не только на общее содержание гумуса, но и на его качественный состав «таблица 3». На варианте пшеница по доннику содержание органического вещества не превышало 3,21%. Содержание лабильного гумуса варьировало по годам исследования с 0,54% в 2012 и 2014 гг. до 0,48% в 2013 году. Относительно низкая потеря гумуса на варианте пшеница по доннику обусловлена наличием большого количества растительных остатков в первые два года, на третий год исследования потери значительно возросли. Таблица 3. Состав органического вещества в почве за 2012–2014 гг. на варианте пшеница по доннику в слое 0–20 см,% Годы 2012 2013 2014 НСР05 Общий углерод 3,21 3,21 2,86 0,03 С лаб 0,54 0,48 0,54 0,03 СГК 0,39 0,27 0,37 0,03 СФК 0,15 0,22 0,18 - СГК:СФК 2,60 1,23 2,06 - Сравнительный анализ содержание гумуса по различным вариантам показал низкое содержание гумуса на варианте пшеница по пару. Это связано с усилением минерализации органических соединений, а также недостатком поступления растительных остатков в почву. Качественный состав гумуса на пару характеризовался низким содержанием гуминовых кислот и возрастанием фульвокислот, что отразилось на сужение его соотношения до 1,43. Внесение 33 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. минеральных удобрений способствует уменьшению потерь органического вещества почвы, а также его сохранению. Это мы видим при сравнении с паровым полем, поскольку применение минеральных удобрений способствует поддержанию запасов органического вещества в почве. На третий год исследования мы наблюдаем значительное количество гуминовых кислот, что связано с постоянным применением минеральных удобрений, в результате чего соотношения СГК:СФК было достаточно широкое и доходило до 3,38. Примерно этому же способствовал севооборот пшеница по доннику. Поскольку предшественник донник позволил оставить значительное количество растительных остатков в почве, в результате чего не происходило значительной минерализации органического вещества самого гумуса. Содержание лабильного гумуса, являющимся первым резервом для пополнения азота было примерно одинаковой по всем вариантам, тем не менее, мы наблюдаем разные источники его пополнения: минеральные удобрения, растительные остатки в виде донника и минерализация органического вещества. Совокупность полученных данных свидетельствует о том, что длительное парование приводит к снижению потенциального плодородия чернозема южного карбонатного, что отражается в утрате запасов гумуса. Данное явление необходимо учитывать при проведение агротехнических мероприятий с целью сохранения плодородия почв. Литература Сиухина М.С. (2009) Изменение свойств чернозема выщелоченного под влиянием длительного сельскохозяйственного использования. IV Сибирские агрохимические Прянишниковские чтения. Новосибирск. 200 с. 34 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ВЛИЯНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР И ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ НА ПОЧВЕННЫЕ ПОТОКИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В АГРОЭКОСИСТЕМАХ В УСЛОВИЯХ МОСКОВСКОГО РЕГИОНА МАЗИРОВ И.М., БОРОТОВ Б.Н., ГЛУШКОВ П.К., ЛАКЕЕВ П.С., ЩЕПЕЛЕВА А.С., ВАСЕНЁВ И.И. ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, Москва, Россия imazirov@gmail.com Аннотация: Глобальные изменения климата являются одной из наиболее актуальных проблем современности. В значительной мере эти изменения определяются возрастающими потоками парниковых газов, главным и наиболее распространённым из которых является углекислый газ. На данный момент мало изучено антропогенное влияние на почвенные потоки углекислого газа, хотя интенсификация земледелия увеличивает значимость изменения почвенных потоков. В настоящей работе изучена разница влияния культур и технологий обработки почвы на сезонную динамику почвенной эмиссии углекислого газа. Введение Дыхание почвы является одним из преобладающих наземных потоков СО2. Оно включает в себя два основных компонента потока: автотрофное дыхание корневых систем и корневых остатков организмов и гетеротрофное дыхание свободно живущих почвенных микроорганизмов (Stuart Chapin III F., Martin D. Robards, 2006). Компоненты дыхания почвы имеют огромную пространственную и временную изменчивость (Davidson, E. A., Savage K. E., Trumbore S. E., & Borken W., 2006). Существует много доказательств влияния абиотических (температура и влажность почвы) и биотических (тип растительности, продуктивность растительного и микробиологического сообщества) факторов на автотрофное и гетеротрофное дыхание на местном уровне (Nuria Gomez-Casanovas, Kristina Anderson-Teixeira, 2012). Меньше известно о антропогенном воздействии (землепользование, урбанизация, функциональное зонирование, загрязнение почвы и т.д.) на основе компонентов дыхания почвы на местном и региональном уровне. Цель настоящего исследования состоит в оценке эмиссии CО2 на полях озимой пшеницы и картофеля с различными вариантами обработки почв в типичной агроэкосистеме Московского региона с окультуренными дерново-подзолистыми почвами. Объект исследования Исследования проводились на полях Опыта Точного Земледелия полевой опытной станции РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, для которой характерны почвенные геоморфологические условия, типичные для ландшафтов центральной части Нечернозёмной зоны России. Участок располагается в Центре Точного Земледелия полевой опытной станции РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. Полевой стационарный опыт заложен на общей площади более 6 га (245 м ширина х 250 м длина =61250 м2 площадь). Почва – дерново-подзолистая с чёткой генетической дифференциацией морфологического профиля на элювиальную и иллювиальною часть. Мощность пахотного горизонта составляет 17-20 см. Почвообразующие породы представляют собой моренные красно-бурые суглинки, реже (на наиболее повышенных участках) – глиной (мощностью 5-6 м.). Подслаиваются они 35 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. песком. В нижней части суглинистой толщи встречаются валуны. Мореной суглинок является основной почвообразующей породой и имеет двучленное строение. Объектом нашего исследования являлось четыре опытных участка: озимая пшеница с нулевой и отвальной обработкой, картофель с минимальной и отвальной обработкой. На этих четырёх участках применяется традиционная технология возделывания. На каждом участке заложены основания для измерения почвенных газов в пятикратной повторности. Методы исследования В качестве метода исследования за потоками углекислого газа использовался метод экспозиционных камер с прямым анализом концентрации углекислого газа. На поверхность почвы не менее чем за 3 часа до начала измерения врезается основание, представляющее собой полый цилиндр диаметром 20 см и высотой 7 см, с плотно и герметично припаянным воротником для крепления камеры. Камера представляет собой цилиндр с герметичной несъёмной крышкой с одной стороны, и воротником для крепления к основанию с другой. На крышке встроен термометр, который показывает температуру внутри камеры, разъём для подключения питания вентилятора в камере и два фитинга, для подключения двух трубок, в которых циркулирует анализируемый газ. Внутри камеры встроена система трубок, которая позволяет очищать анализируемый газ от пыли, и вентилятор, способствующий перемешиванию фонового и эмитированного газа в объёме камеры. Измерение начинается после установки камеры на основание и фиксации их четырьмя зажимами. Трубки от камеры ведут к насосу, который прокачивает воздух в модуль Li-COR LI-820, где анализируется рост концентрации углекислого газа. Модуль подключен к ноутбуку, с которого можно напрямую следить за ходом измерения. Для измерения почвенной эмиссии углекислого газа достаточно от двух до пяти минут фиксации камеры на основании. За этот период времени на ноутбук записываются данные роста концентрации углекислого газа в камере. По скорости роста концентрации мы вычисляем скорость эмиссии углекислого газа. В этот момент записываются показания атмосферного давления, температура воздуха внутри камеры, температура атмосферного воздуха, температура почвы и влажность почвы. Достоинства метода Достоинством метода прямого измерения почвенного дыхания является объективность и комплексность (он позволяет учитывать как микробную, так и корневую составляющую). Эти методы идеально подходят для проведения режимных измерений на локальном уровне, например наблюдения сезонной или суточной динамики эмиссий СО2 (Курганова И.Н., Лопес де Говеню В.О., 2009), так как совершенно однозначно характеризуют почвенное дыхание в определенной точке в определенный момент времени. В то же время, результаты, полученные полевыми методами, так сильно зависят от внешних факторов (в первую очередь, температуры и влажности), что сопоставление данных полученных в разное время и для разных объектов, а также попытки интерполяции данных для оценки потоков в региональном масштабе могут приводить к очень большим погрешностям. По этой причине на всех анализируемых объектах проводились измерения в один день. Результаты исследования Апробационные исследования проводились в течение восьми месяцев, с января по август посредством прямого измерения потоков на приборе Li-COR LI-820. Полученные данные по эмиссии СО2 почвами исследуемых объектов выявили значительные сезонные изменения потоков СО2 из почв. В течение периода с 10.01.2015 г. по 21.08.2015 г. получены и 36 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. проанализированы данные с полей картофеля и озимой пшеницы на Опыте Точного Земледелия. Исследование показало, что эмиссия на поле озимой пшеницы с отвальной обработкой идёт интенсивнее на 27,9% по сравнению с полем картофеля с отвальной обработкой. Это нельзя сопоставить с раннее проведёнными исследованиями. Так, в 2012 году исследования показали преобладание эмиссии на поле озимой пшеницы с отвальной обработкой над полем картофеля с отвальной обработкой более чем на 60% (Мазиров И.М., 2012). В 2015 году разница между почвенной эмиссией углекислого газа между двумя культурами была в два раза меньше, чем в 2012. Если в 2012 году разница между культурами составляла 4,6 гCO2 -C м-2 день -1, то в 2015 составила 1,69 гCO2 -C м-2 день -1. Аналогичная картина наблюдается между полем озимой пшеницы с нулевой обработкой почвы и полем картофеля с минимальной обработкой, где разница между культурами составила 33%. Из этого следует, что разница в проективном покрытии, корневой биомассе являются не столь значимыми для почвенной эмиссии углекислого газа, как считалось ранее. 2015 год был не типичный. Так, среднесезонная влажность почвы на полях возделываемых культур составляла 19,7%, что на 4,2% выше, чем в 2012 году. В этом году сыграли немаловажную роль погодные условия. Практически весь сезон на поле картофеля не образовывалось сухой корки на поверхности почвы, что в 2012 году сдерживало эмиссию. Сравнивая полученные данные по полю озимой пшеницы отвальной и нулевой обработкой можно сказать, что эмиссия идёт интенсивнее на варианте с нулевой обработкой за период исследования в среднем на 8,17%. Это сопоставимо с полученными данными в 2012 году - 7% (Мазиров И.М., 2012). Однако, можно наблюдать резкий всплеск активности в середине мая на варианте поля озимой пшеницы с нулевой обработкой. Возможно, интенсивное повышение температуры и сохранение почвенной влаги дало такой результат. На полях картофеля эмиссия так же преобладает на варианте с минимальной обработкой. Разница составляет 4,5%. Данные 2012 года не могут достаточно объективно отражать картину происходящих процессов эмиссии из-за образования всё той же корки на поверхности почвы. Поэтому можно сказать, что обработка почвы напрямую влияет на процессы эмиссии, и её интенсивность больше на варианте с минимальной или нулевой обработкой. Это можно объяснить целостностью, ненарушенностью почвенной биоты на варианте с нулевой и минимальной обработкой. Ненарушенная биота способна перерабатывать больше почвенного углерода и эмитировать его в виде углекислого газа. Это сопоставимо с предыдущими исследованиями (Мазиров И.М., 2013). Также, интересно отметить период с 22 апреля по 12 мая. На варианте озимая пшеница с нулевой обработкой резко увеличилась почвенная эмиссия углекислого газа из-за значительного повышения температуры (с 5,4 до 16,9 С0) и одновременного снижения влажности (с 26,2 до 16,7%). Такая же картина наблюдается на варианте картофель с минимальной обработкой, однако увеличение было не столь сильным, по сравнению с полем озимой пшеницы с нулевой обработкой (с 2,9 до 5,4 гCO2 -C м-2 день -1 увеличился поток на поле картофеля с минимальной обработкой, с 7,9 до 17,0 гCO2 -C м-2 день -1 увеличился на поле озимой пшеницы с нулевой обработкой). На вариантах озимая пшеница с отвальной обработкой и картофель с отвальной обработкой почвенная эмиссия углекислого газа снизилась в среднем с 8 до 2 гCO2 -C м-2 день -1. Следовательно, почвенная биота, на вариантах озимая пшеница с нулевой обработкой и картофель с минимальной обработкой более 37 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. устойчива к иссушению и положительно реагирует на повышение температуры увеличением почвенной эмиссии углекислого газа. Интересно отметить факт повышения интенсивности эмиссии на поле картофеля после обработки десикантом реглон-супер (2 л га-1) 15 августа 2015 года. На отвальном варианте почвенная эмиссия возросла с 1,29 до 7,78 гCO2 -C м-2 день -1. Десикант стимулирует отток питательных веществ в корень растения, что вызывает более интенсивное их дыхание и выделение стимулирующих биоту веществ корнями. Скачок наиболее заметен на варианте с отвальной обработкой, ввиду более пористого сложения корнеобитаемого слоя (плотность составила 1,21 г см-3 на варианте с отвальной обработкой, 1,26 г см-3 на варианте с минимальной обработкой). Вариант с минимальной обработкой почвы также дал отклик на обработку, а именно замедлилось снижение интенсивности эмиссии. Заключение По результатам проведённых исследований, можно сказать, что в 2015 году культура, как определяющий фактор величины эмиссии углекислого газа себя проявила меньше, чем в 2012 году. Разница между культурами составила всего 27,9% (в 2012 году разница между теми же культурами составляла 60%). Влияние внешних метеорологических условий оказалось более действенным, чем разница в проективном покрытии, биомассе побегов, корневой биомассе. Однако, помимо метеорологических условий, заметную реакцию дала обработка поля картофеля десикантом, что дало обратный рост эмиссии в то время, как при понижении температуры и влажности должен был произойти обратный эффект. Подтвердились ожидания от влияния обработки почвы. Так, разница между почвенными потоками углекислого газа на разных вариантах обработки в пределах одной культуры составила от 4,5 до 8,2%. Эти данные сопоставимы с исследованием в 2012 году (оба варианта культуры показали разницу в среднем 7%). Гипотеза, выдвинутая в 2012 году, подтвердилась обработка почвы напрямую влияет на процессы эмиссии углекислого газа, и её интенсивность выше на варианте с минимальной или нулевой обработкой. Это можно объяснить ненарушенностью почвенной биоты. Ненарушенная биота способна перерабатывать больше почвенного углерода и эмитировать его в виде углекислого газа. Благодарность Проведенные исследования выполнялись в рамках грантов РФФИ № 14-05-31370 и 14-0431992. 38 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ВЕЙВЛЕТ-МУЛЬТИФРАКТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭМИССИИ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ МОИСЕЕВ К.Г. ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия kir_moiseev@mail.ru Аннотация: Фрактальная размерность широко применяется для прогноза эволюции сложных динамических систем в точках бифуркации. Используют фрактальную размерность для решения задач классификации и идентификации изображений, решение таких задач основано на утверждении, что даже визуально схожие топологические объекты имеют разную фрактальную размерность. В природе чистых, упорядоченных фракталов не существует, можно лишь говорить о квазифрактальных явлениях характеризующихся спектром фрактальных размерностей. Для определения спектра фрактальных размерностей мультифрактала с успехом используют многомасштабный метод вейвлет преобразования. Bведение В настоящее время в различных областях знаний все чаще возникают задачи, связанные с прогнозом наиболее вероятных состояний - аттракторов динамических систем. Отражением функционирования сложных динамических систем является периодическая информационная функция – сигнал, обладающая меняющимся со временем и/или в пространстве спектральным составом. Часто один сигнал включает другой, более мелкого масштаба. Так сезонные и ежедневные колебания температуры приземного слоя воздуха, включают (промодулированы) многолетними колебаниями температуры тропосферы. Все информационные процессы, представляющие интерес для изучения, являются по своей природе нестационарными, анализ их, как правило, заключается в исследовании изменения частотно-временных характеристик сигнала. По сути, в нестационарных и/или хаотических сигналах отражено всё многообразие окружающего нас мира. Естественное представление природных наблюдений сводится к временным рядам, анализ которых позволяет представить существование и эволюцию сложных систем (процессов). Динамическая система представляет собой частный случай системы, как совокупности адекватных параметров и их связей, прежде всего это феноменологическая модель процесса движения объекта или системы объектов. Динамическая система имеет точки бифуркации – когда направления дальнейшего развития системы равновероятны. Предсказать направление перехода динамической системы в точке бифуркации методами динамического моделирования затруднительно, если вообще возможно. Иное дело, когда предполагаем, что система является фракталом и исследуем её фрактальную размерность (Моисеев и др. 2014). Центральная идея анализа фрактальной размерности временной или пространственной последовательности значений объекта прогнозирования заключена в понимании, что чистых, упорядоченных фракталов в природе не существует, можно говорить лишь о фрактальных явлениях, описываемых мультифракталами. Мультифрактал – квазифрактальный объект с переменной фрактальной размерностью. Имеется несколько масштабных областей мультифрактала, когда говорят о семействе фрактальных размерностей характеризующих данный объект, временной ряд и/или спектральный сигнал. Существуют, таким образом, задачи выделения или локализации областей временного ряда или поверхности, с различной фрактальной размерностью. Один из подходов к решению таких 39 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. задач – использование базиса, каждая функция, которого характеризует как определенную временную частоту, так и место ее локализации во времени. Семейство анализаторов, названных вейвлетами (wavelet – всплеск, или «волночка»), широко применяется в задачах анализа временных сигналов, распознавания образов и синтеза изображений, шифровки и дешифровки информации и др. (Астафьева, 1996). Свойства и требования к вейвлетам, выбор анализирующего вейвлета, решение задачи дискретизации сигнала и выбора дискретизирующих параметров вейвлета – масштабов и сдвигов не будут здесь рассмотрены, так как широко представлены в специальной литературе или интернете, например электронный ресурс URL: https://youtu.be/56lr_2KqzsU. Объекты и методы Практическое применение вейвлет – мультифрактального анализа не сложно. Почти все вейвлеты не имеют аналитического представления в виде одной формулы и могут даваться итерационными выражениями. Алгоритм вейвлет - мультифрактального анализа на первом этапе представляет собой рекурсивное взятие полусумм (аппроксимация) и полуразностей (детализация) исходных значений сигнала, при этом образуется ниспадающее вейвлет – дерево повторяющихся операций фильтрации или декомпозиции исходной функции – сигнала при помощи выбранного вейвлета (базиса). Фильтрация сигнала состоит в чередовании операций аппроксимации и детализации при разных масштабах (рис. 1). Рис. 1. Алгоритм вайвлет анализа сигнала При этом за нулевой уровень декомпозиции (масштаб m=0) принимают сам сигнал, это уровень поиска мельчайших особенностей сигнала. Аппроксимированный сигнал на следующем шаге анализа снова подвергают декомпозиции. Так, шаг за шагом, происходит построение семейства функций каждая, из которых обладает фрактальной размерностью. Поэтому второй шаг вейвлет – мультифрактального анализа состоит в построении скейлинговой экспоненты (Моисеев и др., 2014) из графика экспоненты определяют индекс фрактальности Н (называемый также показателем Херста) как степень апроксиммирующей функции: y = ax - н при малых и положительных масштабах m (m®0); y = ln L(m ) ; x = ln m Спектральная фрактальная размерность всегда больше евклидовой размерности вмещающего объект пространства. Фрактальная размерность временного ряда вычисляется: D = 2 - H . Величина фрактальной размерности показывает, в каком состоянии устойчивости находится динамическая система. Иногда удобнее использовать непосредственно показатель Херста (Н) 40 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. табл. 1., как характеристику случайного процесса со степенным (медленным) затуханием 2H корреляционной функции (спираль Винера) для которой дисперсия DX t = t ; t ³ 0; 0 £ H £ 1 . Чем больше Н (во втором столбце таблицы) тем сильнее выражена тенденция – персистентность временного или пространственного ряда данных. Случай Н < 0,5 (в четвертом столбце таблицы) характеризуется антиперсистентностью — рост в прошлом означает уменьшение в будущем, чем меньше Н, тем выше эта вероятность затухания сигнала (Короленко, 2004). Таблица 1. Значения показателя Херста как индикатор устойчивости динамической системы. Состояние системы Персистентное Белый шум Антиперсистентное состояние (система состояние имеет и сохраняет (тенденции не тенденцию) сохраняются) Показатель Херста >0,5 0,5 <0,5 Фрактальная размерность 1,0-1,45 1,5 1,55-2,0 Результаты Определим мультифрактальную размерность сезонной динамики эмиссии закиси азота дерново-подзолистых почв разной степени окультуренности в посевах разных культур с внесением и без внесения азотных удобрений землепользования Меньково ФГБНУ АФИ по данным работы Балашова Е.В. и др. (2013), а также по неопубликованным данным Бучкиной Н.П.. Пример временных последовательностей, построенных по экспериментальным данным, показан на рис 2. Рис. 2. Экспериментальные данные по эмиссии закиси азота из дерново-подзолистых почв землепользования Меньково ФГБНУ АФИ Подвергнем зависимость выделения закиси азота из почв от времени вейвлет анализу при помощи известных или специализированных компьютерных программ Statistica вер. 6.0 и выше AutoCad или, например, использовали программу cwt1d. Результаты анализа представляют картину вейвлет коэффициентов (рис. 3), где цветом обозначен параметр амплитуды. Шаг масштаба m+2 от 1 до 100. 41 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. Картина вейвлет коэффициентов наглядно показывает иерархическую структуру флуктуаций временного ряда. Появление в распределении коэффициентов характерных «вилочек» (раздвоение локальных максимумов амплитуды) демонстрирует дробление масштаба. Такая особенность обусловлена тем, что исследуемый сигнал обладает свойствами самоподобия, то есть это – мультифрактал (Павлов, Анищенко, 2007) Рис. 3. Визуальное отображение вейвлет коэффициентов (анализ осуществлён при помощи программы cwt1d). Второй шаг нахождение группы значений фрактальных размерностей при разных масштабах аппроксимации временного ряда. Данная вычислительная процедура необходима для определения мультифрактальной размерности анализируемого временного ряда. Пример вычисления индекса фрактальности (показателя Херста) мультифрактала представлен на рис 4. 4,300 Lnf(A/S;m) = 4,0518Lnm -0,0837 R2 = 0,9924; H=0,084 L n f(A / S , m ) 4,200 4,100 4,000 3,900 3,800 3,700 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 Lnm Рис. 4. Аппроксимирующая функция к определению индекса фрактальности (посев ячменя 90кг/га N). 42 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. На рис. 4 – Lnm натуральный логарифм масштаба (m) аппроксимации сигнала; Lnf(A/S,m), натуральный логарифм f(A/S,m). Выражение f(A/S,m), – функция амплитуды нового, аппроксимированного сигнала (временного ряда) нормированная по стандартному отклонению от средних значений текущего временного ряда на масштабе m. Результаты вейвлет-мультифрактального анализа эмиссии закиси азота из дерновоподзолистых почв землепользования Меньково ФГБНУ АФИ представлены в таблице 2. Таблица 2. Результаты анализа мультифрактальной размерности временных рядов эмиссии закиси азота из дерново-подзолистых почв землепользования Меньково ФГБНУ АФИ. Объект Высоко окультуренная почва без удобрений (слой 10-30см) Высоко окультуренная почва с удобрением (слой 10-30см) Переувлажнённая дерновоподзолистая пахотная почва. Нормально увлажнённая дерновоподзолистая пахотная почва Посев ячменя 2004 (с внесением 45кг/га азота) Посев ячменя 2004 (с внесением 90кг/га азота) Показатель Херста Мультифрактальная размерность D 0,28 1,72 0,33 1,67 0,31 1,69 0,27 1,73 0,08 1,92 0,08 1,92 Показатель Харста менее 0,5, следовательно, состояние динамических систем характеризуется антиперсистентностью то есть трендов не прослеживается, никакие тенденции не сохраняются. Увеличения выбросов эмиссии закиси азота на почвах землепользования Меньково ФГБНУ АФИ, в будущем не предвидится, независимо от количества вносимых азотных удобрений. Литература Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения. УФН. – 1996. – Т.166, 11. С. 1145-1170. Балашов Е. В., Моисеев К. Г., Рижия Е. Я., Бойцова Л. В. , Гончаров В. Д., Зинчук Е. Г., Бучкина Н. П. (2013) Комплексная система мониторинга агрофизического состояния почв на основе результатов почвенного картирования и исследования эмиссии парниковых газов Агрофизика №4. С.1-12. Короленко П. В. (2004) Фрактальные и мультифрактальные методы, вейвлет-преобразования. М., 82с. Математика - быстрое преобразование Фурье и вейвлет преобразование. Часть 2., Электронный ресурс: https://youtu.be/56lr_2KqzsU. Моисеев К.Г., Бойцова Л.В., Гончаров В.Д. (2014) Анализ динамики гумусного состояния почв фрактальными методами Агрофизика. №1. С. 1-8. Павлов А.Н., Анищенко В.С. (2007) Мультифрактальный анализ сложных сигналов. УФН. – Т. 177, № 8. С. 859-872. 43 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ВЛИЯНИЕ ГИДРОУГЛЯ НА ЭМИССИИ ЗАКИСИ АЗОТА И УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В ЛАБОРАТОРНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ МУХИНА И.М.1, КЕРН Ю.2 1 ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия muhinairina1989@gmail.com 2 Институт сельскохозяйственной инженерии им. Лейбница, Потсдам, Германия jkern@atb-potsdam.de Аннотация: В лабораторном эксперименте проведена оценка влияния различных видов гидроугля, полученного из рисовой шелухи, на эмиссию закиси азота и углекислого газа. Результаты эксперимента показали, что обработка ацетоном и более высокая температура производства снижают содержание легко разлагаемых соединений углерода, а следовательно, и эмиссию углекислого газа из почв. Внесение гидроугля привело к снижению эмиссии закиси азота по сравнению с вариантом с необработанным сырьем. Введение Загрязнение атмосферы парниковыми газами, такими как углекислый газ (CO2), метан (CH4) и закись азота (N2O) – одна из главных антропогенных проблем современности. Также человечество столкнулось с задачей переработки и утилизации ежегодно растущего количества отходов. Одной из стратегий борьбы с этими двумя проблемами является обугливание неопасных отходов, таких как, например, растительные остатки, и внесение полученного угля в почвы (George и др., 2012). Исследования влияния обугленных материалов на свойства почвы много лет проводятся в районе бассейна реки Амазонки, где были найдены темные почвы Terra Preta, сформированные тысячи лет назад и характеризующиеся более высоким плодородием по сравнению с окружающими почвами (Lehmann и др., 2003). Эти почвы содержат большее количество органического вещества, костей и обугленных остатков, известных как черный уголь или биоуголь (Glaser и др., 2001). Биоуголь производится путем пиролиза биологического сырья (остатки растений, дерево и т.д.) при температурах 300–800°С при полном отсутствии кислорода (Baldock, Smernik, 2002; Yanai и др., 2007). Помимо пиролиза существует другой способ обугливания органического вещества – гидротермическое обугливание. Это процесс термохимического превращения в закрытой системе при повышенной температуре 180–250°С и условиях повышенной влажности и давления в течение 1–12 часов, иногда до 72 часов. (Busch и др., 2013; Funke и Ziegler, 2010; Rillig и др., 2010; Libra и др., 2011; George и др., 2012). В отличие от биоугля, при производстве гидроугля может использоваться влажное сырье, что позволяет сократить расходы на переработку. Гидроуголь характеризуется более высоким содержанием минералов, гигроскопичностью и содержанием углерода по сравнению с биоуглем. Свойства гидроугля и его элементный состав зависят от используемого сырья, температуры и длительности процесса гидротермического обугливания. Также в качестве дополнительной обработки для удаления токсичных веществ используется промывание полученного угля ацетоном. 44 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. В проводимом эксперименте использовался гидроуголь из рисовой шелухи. Шелуха составляет 20% зерна и является главным отходом при обработке риса. Использование шелухи для получения гидроугля может внести значительный вклад в утилизацию отходов при производстве риса и снизить выбросы парниковых газов в атмосферу. Влияние гидроугля из рисовой шелухи на эмиссию парниковых газов ранее не изучалось. Данное исследование было направлено на изучения воздействия обработанного и необработанного ацетоном гидроугля из рисовой шелухи на эмиссию парниковых газов. Объекты Для эксперимента использовалась супесчаная почва верхнего 0–20 см горизонта с содержанием песка 60.3%, ила – 33.9%, глины – 5.9%, отобранная в районе Оффенбах, Германия. Для инкубационного эксперимента использовались следующие мелиоранты: 1. Рисовая шелуха; 2. Гидроуголь, произведенный при 200оС, необработанный; 3. Гидроуголь, произведенный при 200оС, обработанный; 4. Гидроуголь, произведенный при 300оС, необработанный; 5. Гидроуголь, произведенный при 300 оС, обработанный. Гидроуголь был произведен в Технологическом образовательном институте Крита, Греция из рисовой (Oryza sativa L.) шелухи при температуре 200 и 300оС при обработке в течение 6 часов. Последующая обработка проводилась в институте сельскохозяйственной инжинерии им. Лейбница, Потсдам, Германия. Часть полученного гидроугля и рисовой шелухи промывалась ацетоном и водой для удаления растворимых веществ, которые могут быть токсичны. Методы Для проведения эксперимента навески почвы по 10 г смешали с различным количеством мелиорантов, с учетом увеличения содержания общего углерода до 2.5%. Почву увлажнили до 70% и в качестве дополнительного источника азота в половину образцов добавили нитрат аммония. Полученные образцы поместили в сосуды объемом 125 мл, плотно закупорив, и инкубировали в темноте при постоянной температуре 20°С. Еженедельно производились отборы проб почвенного воздуха и их последующая обработка на газовом хроматографе. Статистическая обработка производилась в программе R 3.1.2. Результаты Варианты с внесением рисовой шелухи или необработанного гидроугля по сравнению с контролем показали значительное превышение эмиссии CO2 (p < 0.05) в начале эксперимента и превышали контрольные показатели в 8-11 раз. В вариантах с добавлением обработанного гидроугля превышение составило 160-300% по сравнению с контролем. Кумулятивная эмиссия за 7 недель эксперимента в вариантах с необработанным гидроуглем и рисовой шелухой значительно превышала контрольный вариант (p < 0.05) и составляла 500–700% от него. Кумулятивная эмиссия в вариантах с обработанным гидроуглем составила от 120 до 300% от контроля. Внесение азотного удобрения незначительно увеличило эмиссию углекислого газа, превышение составило от 1 до 17%. Обработка гидроугля ацетоном и повышение температуры обработки сырья для производства угля способствовали снижению эмиссии углекислого газа. В начале проведения эксперимента наблюдался пик эмиссии закиси азота. Пики в вариантах с внесением рисовой шелухи и гидроугля были значительно выше (p < 0.05). Превышение составляло от 62 до 5014 раз по сравнению с контрольным вариантом. Наибольшие эмиссии 45 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. были в вариантах с рисовой шелухой и необработанным гидроуглем. Эмиссия закиси азота из вариантов с обработанным гидроуглем была значительно ниже, чем из вариантов с рисовой шелухой (p < 0.05). Внесение азотного удобрения снизило эмиссию N2O в вариантах с гидроуглем, полученным при температуре 200°С и составило примерно 4.5% от вариантов без дополнительного источника азота. Обработка гидроугля ацетоном снизила эмиссию N2O незначительно (p > 0.05), в 2-33 раза. Повышение температуры обработки гидроугля с 200°С до 300°С в вариантах с необработанным ацетоном гидроуглем привело к повышению эмиссии на 33-844%, и наоборот, в вариантах с обработанным ацетоном углем, наблюдались меньшие эмиссии (на 93% ниже). Обсуждение Результаты исследования показали повышение эмиссии CO2 в вариантах с добавлением рисовой шелухи и гидроугля, кроме варианта с обработанным ацетоном гидроуглем, полученным при температуре 300°С. Потери С в виде СО2 из почв возросли от 300% (в вариантах с обработанным ацетоном гидроуглем) до 600% (в вариантах с необработанным ацетоном гидроуглем). Необработанный гидроуголь выделял практически то же количество CO2, что и сырье (p ~ 1). Поэтому можно сделать вывод, что гидроуголь содержит большое количество легко распадающегося углерода. Обработка гидроугля ацетоном понизила содержание подвижного углерода и тем самым способствовала снижению эмиссии углекислого газа. Повышение температуры обработки сырья при производстве гидроугля так же привело к снижению эмиссии СО2. Внесение гидроугля в почву вызвало увеличение эмиссии закиси азота. В течение инкубационного периода почвы с обработанным ацетоном гидроуглем показали значительно меньшие эмиссии по сравнению с вариантами с рисовой шелухой. Это может быть вызвано снижением содержания подвижных соединений углерода в гидроугле после промывки ацетоном. Внесение дополнительного источника азота в образцы с гидроуглем, полученным при температуре 200 °С вызвало снижение кумулятивного стока N2O примерно в 22 раза в вариантах и с обработанным и с необработанным гидроуглем. Благодарность Работа выполнена при финансовой поддержке акции COST TD1107. Литература Baldock, J. A., Smernik, R. J. (2002) Chemical composition and bioavailability of thermally altered Pinus resinosa (Red pine) wood. Organic Geochemistry 33, 1093–1109. Funke, A., and Ziegler, F. (2010) Hydrothermal carbonization of biomass: A summary and discussion of chemical mechanisms for process engineering. Biofuels, Bioprod. Biorefin. 4, 160–177. Glaser, B., Haumaier, L., Guggenberger, G., Zech, W., 2001.The ‘Terra preta’ phenomenon: a model for sustainable agriculture in the humid tropics. Naturwissenschaften 88, 37-41. Lehmann, J., da Silva, J.P., Steiner, C., Nehls, T., Zech, W., Glaser, B. (2003) Nutrient availability and leaching in an archaeological Anthrosol and a Ferralsol of the Central Amazon basin: fertilizer, manure and charcoal amendments. Plant Soil 249, 343–357. Libra, J.A., Ro, K.S., Kammann, C., Funke, A., Berge, N.D., Neubauer, Y., Titirici, M., Fühner, C., Bens, O., Kern, J., Emmerich, K.H. (2011) Hydrothermal carbonization of biomass residuals: a comparative review of the chemistry, processes and applications of wet and dry pyrolysis. Adv. Biofuels 2, 89-24. Yanai, Y., K. Toyota, and M. Okazaki (2007) Effects of charcoal addition on N2O emissions from soil resulting from rewetting air-dried soil in short-term laboratory experiments. Soil Science Plant Nutrition 53:181– 188. 46 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОБОГАЩЕННОГО АЗОТОМ И КОМПОСТОМ БИОУГЛЯ В ЗЕМЛЕДЕЛИИ РИЖИЯ Е.Я. 1, ХОРАК Я.2 1 ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия alenarizh@yahoo.com 2 Словацкий сельскохозяйственный университет, Нитра, Словакия jan.horak@uniag.sk Аннотация: В 60-дневном лабораторном эксперименте исследовано влияние обогащенного биоугля и составляющих его компонентов по отдельности (биоуголь, компост, сульфат аммония) на содержание минерального азота в псевдоподзолистой среднесуглинистой почве и эмиссию CO2 и N2O из почвы. Показано, что внесение обогащенного азотом и компостом биоугля способствует накоплению минерального азота в почве и снижению эмиссии парниковых газов. Во всем мире одним из основных условий ведения современного земледелия является его ресурсосбережение, в основу которого заложены принципы сохранения и защиты окружающей среды, повышения секвестрации углерода (C) в почве и уменьшения объема выбросов парниковых газов в атмосферу. Увеличение секвестрации C в почве связывают либо с изменениями характера землепользования, приводящего к секвестрации большего количества C в биомассе и почве, либо с изменением агротехнических приемов, направленных на увеличение поступления в почву растительных остатков, навоза, другой биомассы и на снижение эрозионных потерь путем выращивания покровных культур (Семенов и др., 2009). В последнее десятилетие мировое научное сообщество для сохранения и секвестрации C в почвах предлагает переводить возобновляемую биомассу, которая по различным причинам не может быть напрямую использована в народном хозяйстве, в биоуголь. Основной современный способ получения биоугля – пиролиз биомассы (термическая обработка при высоких температурах без доступа кислорода). Состав исходной биомассы, температура и скорость пиролиза являются определяющими факторами, влияющими на свойства получаемого продукта, а именно физико-механический и элементный составы, зольность, ароматичность, рН (Юдкевич и др., 2002). Так как в результате пиролиза происходит переход углеродных пулов биомассы в недоступную для микроорганизмов и растений ароматическую форму, то снижается скорость, с которой поглощённый растениями в ходе фотосинтеза углерод возвращается в атмосферу. Кроме того, внесение биоугля является средством изменения физических и химических условий в почве, влияющих на деятельность микроорганизмов, контролирующих потоки C и азота (N) в биосфере. Накопленные научные сведения свидетельствуют, что биоугль в почве способствует улучшению плодородия, улучшению воднофизических свойств, охране окружающей среды вследствие уменьшения потоков в атмосферу парниковых газов (Buchkina et al., 2013; Рижия и др., 2014; Рижия и др., 2015). В виду того, что биоуголь характеризуется высокой устойчивостью к минерализации и высокой адсорбционной способностью, а основная масса химических элементов, входящих в его состав, недоступна микроорганизмам и растениям, возникает необходимость восполнения питательных веществ в почве для увеличения урожайности выращиваемых культур. Многие ученые отметили положительное влияние обогащенного минеральными удобрениями биоугля 47 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. на урожай, но противоречивые данные по влиянию данного продукта на эмиссию парниковых газов (De Luca et. al., 2006; Novak et al., 2009). Поэтому перспективы широкого применения обогащенного питательными элементами биоугля остаются открытыми и требуют дальнейших междисциплинарных исследований. Для оценки эффективности внесения обогащенного азотом и компостом биоугля в псевдоподзолистую почву (Orthic Luvisol, FAO, 1998) и его влияния на свойства почвы, а также эмиссию диоксида углерода (CO2) и закиси азота (N2O) был заложен 60-дневный лабораторный эксперимент. Цель исследования заключалась в сравнительной оценке влияния обогащенного биоугля и отдельных его составляющих компонентов (минерального удобрения, биоугля и компоста) на эмиссию CO2 и N2O. Исследования проводились в 2014 году, в Словацком сельскохозяйственном университете (г. Нитра, Словакия). Объектом служила среднесуглинистая Orthic Luvisol, которую отобрали из верхнего пахотного горизонта с полигона Маланта (48°19´00´´ с.ш.; 18°09´00´´в.д.). Почва была высушена, просеяна через сито диаметром ячейки 8 мм, помещена в вегетационные сосуды объемом 1 литр с герметично закрывающимися крышками, увлажнена до влажности равной НВ (18%). Перед добавлением мелиорантов и удобрения почва была пре-инкубирована в течение недели с целью достижения в ней равновесного состояния влаги и микробного сообщества, а затем добавлены исследуемые варианты мелиорантов из расчета 10 т/га: сульфат аммония, компост, биоуголь, компост+сульфат аммония, биоуголь+сульфат аммония и биоуголь+сульфат аммония+компост. В качестве контроля служила почва без добавления минеральных удобрений и мелиорантов. Повторность опыта – 6-ти кратная. Отбор воздуха проводился из закрытых сосудов при помощи 60-мл шприца в стеклянные сосуды объемом 10 мл. Анализ концентрации CO2 и N2O проводился на газовом хроматографе Shimadzu – 2010 PLUS. Результаты эксперимента показали, что внесение сульфата аммония и компоста привело к существенному (p<0.001) увеличению содержания минерального азота (Nмин) в исследуемой почве, в то время как внесение биоугля не повлияло на изменение содержания данного показателя по сравнению с контролем. Обогащённый азотом и компостом биоуголь также достоверно (p<0.05) увеличивал содержание Nмин в почве. При этом в течение инкубирования в выше упомянутом варианте нитратная форма преобладала над аммонийной, кислотность почвы уменьшалась, а в варианте с азотном удобрением аммонийная форма азота преобладала над нитратной, а кислотность почвы с течением инкубирования увеличивалась. Статистический анализ данных показал, что от содержания Nмин в почве достоверно зависели кумулятивные потоки CO2 и N2O из почвы (r = 0,98 и 0,96 при р < 0,001, соответственно). На рис. 1 представлены кумулятивные эмиссии CO2 и N2O за 60 дней из почвы. Как видно из рисунка, внесение сульфата аммония достоверно (р < 0,001) увеличило кумулятивный поток как CO2, так и N2O. В то же время внесение биоугля, компоста и обогащенного биоугля не привело к существенному росту кумулятивной эмиссии CO2 по сравнению с контролем. Однако по отношению к N2O компост оказал существенное (p<0.05) влияние на увеличение кумулятивной эмиссии данного парникового газ, в то время как биоуголь и обогащенный биоуголь не имели достоверных различий с контролем. Таким образом, обогащенный азотом и компостом биоуголь способствовал накоплению питательных элементов в почве, необходимых для роста и развития выращиваемых культур и не увеличивал эмиссию парниковых газов из почв. Внесение только компоста обогащало почву питательными элементами, но и увеличивало эмиссию парниковых газов из почв. Внесение не 48 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. обогащенного биоугля не влияло на эмиссию парниковых газов, но и не способствовало накоплению питательных элементов в почве. Внесение сульфата аммония достоверно увеличивало содержание доступной растениям и микроорганизмам формы азота, но и также достоверно увеличивало эмиссию парниковых газов из почв. 1400 CO2 * - CO 2 ; ** - N 2 O 1200 N2O 1000 800 600 400 200 0 контроль с у льф а т аммония биоу голь компос т обога щ . биоу голь в а риа нт Рис. 1. Кумулятивная эмиссия диоксида углерода (CO2) и закиси азота (N2O) из псевдоподзолистой среднесуглинистой почвы за 60 дней; * – кг CO2-C га-1; ** – г N2O-N га-1. Данная информация будет полезной при выборе технологий обработки почв, комплекса удобрений и севооборотов, ведущих к снижению вклада сельского хозяйства в бюджет парниковых газов без снижения урожаев сельскохозяйственной продукции. Благодарность Работа выполнена при финансовой поддержке фонда SAIA. Литература Семёнов В.М., Иванникова Л.А., Тулина А.С. (2009) Стабилизация органического вещества в почве. Агрохимия. № 10. С. 77-96. Рижия Е.Я., Бучкина Н.П., Мухина И.М., Павлик С.В., Балашов Е.В. (2014). Применение биоугля в сельском хозяйстве Российской Федерации. Методические рекомендации. СПб.: АФИ. 28 с. Рижия Е. Я., Бучкина Н. П., Мухина И. М., Белинец А. С., Балашов Е. В. (2015). Влияние биоугля на свойства образцов дерново-подзолистой супесчаной почвы с разной степенью окультуренности (лабораторный эксперимент). Почвоведение. №2. С. 211-220. Юдкевич Ю.Д., Васильев С.Н., Ягодин В.И. (2002) Получение химических продуктов из древесных отходов. ЛТА, С.-Пб. 84 с. Buchkina N., Rizhiya E., Pavlik S., Igaz D., Horak J., Balashov E. (2013) Biochar properties related to a possibility of its agricultural use. Proc of 18th International Scientific conference ENVIRO NITRA. P. 16–20. DeLuca T.H., MacKenzie M.D., Gundale M.J. (2009) Biochar effects on soil nutrient transformations. In: Lehmann J., Joseph S. (Eds). Biochar for Environmental Management: Science and Technology. Earthscan, London. p. 251-270. Novak, J.M., Busscher, W.J., Laird, D.L., Ahmedna, M., Watts, D.W., Niandou, M.A.S. (2009) Impact of Biochar Amendment on Fertility of a Southeastern Coastal Plain Soil. Soil Science 174 p. 105-112. 49 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. МИКРОБНОЕ ДЫХАНИЕ ПОЧВЫ В ПОЛЕВЫХ И ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ РОГОВАЯ С.В.1, АНАНЬЕВА Н.Д.1, ИВАЩЕНКО К.В.1, ВАСЕНЕВ В.И.2, РЫЖКОВ О.В.3 1 Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, г. Пущино, Россия rogovaja7@mail.ru 2 Российский университет дружбы народов, г. Москва, Россия vasenyov@mail.ru 3 Центрально-Черноземный государственный природный биосферный заповедник имени профессора В.В. Алехина, п/о Заповедное, Курская обл., Россия ryzhkov_oleg@mail.ru Аннотация: На черноземе типичном (Курская обл.) разных экосистем (степь, лес, город) измерена эмиссия СО2 (май и июнь 2015 г.) и апробирована методика определения вклада в нее микробного дыхания в полевых условиях. Вклад дыхания микроорганизмов в общую эмиссию СО2 составил 48–84%. В лабораторных условиях определены и микробиологические параметры почвы, в том числе и базальное (микробное) дыхание. Выявлена взаимосвязь между микробным дыханием, измеряемым в полевых и лабораторных условиях. Введение Эмиссия СО2 из почвы в атмосферу Земли составляет около 30% всех ее источников (Заварзин, Кудеяров, 2006). Основными агентами почвенной эмиссия СО2 являются микроорганизмы и корни растений. Вклад этих составляющих важен для оценки баланса углерода в наземных экосистемах. Микробное дыхание (МД) почвы в полевых условиях определяют разными методами, среди которых субстрат-индуцированное дыхание, основанного на обогащении почвы in situ легкодоступным субстратом (глюкозой) и последующим измерением эмиссии СО2. Глюкоза в почве индицирует (≤ 6 ч после обогащения) дополнительное образование СО2 за счет ее окисления и соокисления почвенными микроорганизмами. Корни растений в обогащенной глюкозой почве (за указанное время) не образуют избыток этого газа по сравнению с нативной. Наша работа была нацелена на: 1) измерение общей эмиссии СО2 почвой разных экосистем in situ и определение в ней доли МД, 2) оценку базального (микробного) дыхания (БД) почвы в контролируемых (лабораторных) условиях, 3) выявление взаимосвязи между МД и БД чернозема разных экосистем. Объекты и методы Исследовали чернозем типичный (Курская обл., Россия: 51o33¢50²-51o39¢40² с.ш. / 36o04¢58²36o07¢41² в.д.) разных экосистем: степь некосимая, лес (дубрава) и город (промышленная зона), возраст которых составляет 70-80 лет. В каждой экосистеме выбирали по пять пространственноудаленных точек, в которых измеряли эмиссию СО2 (май и июнь 2015 г.) с поверхности почвы (LI-820, надземную растительность срезали). Дополнительно в двух точках каждой экосистемы в почву врезали четыре «воротника-основания» (глубина 7.5 см), два из них содержали ненарушенную (микроорганизмы и корни), два других - нарушенную просеиванием (ячейка 3 мм, микроорганизмы) почву. В эти «воротники-основания» вносили (с поверхности) воду и раствор глюкозы. Объем жидкости составлял 0.6, 0.9 и 1.0 л для леса, степи и города соответственно, концентрация глюкозы – 5 мг г-1 почвы, время ожидания после внесения глюкозы и воды – 4 ч (установлено в предварительных экспериментах). С поверхности «воротников-оснований» измеряли эмиссию СО2. Разница между эмиссией СО2 ненарушенной 50 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. почвы с глюкозой и таковой с водой, деленная на коэффициент ее нарушения, позволяет рассчитать вклад МД. В точках измерения общей эмиссии СО2 отбирали почвенные образцы (верхний 10 см слой) для измерения скорости базального (микробного) дыхания (БД) в лабораторных условиях. Почвенные образцы просеивали (ячейка 2 мм) и помещали на предынкубацию (масса ≤100 г, воздухообмен, 22°С, 55% полной влагоемкости, 7 сут.). Навеску почвы (1 г, три повторности) помещали в стеклянный флакон (15 мл), добавляли воду (0.1 мл г-1 почвы), герметично закрывали и инкубировали (22°С, 24 ч). Затем пробу газовой фазы флакона отбирали шприцем и вводили в газовый хроматограф (Кристаллюкс-4000М) для определения концентрации СО2. Скорость БД выражали в мкг СО2-С г-1 почвы ч-1 и г СО2 м-2 сут-1. В почвенных образцах определяли содержание органического углерода, углерода микробной биомассы методом субстрат-индуцированного дыхания (Anderson, Domsch, 1978) и значение рН. Результаты и обсуждения Содержание Сорг в степи и лесу было почти в 2 раза больше, чем в городе, а значение рН – меньше почти на единицу (таблица 1). Содержание Смик степи и леса превышало таковое города в 3-6 раза. Величина Смик степи и леса весной (май) была на 34 и 13% больше соответственно, чем летом (июнь), а в почве города - в 1.5 раза меньше. Наибольшая скорость БД отмечена также в естественных экосистемах, а в антропогенно-преобразованной - в 2-3 раза меньше. Значение qCO2 почвы города было, напротив, больше, чем степи и леса. Таблица 1. Содержание органического углерода (Сорг), значение рН, микробиологические параметры (n = 5): углерод микробной биомассы (Смик), скорость базального дыхания (БД), удельное дыхание микробной биомассы (qCO2, мкг C-СО2 мг-1 Смик ч-1) чернозема типичного разных экосистем (май / июнь 2015, Курская обл.) Экосистема Cорг, % рНвод Смик, мкг С г-1 БД, мкг C-СО2 г-1 ч-1 qCO2= БД / Смик Степь Лес Город 5.76 6.16 7.40 1.01 / 1.23 0.92 / 0.69 0.48 / 0.55 4.88 4.76 2.33 1710 / 1132 1580 / 1369 284 / 439 0.60 / 1.07 0.62 / 0.52 1.72 / 1.28 Высокая эмиссия СО2 отмечена в степи, низкая - в лесу и городе, причем для этих двух экосистем она была примерно одинаковой (таблица 2). Эмиссия СО2 чернозема в мае была выше, чем в июне (степь и лес – на 17%, город - 43%). Установлено, что микробное дыхание чернозема степи in situ на 16-31% больше, чем таковое леса и города. Однако вклад МД в общую эмиссию СО2 был наибольшим для леса и города (53-84%). Была установлена положительная корреляция между величинами МД, общей эмиссией СО2 и Смик и БД, однако между микробным дыханием и температурой (влажностью) почвы корреляция была незначимой (таблица 3). Между величинами МД и БД выявлена регрессионная взаимосвязь с высоким коэффициентом детерминации (рисунок). Полученная зависимость позволит в дальнейшем прогнозировать трудоемкое определение МД (полевые условия) разных экосистем на основе менее время- и трудозатратного измерения базального дыхания в лабораторных условиях. Апробирована методика определения микробного дыхания чернозема разных экосистем в полевых условиях весной и летом. Большая эмиссия СО2 чернозема отмечена в степи, меньшая – в лесу и городе, причем эмиссионная активность города не «уступала» таковой леса. Доля 51 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. микробного дыхания в общей эмиссии СО2 была большей в лесу и городе, меньшей – в степи. Между микробным дыханием, измеряемым в полевых и лабораторных условиях, выявлена тесная взаимосвязь, которая может быть использована для ее прогнозной оценки в почвах разных экосистем. Таблица 2. Эмиссия СО2 (ЭМ, г СО2 м-2 сут-1), температура (Т) и влажность (ВЛ) почвы, микробное (МД) и базальное (БД: I - мкг СО2-С г-1 ч-1, II - г СО2 м-2 сут-1) дыхание чернозема типичного разных экосистем (май / июнь 2015 г.) Экосистема T,°С ВЛ б, % ЭМ МД БД -2 -1 г СО2 м сут % от ЭМ I II Степь 11/16 28/14 23.74/19.61 11.03/9.61 48/49 1.04/1.50 7.30/10.59 Лес 10/18 35/21 11.06/9.17 9.32/6.57 84/75 0.93/0.70 6.18/4.67 Город 13/22 38/12 15.41/8.73 7.57/6.72 53/77 0.40/0.35 3.58/3.12 Таблица 3. Коэффициент корреляции (Спирмен) между эмиссией СО2 (ЭМ), микробным дыханием (МД, г СО2 м-2 сут-1) и температурой (Т) и влажностью (ВЛ) почвы, углеродом микробной биомассы (Смик), базальным дыханием (БД: I - мкг СО2-С г-1 ч-1, II - г СО2 м-2 сут-1 ), микробным метаболическим коэффициентом (qCO2) (n = 10, значимые значения выделены жирным курсивом, p ≤0.05) Показатель T ВЛ ЭМ Смик БД (I) БД (II) qCO2 ЭМ -0.37 0.24 1.00 0.54 0.39 0.47 -0.09 МД -0.61 0.51 0.64 0.79 0.64 0.68 -0.47 МД, г СО2 м -2 сут -1 12 8 МД = 1,36 log (БД - 2.6) + 7.66, R2=0.73, n = 10 (p <0.05) 4 2 4 6 8 -2 БД, г СО2 м сут 10 -1 Рис. 1. Взаимосвязь между микробным (МД) и базальным (БД) дыханием чернозема типичного разных экосистем (май и июнь, 2015). Благодарность Работа выполнена при частичной поддержке грантов РФФИ № 15-04-00915, НШ-6123.2014.4 и Правительства РФ № 11.G34.31.0079 Литература Заварзин Г.А., Кудеяров В.Н. (2006) Почва как главный источник углекислоты и резервуар органического углерода на территории России. Вестник РАН. Т. 76. №1. С. 14-29. Anderson J.P.E., Domsch K.H. (1978) A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils. Soil Biol Biochem. V. 10. P. 215-221. 52 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ЦЕЛЛЮЛОЗОЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЮЖНЫХ ЧЕРНОЗЕМОВ СЕВЕРНОГО КАЗАХСТАНА РУКАВИЦИНА И.В., САЛАЧЕНОК Е.П., АХМЕТОВА Г.К. ТОО «НПЦ зернового хозяйства им. А.И. Бараева», п. Научный, Казахстан irukavitsina@mail.ru Аннотация: В статье рассмотрены вопросы влияния различных обработок почвы в плодосменном севообороте на целлюлазную активность чернозема южного карбонатного. Выявлены различия в интенсивности распада целлюлозы по слоям почвенного горизонта в зависимости от года исследований и применяемой обработки почвы. Введение Функционирование почвенной экосистемы в значительной степени обусловлено деятельностью микроорганизмов, которые составляют около 85% всей биомассы почвенных организмов и привносят около 90% всего потока СО2 суши (Lynch J.,Wiseman A., 1998). Такие особенности микроорганизмов, а также их чувствительность к любым нарушениям (природным, антропогенным) в почве позволяют использовать почвенно-микробиологические характеристики для оценки экологического состояния почв и ландшафтов. Система микробиологических критериев наиболее объективно характеризует экологическое состояние как природных, так и деградированных почв (Маринеску, 2008). Более всего антропогенному воздействию подвержены почвенные агроценозы. В настоящее время в почвах наблюдается усиление деградационных процессов, что приводит к ухудшению их экологического состояния. В связи с этим все большую актуальность приобретают биологические методы исследования агроценозов (Брескина и др., 2008.). В частности аппликационный метод позволяет определять биологическую активность почвы в зависимости от применения минеральных и органических удобрений, способов обработки почвы, севооборотов и других факторов. В почву с растительными остатками поступает значительное количество целлюлозы, разложение которой осуществляют главным образом целлюлозолитические микроорганизмы. Интенсивность разложения целлюлозы наиболее точно отражает комплекс условий, влияющих на плодородие почвы (Мишустин, 1984). Приемы механической обработки, приводят к изменению водно-воздушного режима почвы, ее биологической активности, а пространственное расположение пожнивно-корневых остатков оказывает существенное влияние на доступность элементов питания растений. В связи с вышеотмеченным, актуальным вопросом остается исследование целлюлозолитической активности при возделывании гороха в зависимости от применения различных способов обработки почвы. Объекты и методы Исследования проводились в 2012-2014 гг. в полевом стационарном опыте лаборатории точного земледелия «Научно-производственного центра зернового хозяйства им. А.И. Бараева». Объекты исследований – чернозем южный карбонатный, различные способы обработки почвы. Почва опытного участка – чернозем южный карбонатный: мощность пахотного слоя 25-30 см, содержание гумуса от 3 до 4%, содержание подвижных форм фосфора 15-30 мг кг-1, обменного калия от 500 до 600 мг кг-1, рН от 7 до 8. 53 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. Изучение целлюлозолитической активности почвы проводили в плодосменном севообороте в посевах гороха, возделываемого после пшеницы в зависимости от обработки почвы: глубокое рыхление орудием ПГ-3-5 на глубину 25-27 см; мелкая плоскорезная обработка КПШ-9 на глубину 12-14 см с осени; щелевание при помощи орудия ЩН-4,5 на глубину 25-27 см с осени и вариант без обработки почвы (No-Till) - оставление стерни с осени, без обработок, весной опрыскивание гербицидами сплошного действия. Целлюлозолитическую активность определяли аппликационным методом, который учитывает клетчаткоразрушающие свойства почвы — ее целлюлазную активность. В почву на глубину 0-30 см закапывали хлопчатобумажные полотна в трехкратной повторности. Экспозиция составляла 3 месяца. После этого полотна извлекали из почвы, очищали от земли, просушивали и взвешивали. Об интенсивности целлюлозоразлагающей активности почвы судили по разности весов контрольного неэкспонированного в почве хлопчатобумажного полотна и извлеченной из почвы разложившейся ткани, активность выражали в процентах (Казеев, Колесников, Вальков, 2003.) Результаты и обсуждение Быстрота распада целлюлозы (хлопчатобумажного полотна) в почве зависит от благоприятного сочетания температуры и влажности, количества растительных остатков и распределения их по слоям почвы, содержания подвижных форм азота и фосфора (Карамшук, 1989). Проведенные исследования показали, что процесс распада целлюлозы (хлопчатобумажного полотна) в посевах гороха в зависимости от способа обработки почвы и года исследований протекал неодинаково. Наиболее активно разложение целлюлозы в слое 0-30 см отмечалось в 2012 и 2013 гг. при обработке почвы щелевателем и составляло 45,4 и 44,4% соответственно, в 2014 году распад клетчатки составлял 40,4% на варианте без обработки почвы (No-Till) (таблица 1). Интенсивность распада хлопчатобумажного полотна изменялась в зависимости от погодных условий года, способа обработки почвы, слоя почвенного профиля. Так, в посевах гороха без обработки почвы более активно в слое 20-30 см распад целлюлозы наблюдался в 2012 и 2014 годах и составлял 30 и 44% соответственно. При глубоком рыхлении почвы в 2012 и 2014 годах в слое 10-20 см отмечалась высокая интенсивность распада клетчатки и составляла 34,8 и 33,9% соответственно. При мелкой плоскорезной обработке почвы в слое 10-20 см в 2012 и 2013 годах распад клетчатки составлял 34,5 и 36,1% соответственно, что выше, чем по остальным почвенным горизонтам. В 2014 году более активно разложение клетчатки протекало в слое 0-10 см - 20,3%. Значительные колебания распада целлюлозы по профилю почвенного горизонта можно объяснить наличием почвенной влаги и аэрации при соответствующей обработке. Распад клетчатки в слое 10-20 см при обработке почвы щелевателем в 2012 году составлял почти 55%. В последующие годы исследований целлюлазная активность почвы интенсивно протекала в более глубоких горизонтах (20-30) см. Способы обработки почвы оказали влияние и на численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов. Численный состав целлюлолитиков варьировал в зависимости от обработки и слоя почвенного горизонта. В среднем за три года исследований численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов на варианте без обработки почвы (No-Till) составляла 73,5 тыс. КОЕ г-1 почвы, при глубоком рыхлении почвы 68,5 тыс.КОЕ г-1, при мелкой плоскорезной обработке 75,8 тыс. КОЕ г-1 почвы, при щелевании 83 тыс. КОЕ г-1 почвы. 54 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. Таблица 1. Интенсивность разложения целлюлозы (%) в посевах гороха в зависимости от обработки почвы Варианты Без обработки почвы (No-Till) Глубокая плоскорезная обработка (ПГ-3-5, 25-27 см) Мелкая плоскорезная обработка (КПШ-9, 10-12 см) Щелевание (ЩР-4,5, 25-27 см) Слои почвы, см 0-10 10-20 20-30 0-30 0-10 10-20 20-30 0-30 0-10 10-20 20-30 0-30 0-10 10-20 20-30 0-30 НСР Распад хлопчатобумажного полотна (%) за 3 месяца экспозиции в почве 2012 г. 2013 г. 2014 г. среднее за 3 года 20,4 44,6 36,9 34,0 22,7 44,2 40,2 35,7 30,0 35,2 44,0 36,4 24,4 41,3 40,4 35,4 29,8 32,2 23,9 28,6 34,8 29,3 33,9 32,7 33,8 44,5 32,6 37,0 32,8 35,3 30,1 32,7 26,3 31,7 20,3 26,1 34,5 36,1 16,7 29,1 26,8 26,8 18,8 24,1 29,2 31,5 18,6 26,4 29,7 49,2 36,0 38,3 54,9 31,0 34,4 40,1 51,7 52,9 36,4 47,0 45,4 44,4 35,6 41,8 11,45 0,0 14,81 Выводы Резюмируя вышеизложенное, следует заключить, что изучаемые способы обработки почвы оказывали неодинаковое воздействие на целлюлозолитическую активность. Более активный распад клетчатки протекал в слое 0-30 см при обработке щелевателем и составлял 41,8%. При нулевой обработке почвы это показатель достигал 35,4%. Менее интенсивно разложение клетчатки протекало при мелкой плоскорезной обработке -26,4%. В 2012 и 2014 годах отмечена тенденция усиления целлюлазной активности с глубиной. При глубокой плоскорезной обработке от 29,8 до 33,8% и от 23,9 до 32,6% соответственно, без обработки почвы от 20,4 до 30% в 2012 году и от 36,9 до 44% в 2014 году. Литература Брескина Г.М., Чуян Н.А., Еремина Р.Ф. Изменение целлюлозолитической активности почвы под влиянием агрогенных факторов // Интенсификация, ресурсосбережение и охрана почв в адаптивноландшафтных системах земледелия. Сб. докладов Международ. науч.-практич. конф., ГНУ ВНИИЗиЗПЭ РАСХН. 10-12 сентября 2008., Курск. 462–464 с. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. Ростов н/Д: Изд-во РГУ, 2003. 216 с. Карамшук З.П. Микробиологические основы почвозащитного земледелия. Алма-Ата: Наука, 1989. 200с. Маринеску К.М. Экология микробного ценоза эродированных черноземов и восстановление его функций//Интенсификация, ресурсосбережение и охрана почв в адаптивно-ландшафтных системах земледелия. Сб. докладов Международ. науч.-практич. конф., ГНУ ВНИИЗиЗПЭ РАСХН. 10-12 сентября 2008., Курск. 550-555 с. Мишустин Е.Н. Почвенные организмы как компоненты биогеоценоза//Сб. статей, М., 1984.-247 с. Lynch J., Wiseman A. Environmental biomonitoring: the biotechnology ecotoxicology interface.-Cambridge Univ. Press, 1998. 300 p. 55 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ТРАНСФОРМАЦИЯ СОЛОМЫ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР, ИНОКУЛИРОВАННОЙ БИОПРЕПАРАТАМИДЕСТРУКТОРАМИ, В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ РУСАКОВА И.В. ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт органических удобрений и торфа» rusakova.iv@yandex.ru Аннотация: В статье изложены результаты экспериментального исследования влияния использования микробиологических препаратов-деструкторов на процессы минерализации соломы ячменя, биологические свойства дерново-подзолистой почвы. Введение Растительные остатки сельскохозяйственных культур в настоящее время оцениваются российскими и зарубежными исследователями как важнейший ресурс воспроизводства органического вещества и сохранения функциональных свойств пахотных почв (Семенов, Ходжаева, 2006; Русакова, Еськов, 2011). В России ежегодное производство послеуборочных растительных остатков составляет около 120 млн. т. В этом колоссальном ресурсе аккумулировано 48 млн. т углерода и 2,2 млн. т NPK, что сопоставимо с объемом питательных элементов, вносимых с минеральными удобрениями. В структуре послеуборочных остатков солома зерновых и зернобобовых культур составляет до 80 %. Излишки этой фитомассы, не нашедшие применения в животноводстве и других отраслях, составляют ежегодно не менее 40-64 млн. т. Их возврат и заделка в почву позволяет замкнуть круговорот биогенных элементов в земледелии и повысить продуктивность и устойчивость агроэкосистем. Одним из факторов, ограничивающих более широкое использование соломы в качестве удобрения, является достаточно низкая скорость ее разложения, особенно при внесении высоких доз, что может приводить к снижению урожайности. Использование микробиологических препаратов, содержащих высокоэффективные штаммы и консорциумы микроорганизмов-деструкторов, для инокуляции растительных остатков перед заделкой в почву может являться одним из способов активизации их разложения. В некоторых отечественных и зарубежных исследованиях установлено, что применение микробиологических препаратов позволяет ускорить процессы минерализации и гумификации соломы в почве, снизить проявление фитотоксичности, увеличить урожайность сельскохозяйственных культур (Русакова, Воробьев, 2011; Li et al., 2012). Взаимодействие целлюлозо- и лигнолитических микроорганизмов, входящих в состав этих микробиологических препаратов, с растительными остатками рассматривается как стратегия для эффективного их разложения (Abro et al., 2011). Данные лабораторных и полевых опытов по оценке эффективности инокуляции пожнивных остатков биопрепаратами, полученные к настоящему времени российскими учеными, немногочисленны и нуждаются в уточнении и подтверждении результатами дополнительных исследований. Цель исследований – изучить влияние микробиологических препаратов на основе высокоэффективных штаммов целлюлозоразлагающих микроорганизмов на процессы трансформации послеуборочных остатков зерновых культур на дерново-подзолистой супесчаной почве. 56 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. Исследования проводили в лабораторном инкубационном (опыт 1) и полевом (опыт 2) опытах по следующей схеме: 1. Почва (П); 2. П + солома ячменя (СЯ); 3. П + СЯ + N; 4. П + СЯ+ N + Баркон; 5. П + СЯ+ N + Экстрасол; 6. П + СЯ + N + Экстрасол ЦС. В лабораторном опыте солому вносили из расчета 10 т га-1, в полевом – 5 т га-1, компенсирующую дозу азота – из расчета N10 на 1 т соломы. Лабораторный инкубационный опыт 1 проводили в сосудах, вмещающих 800 г воздушно-сухой почвы в контролируемых условиях температуры (20-22º) и влажности почвы (60 % полевой влагоемкости) в течение 147 суток. В опыте использовали: почву – дерново-подзолистую супесчаную с опытного поля ВНИИОУ (0-20 см); измельченную солому ячменя (длина резки – 0,5 см); аммиачную селитру. В мелкоделяночном полевом опыте (опыт 2), заложенном на опытном поле ВНИИОУ, солому ячменя в августе после уборки зерна измельчали до 15-20 мм, равномерно распределяли по поверхности делянок, вносили компенсирующую дозу азота (аммиачную селитру), из расчета 10 кг на 1 т соломы, обрабатывали биопрепаратами согласно схеме опыта, после чего заделывали в пахотный слой почвы (0-20 см). Весной следующего года высевали яровое тритикале. В экспериментах использовали микробиологические препараты, разработанные во Всероссийском научно-исследовательском институте сельскохозяйственной микробиологии: Баркон – на основе культур микроорганизмов деструкторов целлюлозо- и лигнинсодержащих растительных отходов; Экстрасол – на основе культуры эффективных штаммов Bac. subtilis; Экстрасол ЦС – с усиленной целлюлозолитической активностью. Для оценки влияния применяемых биопрепаратов на разложение соломы проведено изучение: эмиссии CO2 – абсорбционным методом; содержания микробной биомассы (Смик) методом регидратации – экстракции. Результаты исследования и их обсуждение Эмиссия углекислоты из почвы является интегральным показателем актуальной биологической активности почвы и отражает интенсивность минерализации органического вещества. Наблюдения за выделением CO2 в опыте 1 проводили в динамике в течение 147 суток. Максимальное количество C – CO2 выделилось во всех вариантах в 1 сутки наблюдений. В дальнейшем наблюдали постепенное снижение выделения C - CO2, к концу опыта значения этого показателя нивелировались по всем вариантам и стабилизировались на уровне, близком к варианту без удобрений – от 4,22 мг кг-1 до 4,85 мг кг-1 в сутки. Согласно результатам исследований, за весь период наблюдений (147 суток) минимальное количество C – CO2 выделилось из почвы варианта без удобрений – 462 мг кг-1. В варианте с дозой соломы 10 т га-1 эта величина была выше в 2,18 раза и составила 1005 мг кг-1, что объясняется поступлением в почву дополнительного количества свежего легкоразлагаемого органического вещества. Добавка компенсирующей дозы минерального азота к соломе и смещение соотношения C:N в более благоприятную для микробиологической деятельности сторону способствовало увеличению суммарной эмиссии углерода до 1146 мг кг-1. Все использованные в опыте биопрепараты проявили эффективность в отношении интенсификации разложения растительной биомассы соломы, что зафиксировано по увеличению размеров выделения C – CO2, которое суммарно за период наблюдений составило 57 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. от 1265 до 1443 мг кг-1, что на 173–212 % выше, чем в контрольном варианте и на 10–26% – по сравнению с вариантом «солома + N». В процессе трансформации растительных остатков часть органического углерода минерализуется до СО2, часть используется микроорганизмами для построения биомассы, в результате в почве увеличивается содержание микробного углерода. По данным анализа содержания микробной биомассы (Смик) можно отметить следующие особенности в характере динамики этого показателя. На протяжении всего срока наблюдений варианты с применением биопрепаратов и соломы превосходили по уровню Смик контрольный. К 10 суткам различия между контрольным вариантом и вариантами с биопрепаратами составляли от 10 до 40%, на 25 сутки - от 9 до 33%. К концу опыта содержание Смик значительно снизилось практически на всех вариантах и приблизилось к контролю (рис. 1). Смик, мг кк почвы-1 600 500 400 300 200 100 0 1 2 10 сутки 3 4 Вариант опыта 25 сутки 105 сутки 5 6 151 сутки Рис. 1. Содержание углерода микробной биомассы (Смик) в почве: 1 – контроль; 2 – солома, 10 т га-1; 3 – солома, 10 т га-1 + N100; 4 - солома, 10 т га-1 + N100 + Баркон; 5 – солома, 10 т га-1 + N100 + Экстрасол; 6 – солома, 10 т га-1 + N100 + Экстрасол ЦС. В полевом опыте 2 наблюдения за эмиссией СО2 из почвы опыта проводили в динамике, начиная с 1 суток после заделки соломы, с интервалом 7 суток до появления отрицательных почвенных температур и наступления заморозков. Согласно полученным данным, за весь период наблюдений после заделки соломы в почву (63 суток) минимальное количество С-СО2 выделилось из почвы контрольного варианта без удобрений – 72,5 г м-2. В варианте с внесением 5 т га-1 соломы эта величина была выше в 1,5 раза и составила 109,4 г м-2. Добавка компенсирующей дозы N50 способствовала увеличению эмиссии углерода в варианте 3 на 27 % - до 139,3 г м-2. Инокулирование соломы биопрепаратами интенсифицировало ее минерализацию, что зафиксировано по увеличению размеров выделения СО2, которые за весь срок наблюдений были в сумме на 32-58 % выше, чем в варианте, где солома внесена без применения биопрепаратов и компенсирующей дозы азота (вар. 2), и на 4-24 % выше по сравнению с вариантом CЯ+N50 (рис. 2). 58 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. Согласно полученным экспериментальным данным, по интенсивности влияния на минерализационные потери СО2 в данном опыте биопрепараты можно расположить в такой последовательности: Экстрасол > Экстрасол ЦС > Баркон. 200 СЯ СЯ+N50 СЯ+N50+Б СЯ+N50+Эс СЯ+N50+Эцс Без удобрений 180 160 С-СО2, г/м2 140 120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Срок компостирования, сут. Рис. 2. Кумулятивная эмиссия С – СО2 в опыте 2. В результате анализа содержания микробной биомассы (Смик) в полевом опыте можно отметить, что наиболее заметно влияние инокуляции соломы биопрепаратами проявилось через 1,5 мес. после заделки соломы в почву, когда значения Смик в этих вариантах были выше в 1,22 -1,35 раза выше по сравнению с вариантом «СЯ+N50» (рис. 3). 700 7 сут. Смик, мг/кг почвы 600 23 сут. 44 сут. 70 сут. 500 400 300 200 100 Ц С со л кс тр ас ол кс тр а 6. Ф он +N 50 +Э 50 +Э 5. Ф он +N Ф он +N 50 +Б ар ко н 50 4. 3. Ф он +N т/ га 5 С ол ом а 2. 1. Бе з уд об ре ни й 0 Рис. 3. Содержание микробной биомассы в пахотном слое дерново-подзолистой почвы в различные сроки после заделки соломы. 59 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами исследований Abro et al. (2011) в инкубационном опыте (73 сут.), согласно которым внесение соломы в почву увеличивало эмиссию С-СО2 на 39 % по сравнению с контролем. В варианте с инокулированной соломой выделилось суммарно на 10 % больше С-СО2, чем без обработки биопрепаратом. По данным Pfender et al. (1996) в условиях достаточного увлажнения дыхание почвы (эволюция СО2) было увеличено в варианте с соломой, обработанной биопрепаратом на основе микромицета Limonomyces roseipellis, по сравнению с необработанной соломой. Увеличение содержания углерода микробной биомассы, дегидрогеназы и гумуса было установлено также в исследованиях Gaind и Nain (2007) при внесении в почву соломы, инокулированной биопрепаратом на основе культуры гриба T. reesei. Выводы Таким образом, в результате проведенных исследований установлена эффективность микробиологических препаратов Баркон, Экстрасол, Экстрасол ЦС в отношении разложения пожнивных остатков зерновых культур в дерново-подзолистой почве. Применение таких биопрепаратов-деструкторов, способствующих ускорению и более полной трансформации растительной биомассы, может быть эффективно при использовании высоких доз соломы, в специализированных, насыщенных зерновыми культурами севооборотах, заделке растительных остатков под зерновые культуры, в ресурсосбрегающих технологиях и др., т.е. в тех ситуациях, когда необходимо обеспечить условия скорейшего разложения растительной биомассы, применяемой в качестве удобрения, для предотвращения ее негативного влияния и усиления положительного действия. Литература Семенов В.М., Ходжаева А.К. (2006) Агроэкологические функции растительных остатков в почве // Агрохимия, №7. С.63-81. Русакова И.В., Еськов А.И. (2011) Оценка влияния длительного применения соломы на воспроизводство органического вещества дерново-подзолистой почвы // Докл Росс сельхоз акад, № 5. С. 28-31. Русакова И.В., Воробьев Н.И. (2011) Влияние биопрепарата Баркон на процесс гумификации соломы // Агрохимия, № 1. С. 48-55. Li P., Zhang D.D., Wang X.J., Wang X.J., Cui Z.J. (2012) Survival and performance of two cellulose-degrading microbial systems inoculated into wheat straw-amended soil// J. Microbiol. Biotechnol., I. 22. P. 126-132. Abro S., Tian X., You1 D., Ba Y., Li M., Wu F.(2011) Influence of microbial inoculants on soil response to properties with and without straw under different temperature regimes // African Journal of Microbiology Research, V. 4(19). P. 3054-3061. Gaind S., Nain L. (2007) Chemical and biological properties of wheat soil in response to paddy straw incorporation and its biodegradation by fungal inoculants //Biodegradation, 2007, V. 18(4). P. 495-503. Pfender W., Fieland V.,Ganio L., Seidler R. (1996) Microbial community structure and activity in wheat straw after inoculation with biological control organisms //Applied Soil Ecology, V. 3, I. 1. P. 69-78. 60 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ УДОБРЕНИЙ И ИЗВЕСТКОВАНИЯ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ДЫХАНИЯ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ ПРИ ВОЗДЕЛЫВАНИИИ ПОЛЕВЫХ КУЛЬТУР БЕССМЕННО И В СЕВООБОРОТЕ САВОСЬКИНА О.А., ПОЛИН В.Д. РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, Москва, Россия soa-18@mail.ru Аннотация: На нашей планете один из основных процессов в цикле углерода - почвенное дыхание. В данной статье рассмотрены аспекты дыхания дерново-подзолистой почвы в агроценозах полевых культур, различающихся уровнем антропогенного воздействия. Полученные результаты показали, что дерново-подзолистая почва характеризовались относительно высокой скоростью продуцирования СО2 и значительной вариабельностью показателя от изучаемых факторов – вариантов удобрений, известкования, способа возделывания культур. Введение Основными источниками углекислого газа в почве являются микроорганизмы, почвенная биота и подземные органы растений, которые, также, являются потребителями кислорода. Выделить вклад каждой группы биоценоза в общий поток СО2 в атмосферу трудно. Для учета дыхания почвы существуют различные методы, однако не один из них не позволяет избежать искажений результатов из-за трудно учитываемых факторов динамики углекислоты, как изменение температуры почвы, атмосферного давления и других. Мы в определении интенсивности дыхания использовали монометрический метод на приборе Варбурга. Результаты и обсуждение Внесение органических и минеральных удобрений, а так же известкование (таблица 1) вызывают заметные изменения в интенсивности дыхания почвы. Максимальное продуцирование углекислоты в бессменных посевах приходится на делянки с внесением NPK и навоз+NРК и составляет 1,97мкл/г/ч. Большое количество углекислоты продуцируется также на контроле и делянке с внесением навоза. Такие же закономерности проявляются и на делянках севооборота, только здесь интенсивность дыхания немного выше. Обращает на себя внимание уменьшение интенсивности дыхания при внесении извести. Известь во всех вариантах значительно снижает интенсивность дыхания, кроме того снижается дыхательный коэффициент, что говорит об усилении окислительных процессов. Какими причинами вызывается такое действие извести на интенсивность дыхания? Объяснить это можно двумя причинами. Первая из них, это кислотность почвы. На неизвесткованных делянках она в среднем колеблется от 4,0 до 4,2 при внесении извести кислотность снижается до 6,0-6,2. Естественно изменение реакции среды приводит к смене видового состава микроорганизмов или, по крайней мере, к преобладанию бактериальных процессов, так как до 70% С02 выделяется при разложении органического вещества почвенными микроорганизмами, в первую очередь грибами. Следовательно, уменьшение грибной микрофлоры будет способствовать уменьшению продуцирования почвой С02. Вторая причина - наличие в почве легкодоступного субстрата для использования его микроорганизмами. Как было сказано выше, известь вызывает резкое снижение содержания в 61 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. почве подвижных форм органического вещества и способствует его более прочному закреплению с минеральной частью почвы. Таблица 1. Влияние длительного применения удобрений и известкования на интенсивность дыхания почвы, мкл г-1 ч-1 Бессменное возделывание культур Варианты удобрений Контроль (без удобрений) Контроль +известь N100P150K120 N100P150K120 + известь Навоз 20т га-1 Навоз 20т га-1 + известь Навоз 20т га-1 + N100P150K120 Навоз 20т га-1 + N100P150K120 + известь Севооборот Интенсивность поглащения О2 Интенсивность выделения СО2 Дыхательный коэффициен т Интенсивность поглащения О2 Интенсивность выделения СО2 Дыхательный коэффициент 1,37/0,95 1,40/0,86 1,02/0,91 1,51/1,16 1,48/1,13 0,98/0,97 1,17/0,67 0,80/0,57 0,68/0,66 1,24/1,11 0,56/0,54 0,45/0,49 2,07/1,63 1,97/1,37 0,95/0,84 1,90/1,51 1,64/1,22 0,86/0,81 1,13/0,95 0,82/0,55 0,72/0,58 1,48/1,04 0,98/0,65 0,66/0,63 1,85/2,04 1,74/1,45 0,94/0,71 - - - 1,54/1,09 1,16/0,63 0,75/0,58 - - - 1,96/1,71 1,97/1,55 1,01/0,90 1,96/1,73 1,92/1,61 0,98/0,93 1,72/1,26 0,90/0,76 0,52/0,60 1,80/1,09 0,94//0,67 0,52/0,61 Числитель – слой почвы 0-20см, знаменатель – 20-40см При исследовании на приборе Варбурга мы используем абсолютно сухую почву, которую доводим до определенной влажности и температуры. Все образцы почвы находятся в одинаковых условиях, процесс инкубации длится один час. Происходит резкое возрастание биологической активности почвы. Естественно в начальный период микроорганизмы для получения энергии используют легкодоступные формы органического вещества, т. е. водо- и щелочнорастворимый углерод. В вариантах без извести этих фракций больше, поэтому интенсивность развития микрофлоры здесь выше, чем на известкованных делянках где углерод находится в менее доступных формах. Коэффициент корреляции между содержанием в почве щелочнорастворимого углерода и продуцированием С02 в бессменных посевах был 0,54, в севообороте-0,63. Культурные растения при длительном возделывании в бессменных посевах поддерживают высокий уровень биологической активности почвы за счет непрерывного поступления корневых выделений и растительных остатков. Под озимой рожью наблюдается наибольшая интенсивность дыхания (1,65мкл г-1 ч-1) по сравнению с другими культурами, что связанно с количеством растительных остатков, поступающих в почву, а также содержанием органического вещества под озимой рожью, где оно выше, чем под другими культурами. Наименьшая интенсивность дыхания под ячменем (1,11мкл г-1 ч-1), картофель занимает промежуточное положение (1,25мкл г-1 ч-1). Более интенсивное дыхание почвы на делянках 62 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. под картофелем по сравнению с ячменем можно объяснить разницей в технологии возделывания этих культур. По интенсивности дыхания, культуры севооборота располагаются также как и в бессменных посевах, однако интенсивность выделения углекислого газа и поглощение кислорода на делянках севооборота несколько выше, чем в бессменных посевах. Это вызвано, скорее всего, более широким видовым составом микроорганизмов. В подпахотном слое почвы 20-40см. интенсивность дыхания снижается по всем вариантам, однако зависимость ее от культуры и севооборота такая же, как и в пахотном слое. Дыхательный коэффициент в целом по всему опыту был меньше единицы и колебался от 0,7 до 0,9. Это свидетельствует о преобладании поглощения кислорода над продуцированием углекислого газа, т.е. о неполном окислении органического вещества. В Длительном опыте РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева на дерново-подзолистой почве эмиссия углекислого газа не превышала поступление кислорода, что свидетельствует о сбалансированности биохимических процессов окисления и восстановления органических соединений и стабилизации гумусового состояния. При интенсивной технологии возделывания сельскохозяйственных культур (в севообороте при внесении органо-минеральных удобрений на фоне периодического известкования) потери углерода значительно ниже, по сравнению с вариантами без удобрений. Невысокие дыхательные коэффициенты указывают на большой вклад биологических составляющих в общей эмиссии. 63 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ТРАНСПИРАЦИЕЙ И АССИМИЛЯЦИЕЙ CO2 В ПОСЕВАХ C3 И C4 КУЛЬТУР ХОМЯКОВ Ю.В., ДОБРОХОТОВ А. В., ВЕРТЕБНЫЙ В. Е., СИТДИКОВА Ю. Р., КОЗЫРЕВА Л.В. ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия himlabafi@yandex.ru; lkozyreva@agrophys.ru Aннотация: Проведены полевые эксперименты на площадках Агрофизического института с посевами ячменя (C3 культура) и амаранта (C4 культура). Синхронно определены суммарное испарение, сопротивление растительной поверхности, углерод в листьях посевов и их отличия. Введение Изучение процессов переноса тепла и влаги, а также углекислого газа (диоксид углерода) в системе «почва – растение – приземный слой воздуха» необходимо для решения задач регулирования, управления и прогнозирования продуктивности сельскохозяйственных культур. Роль углекислого газа состоит в том, что он является основным исходным продуктом фотосинтеза, в процессе которого развивающиеся растения, используя фотосинтетическую активную радиацию, создают органическое вещество. Динамика фотосинтеза агроценозов требует изучения зависимости влияющих на него биологических, гидрометеорологических и почвенных факторов. Фотосинтезирующие растения используют для получения органического вещества углекислоту из воздуха и почвы, воду и минеральные вещества. На процесс фотосинтеза в растительном покрове расходуется некоторая часть коротковолновой солнечной радиации (Пеннинг де Фриз и др., 1986). Материалы и методы Ассимиляция СО2 и транспирация связаны между собой, так как водяной пар и углекислота проходят через одни и те же устьичные отверстия. Эти процессы зависят от внешних условий. Диффузия водяного пара более интенсивная, чем СО2. Коэффициент учитывающий различие в скорости диффузии СО2 и паров Н2О через пограничный слой листа, составляет 1,3 (Monteith, 1973). Процесс фотосинтеза С4 (в отличие от С3) получил свое название по первичному продукту ассимиляции СО2 — ЩУК (щавелевоуксусная кислота С4). У С4 - растений фотосинтез может осуществляться и при почти закрытых устьицах. Закрывание устьиц на наиболее жаркое время дня сокращает потери воды за счет транспирации (испарения). Однако эффективность использования воды, то есть отношение массы ассимилированного СО2 к массе воды, израсходованной при транспирации у С4 растений, может быть вдвое выше, чем у С3-растений, поэтому С4-растения имеют преимущество перед С3 -растениями в засушливых местах обитания благодаря высокой интенсивности фотосинтеза даже при закрытых устьицах. Основная причина пониженного расхода воды С4-растениями состоит в том, что их устьица оказывают высокое сопротивление диффузии газов, причем при подвядании листьев и сжатии устьиц оно многократно возрастает для паров воды и в меньшей степени для СО2. Низкая величина сопротивления диффузии клеток мезофилла для СО2 при более высоком сопротивлении устьиц для Н2О благоприятствует повышению интенсивности фотосинтеза при пониженной транспирации у С4-растений. Что касается амаранта, представителя фотосинтеза путем С4 , то он регулирует транспирацию активными движениями замыкающих клеток устьиц, более или менее плотно замыкая их в полуденные часы. Опасность перегрева листьев ему практически не угрожает из-за высокой термоустойчивости. С4-растение максимально использует в световую фазу весь имеющийся запас углекислого газа. Причина эффективного поглощения СО2 заключена в анатомической структуре листьев С4-растений, Наряду с нормальными обычными 64 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. хлоропластами, вокруг сосудистых пучков у этих растений имеется особый вид очень плотных хлоропластов почти без тилакоидов, но наполненных крахмалом. Эти хлоропласты назвали обкладочными. В обычных хлоропластах у С4 растений, как и положено, протекает световая фаза фотосинтеза, а также происходит фиксация СО2, но при этом образуется щавелевоуксусная кислота. Надо сказать, что такая фиксация намного эффективнее, чем способ С3-растений (с образованием фосфоглицериновой кислоты). Но и это еще не все. Образовавшаяся таким образом щавелевоуксусная кислота превращается в яблочную, которая поступает в обкладочные хлоропласты, где сразу расщепляется с выделением СО2. А дальше все идет, как у С3 растений. Таким образом, у С4 растений и фиксация СО2 происходит более эффективно в виде других соединений, и образование сахаров осуществляется в особых хлоропластах, в результате чего сокращается интенсивность фотодыхания и связанных с ним потерь. С4 растения могут закрыть свои устьица в засушливый период, и не терять воду. У них обычно накоплено достаточно СО2 в виде яблочной кислоты и фотосинтез ничем не ограничен. Из углерода, водорода и кислорода состоит основная масса сухого вещества растений. Сухое вещество однолетних растений в среднем содержит 45% углерода, 42% кислорода, 6,5% водорода, 1,5% азота и 5% золы. Следовательно, более 90% сухого вещества растений формируется при ассимиляции СО2, из атмосферы и воды, получаемой из почвы. В натурных условиях в Агрофизическом институте был проведен эксперимент с растениями С3 (ячмень, сорт “Ленинградский”) и С4 (амарант, сорт “Крепыш”). Главной задачей являлось экспериментальное исследование зависимости ассимиляции углекислого газа в приземном слое воздуха от суммарного испарения над растительными покровами ячменя и амаранта. Проективное покрытие 21 июля 2015 года для посевов амаранта и ячменя близко к сомкнутому покрову. Суммарное испарение определялось по методике подробно изложенной в работе (Козырева и др., 2013). Реальное суммарное испарение рассчитывается, как остаточный член теплового баланса по формуле: lET = Rn - H - G , (1) -2 где Rn – радиационный баланс, Вт м ; H – турбулентный поток тепла, Вт м-2; l – скрытая теплота парообразования, Дж кг-1; ET – реальное суммарное испарение (эвапотранспирация), мм; G – поток тепла в почву, Вт м-2. Измерения метеопараметров для расчета суммарного испарения проводились синхронно на двух участках автоматизированными мобильными полевыми агрометеорологическими комплексами (АМПАК) (Ефимов и др., 2013), которые осуществляли сбор и обработку температуры и относительной влажности воздуха, скорость ветра, атмосферное давление, температуры и радиационные балансы растительной поверхности ячменя и амаранта. Водопотребление посевов (суммарное испарение) рассчитывали в режиме реального времени. Результаты и обсуждение На рисунке 1 приведены результаты расчета суммарного испарения над посевами амаранта и ячменя. Так как обьемная влажность почвы (датчик, 10HS) на глубине 0–10 см в день измерений была равной 0,09 м3 м-3 (≈5%). Транспирация в первом приближении приравнивалась к суммарному испарению. 65 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. Рис. 1. Суммарное испарение с участков ячменя и амаранта 21.07.2015 Большую значимость в процессе ассимиляции СО2 играет проводимость устьиц. Эта оценка в нашем эксперименте была проведена по формуле (Jackson, 1981): rc gra Rn / rC p - (Tc - Ta )(D + g ) - VPD = , g [(Tc - Ta ) - ra Rn / rC p ] ra (2) где rc – сопротивление растительной поверхности (≈устьичное сопротивление), с м-1; ra – аэродинамическое сопротивление, с м-1; ρ – плотность воздуха, кгм-3; Cp – удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг∙°С), Тс – температура поверхности растительности, °С; Та – температура воздуха, °С; Δ – наклон, показывающий отношение давления насыщения водяного пара к температурной кривой, Па/°С; γ – психрометрическая постоянная, Па/°С; VPD – дефицит насыщения водяного пара, Па. На рисунке 2 приведены результаты расчетов устьичного сопротивления во время проведения эксперимента. Рис. 2. Сопротивление растительной поверхности ячменя и амаранта 21.07.2015. 66 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. Ассимиляция СО2 определялась по количеству связываемого углерода в листьях растений. Один из способов измерения интенсивности фотосинтеза заключается в определении образования органического вещества в растениях по содержанию углерода, который учитывается методом мокрого сжигания (интервал времени определения транспирации и накопления углерода совпадают). Отличия суммарного испарения и ассимиляции СО2 с ячменя и амаранта, измеренные синхронно 21.07.2015, приведены на рисунке 3. Рис. 3. Накопление углерода (С/СО2) , суммарное испарение (транспирация) и их отношение для ячменя и амаранта в период с 11:30 до 17:00, 21.07.2015. Экспериментально, на примере ассимиляции СО2, получено отличие фотосинтеза растений амаранта и ячменя при синхронном измерении суммарного испарения (транспирация) и накопления углерода в листьях. Показана соответствующая реакция устьичной проводимости посевов на изменение параметров окружающей среды. Эти экспериментальные данные позволяют расширить возможность исследований продукционного процесса посевов с фотосинтезом С3 и С4 путем уточнения оценки транспирации посевов с помощью методики разделения суммарного испарения. Список литературы Ефимов А.Е., Ситдикова Ю.Р., Козырева Л.В., Доброхотов А.В. (2013) АМПАК (Автоматизированный мобильный полевой агрометеорологический комплекс). Методические указания по использованию. – Санкт-Петербург: ФГБНУ АФИ, -32с. Козырева Л.В., Ситдикова Ю.Р., Ефимов А.Е., Доброхотов А.В. (2013) Методика оценки биологического водопотребления посевов для решения задач управления водным режимом. Агрофизика. № 4(12). С.12-19. Пеннинг де Фриз Ф.В.Т., Лаар Х.Х. (1986) Моделирование роста и продуктивности сельскохозяйственных культур. – Ленинград: Гидрометеоиздат, -320с. Jackson R.D., Idso S.B., Reginato R.J. (1981) Canopy temperature as a crop water stress indicator. Water Resour. Res.17. P.1133-1138. Monteith J.L. ( 1973) Principles of Environmental Physics. –London: Edward Arnold, - 241p. 67 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ПАРНИКОВЫЕ ГАЗЫ: ВЗГЛЯД ТЕХНОЛОГА ЮДКЕВИЧ Ю.Д. ЗАО «Лонас технология», Санкт-Петербург, Россия yudyry@gmail.com Аннотация: Было ли глобальное потепление? Вероятно. Закончилось ли оно? Возможно. Имеют ли глобальные изменения антропогенный характер? Нет! Глобальные явления в природе порождаются силами, которые на несколько порядков мощнее всего того, чем обладает человечество. Ангажированные ученые внушают обывателю веру во всесилие науки. Эта ложь имеет отчетливые коммерческие истоки. Biochar и biocoal. Эти два недавно придуманных термина переводятся на русский одинаково – «биоуголь», но в них вкладывается совершенно различный смысл, и речь идет о разных продуктах. Введение После Мадридской конференции 1995 года ООH провозгласила глобальное потепление научным фактом. Из прессрелиза: «Основными источниками выброса углекислого газа в атмосферу являются производство, транспортировка, переработка и потребление ископаемого топлива». В Лиме в декабре 2014 года конференция ООН по климату (Давыдова, 2014) утвердила черновой вариант посткиотского соглашения о снижении выбросов парниковых газов. Подтверждена важность финансовых обязательств развитых стран по поддержке снижения выбросов в развивающихся странах. ООН: «Планета нагревается. Ученые практически едины – причиной потепления является промышленная деятельность человека» Май 2015 г. Дмитрий Медведев утвердил концепцию формирования системы мониторинга, отчетности и проверки объемов выбросов парниковых газов. Ученые практически едины? Экс-президент академии наук США Фредерик Зейтц: «все теории глобального потепления и озоновых дыр притянуты за уши и не отвечают действительности» (Молдованов, 2004). Чл.-корр. РАН, А. Капица: «глобальное потепление и растущие озоновые дыры - наукообразные мифы» (Молдованов, 2004; Залесский, 2008). А. Цонис, профессор Университета штата Висконсин: "Похолодание уже началось, оно будет продолжаться ближайшие 15 лет. Нет никаких сомнений, что потепление закончилось" (Медведев, 2008). Антропогенная эмиссия? В мире производится около 14 млрд. т угля, нефти и газа в год. Это около 10 млрд. т углерода. Если весь этот углерод сжечь, то получим 36 млрд. т СО2. В атмосфере и океане содержится 360000 млрд. т. СО2. Годовая прибавка 0,01%. Это на порядок меньше, чем изменение концентрации углекислого газа в атмосфере от дыхания мирового океана. Биологи знают, что повышение в воздухе концентрации СО2 ведет к большему его поглощению всеми видами растительности, увеличению биомассы. Этот фактор тоже «забыт» в выкладках сторонников антропогенного происхождения колебаний концентраций парниковых газов. Еще один фактор выпал из рассмотрения: повышение концентрации парниковых газов в верхних 68 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. слоях атмосферы действует как двоякое зеркало – частично отражаются тепловые лучи, идущие от земли в космос, но и отражается в космос часть лучей, поступающих на землю от солнца. Причины мифотворчества Можно перечислить множество мифов, которые от имени ученых внедряют в умы обывателей. Фреоны, как источник озоновых дыр, ГМО, соя, пальмовое масло, вот далеко не полный перечень тем, послуживших основой успешного мифотворчества. За каждым мифом стоят интересы крупных корпораций, политические интересы. Для части ученых освящение, озвучивание этих мифов означает получение крупных грантов, возможность привлечения к деятельности организаций мирового уровня, самоутверждение. Большинство других представителей научного сообщества следует за авторитетами, боится высказать сомнения в отношении утвердившейся точки зрения. Забота менеджеров состоит в том, чтоб не допустить распространения иных точек зрения даже таких ученых с мировыми именами, как Ф. Зейтц или А.П. Капица. В случае темы парниковых газов это означает, что недопустимо сомневаться в антропогенных причинах глобального потепления. Вопреки здравому смыслу сдерживаются и публикации о конце малого цикла глобального потепления и наступлении малого цикла глобального похолодания. Хотя известны факты начала роста ледников. Монополии, производящие оборудование для производства биотоплив, стараются не допустить саму мысль, что колебания климата имеют характер, независимый от человеческой деятельности. Велика здесь и роль чиновников, не владеющих самим вопросом, но использующих провозглашенные концепции для нормотворчества не без интереса для определенного круга. Как частные моменты стоит отметить заботы политиков ЕС, для которых борьба с минеральными топливами означает борьбу за уменьшение зависимости от импортных, в основном, Российских, поставок этого топлива. Есть один локальный положительный момент для густонаселенных стран Европы. Там, где сконцентрированы промышленность и население, чем меньше будет сожжено газа или угля, тем здоровее будет местный воздушный бассейн. Biochar и biocoal В начале этого века я опубликовал в нескольких журналах статью (Юдкевич, 2013). Там я напомнил читателям о подсечном земледелии, еще практиковавшимся в некоторых местах менее века назад и являющегося одной из первых систем земледелия. Хорошие урожаи на гарях известны всем. В 50-60х годах прошлого века этой проблемой заинтересовались в Ленинградском Сельхозинституте. Были проведены опыты, показавшие, что внесение мелкого древесного угля в почву защищает растения от некоторых вредителей. Уголь сорбирует питательные вещества, препятствуя их смыванию в водоемы, сохраняет влагу. Урожайность ряда культур заметно выросла. Как часто у нас бывает, эти результаты осели в отчетах и не получили развития. В 90 годы канадские ученые обратили внимание на «черные земли» (terra pretta) в Андах (Origins…, 2015). Они были заметно плодороднее соседних красноземов. Выяснилось, что эти участки отличаются исключительно высоким содержанием древесного угля. Начался бум. Вносимому в почву древесному углю дали название biochar. Тут же появились во множестве «специалисты», предлагающие свои технологии получения именно biochar. Как правило, это были малограмотные кустарные способы обугливания древесных отходов. Но на Американском континенте, в Европе, затем и в Азии создавались порталы, общественные организации, фирмы, делающие и распространяющие biochar. Появилась и широко распространилась идея, что закапывание угля в почву полезно еще и потому, что из обращения выводится углерод и это препятствует глобальному потеплению. Но, если весь ежегодный мировой прирост древесины (5 млрд. м3) превратить в biochar получится максимум 69 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. 0,5 млрд. т углерода. В атмосфере и океане в форме СО2 содержится 100 000 млрд. т углерода. Отношение составляет 5·10-6. На самом деле, в мире производится всего около 10 млн. т древесного угля в год на все многочисленные нужды от металлургии до барбекю. Почти одновременно с biochar в мировой литературе появилось понятие biocoal. Я говорю об этом потому, что на русский оба понятия переводят одинаково – «биоуголь». На самом деле, это разные продукты. Biocoal, это топливо из возобновимого сырья (древесина, с.х. отходы и т.п.), приведенное в состояние, когда его энергетические и механические свойства становятся аналогичными таковым же каменных углей. Предполагается, что можно заменить каменный уголь с его вредными выбросами безвредным топливом растительного происхождения. Здесь реальные ресурсы тоже не сходятся с потребностью и тоже на это норовят закрыть глаза. Коль мы говорим с аграриями об использовании древесного угля, стоит напомнить, в середине прошлого века некоторые комбикормовые заводы СССР начали вводить древесноугольную крупку в определенные виды кормов. Дело в том, что при стойловом содержании скот и птица, особенно молодняк, из-за недостатка движений, страдают несварением. В желудке накапливаются газы. Уголь сорбирует газы и выводит из кишечника. Скот и птица лучше едят, быстрее набирают вес. Сейчас, пожалуй, только любители канареек и попугаев практикуют добавление молотого угля в подкормку. На птицефабриках предпочитают антибиотики и другие небезвредные реагенты. Производство древесного угля Технология древесного угля одна из самых древних. Современные методы позволяют получать древесный уголь в экологически чистых и безопасных процессах. Биологам не нужно придумывать особых технологий изготовления biochar. В качестве этого продукта хорошо подходит мелкий древесный уголь. В зависимости от выбранной технологии и потенциальных потребителей, его получается от 10 до 20% от всего производимого древесного угля. Эти количества вполне могут удовлетворить потребности сельского хозяйства на данном этапе. Литература Давыдова А. (2014). Климат приобрел новые очертания. // Газета "Коммерсантъ" №228 от 16.12.2014, стр. 6. Молдованов Д. (2004) Глобальное потепление и озоновые дыры: наукообразные мифы. Беседа с профессором А. П. Капицей. // Промышленные ведомости, 11-12. Залесский А. (2008) Кто придумал парниковый эффект. // Планета, январь. Медведев Ю. (2008) Климат отложил потепление. // Российская газета. Федеральный выпуск №6184. Юдкевич Ю.Д. То, что знали пращуры. (2013) / Онлайн: http://charcoal.my1.ru/news/to_chto_znali_prashhury/2013-03-06-3 Origins of Biochar - Terra Preta. 2015. Онлайн: http://www.biochar.info/biochar.terra-preta.cfml 70 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. СПИСОК УЧАСТНИКОВ № Фамилия, имя, отчество 1 АБРАМОВА А.В. 2 3 4 БАЛАШОВ Е.В. БОЙЦОВА Л.В. БУЧКИНА Н.П. 5 ГОЛОВАЦКАЯ Е.А. 6 ГОЛОВИНА Н.М. 7 ГОЛУБЯТНИКОВ Л.Л. 8 ЖЛОБА Л.Д. 9 10 ЗИНЧЕНКО А.В. ИВАХОВ В.М. 11 КВИТКИНА А.К. 12 КОЗЫРЕВА Л.В.. 13 КОЗЛОВА Н.П. 14 КАСКАРБАЕВ Ж.А. 15 КУНАНБАЕВ К.К. 16 17 18 19 20 МАЗИРОВ И.М. МОИСЕЕВ К.Г. МУХИНА И.М. НЕПРИМЕРОВА С.В. РИЖИЯ Е.Я. 21 РОГОВАЯ С.В. 22 РУКАВИЦИНА И.В. 23 24 25 26 27 РУСАКОВА И.В. САВОСЬКИНА О.А. ТОПАЖ А.Г. ХОМЯКОВ Ю.В. ЮДКЕВИЧ Ю.Д. Место работы ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный университет» ФГБНУ АФИ ФГБНУ АФИ ФГБНУ АФИ Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН АО «НИИ Атмосфера» Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН ТОО «НПЦ зернового хозяйства им. А.И. Бараева» ГГО им. А. И. Воейкова ГГО им. А. И. Воейкова Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН ФГБНУ АФИ ФГБНУ Институт агроинженерных и экологических проблем с/х производства ТОО «НПЦ зернового хозяйства им. А.И. Бараева» ТОО «НПЦ зернового хозяйства им. А.И. Бараева» РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева ФГБНУ АФИ ФГБНУ АФИ ФГБНУ АФИ ФГБНУ АФИ Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН ТОО «НПЦ зернового хозяйства им. А.И. Бараева» ФГБНУ ВНИИОУ РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева ФГБНУ АФИ ФГБНУ АФИ ЗАО «Лонас технология» 71 E-mail abramova.math@gmail.com eugene_balashov@yahoo.co.uk larisa30.05@mail.ru buchkina_natalya@mail.ru golovatskaya@imces.ru nmgolov@mail.ru golub@ifaran.ru npcecolab@mail.ru aresh-08@mail.ru viktor.ivakhov@voeikovmgo.ru aqvia@mail.ru lkozyreva@agrophys.ru natalia.kozlova@sznii.ru npcecolab@mail.ru npcecolab@mail.ru imazirov@gmail.com kir-moiseev@mail.ru muhinairina1989@gmail.com neprimerova@list.ru alen_rizh@mail.ru rogovaja7@mail.ru irukavitsina@mail.ru rusakova.iv@yandex.ru soa-18@mail.ru alex.topaj@gmail.com himlabafi@yandex.ru yudyry@gmail.com Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ПОИСК ПУБЛИКАЦИИ ПО АВТОРУ АБРАМОВА А.В. 3 КОЗЫРЕВА Л.В. 64 АНАНЬЕВА Н.Д. 50 КУНАНБАЕВ К.К. 32 АУРЕЛА М. 26 ЛАКЕЕВ П.С. 35 АХМЕТОВА Г.К. 53 ЛАРИОНОВА А.А. 29 БАЛАШОВ Е.В. 9 ЛАУРИЛА Т. 26 БОЙЦОВА Л.В. 6 МАЗИРОВ И.М. 35 БОРОТОВ Б.Н. 35 МОИСЕЕВ К.Г. 39 БУЧКИНА Н.П. 9, 23 МУХИНА И.М. 44 БЫХОВЕЦ С.С. 29 НЕПРИМЕРОВА С.В. 6 ВАСЕНЕВ В.И. 50 ПАРАМОНОВА Н.Н. 26 ВАСЕНЁВ И.И. 35 ПОЛИН В.Д. 61 ВЕРТЕБНЫЙ В.Е. 64 ПРИВАЛОВ В.И. 26 ГЛУШКОВ П.К. 35 РИЖИЯ Е.Я. 9, 23, 47 ГОЛОВАЦКАЯ Е.А. 12 РОГОВАЯ С.В. 50 ГОЛОВИНА Н.М 15 РУКАВИЦИНА И.В. 53 ГОЛУБЯТНИКОВ Л.Л. 18 РУСАКОВА И.В. 56 ДОБРОХОТОВ А.В. 64 РЫЖКОВ О.В. 50 ЖЛОБА Л.Д. 32 САВОСЬКИНА О.А. 61 ЗИНЧЕНКО А.В. 20 САЛАЧЕНОК Е.П. 53 ЗИНЧЕНКО С.И. 23 СИТДИКОВА Ю.Р. 64 ЗИНЧУК Е.Г. 6 ТОПАЖ А.Г. 3 ИВАХОВ В.М. 26 ХОМЯКОВ Ю.В. 64 ИВАЩЕНКО К.В. 50 ХОРАК Я. 47 КАЗАКОВА К.В. 26 ЩЕПЕЛЕВА А.С. 35 КВИТКИНА А.К. 29 ЮДКЕВИЧ Ю.Д. 68 КЕРН Ю. 44 72 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. СОДЕРЖАНИЕ ПОДМОДЕЛЬ СИМБИОТИЧЕСКОЙ АЗОТФИКСАЦИИ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ МОДЕЛЬНЫХ ОЦЕНОК ДИНАМИКИ АГРОЭКОСИСТЕМ В МНОГОЛЕТНЕМ РАЗРЕЗЕ АБРАМОВА А.В., ТОПАЖ А.Г. 3 СЕКВЕСТРАЦИЯ УГЛЕРОДА В ПРОФИЛЕ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ СУПЕСЧАНОЙ ПОЧВЫ РАЗНОЙ ОКУЛЬТУРЕННОСТИ БОЙЦОВА Л.В., ЗИНЧУК Е.Г., НЕПРИМЕРОВА С.В. 6 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗАКРЫТЫХ КАМЕР ДЛЯ ОЦЕНКИ ПРЯМОЙ ЭМИССИИ ЗАКИСИ АЗОТА ИЗ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОЧВ БУЧКИНА Н.П., РИЖИЯ Е.Я., БАЛАШОВ Е.В 9 ЗАПАСЫ И СКОРОСТЬ АККУМУЛЯЦИИ УГЛЕРОДА ЭВТРОФНЫМИ БОЛОТАМИ ЮЖНО-ТАЕЖНОЙ ПОДЗОНЫ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ ГОЛОВАЦКАЯ Е.А. 12 К ВОПРОСУ ПРОВЕДЕНИЯ ИНВЕНТАРИЗАЦИИ ВЫБРОСОВ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ ПРЕДПРИЯТИЯМИ И СУБЪЕКТАМИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОЛОВИНА Н.М. 15 ОЦЕНКА ЭМИССИИ УГЛЕРОДА ПОЧВАМИ РОССИИ: МОДЕЛЬНЫЙ ПОДХОД ГОЛУБЯТНИКОВ Л.Л. 18 БИОХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАЗЛОЖЕНИЯ ПОЧВЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА НА ЭМИССИЮ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ В ЗОНЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ ЗИНЧЕНКО А. В. 20 ОСОБЕННОСТИ ЭМИССИИ N2O ИЗ АГРОЭКОСИСТЕМ НА СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЕ ВЛАДИМИРСКОГО ОПОЛЬЯ ЗИНЧЕНКО С.И., БУЧКИНА Н.П., РИЖИЯ Е.Я. 23 ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКОВ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ В РАЙОНЕ ГМО «ТИКСИ» ИВАХОВ В.М., ПАРАМОНОВА Н.Н., ПРИВАЛОВ В.И., КАЗАКОВА К.В., ЛАУРИЛА Т., АУРЕЛА М. 26 ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНОЙ ФОРМЫ АЗОТА НА РАЗЛОЖЕНИЕ РАСТИТЕЛЬНОГО ОПАДА И ЛЕСНЫХ ПОДСТИЛОК КВИТКИНА А.К., ЛАРИОНОВА А.А., БЫХОВЕЦ С.С. 29 ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЕ УГЛЕРОДА В ПОЧВАХ ПРИ МНОГОЛЕТНЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ В СЕВЕРНОМ КАЗАХСТАНЕ КУНАНБАЕВ К.К., ЖЛОБА Л.Д. 32 73 Материалы научного семинара с международным участием «Эмиссия парниковых газов и секвестрация углерода в почвах», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия 14-15 октября 2015 г. ВЛИЯНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР И ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ НА ПОЧВЕННЫЕ ПОТОКИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В АГРОЭКОСИСТЕМАХ В УСЛОВИЯХ МОСКОВСКОГО РЕГИОНА МАЗИРОВ И.М., БОРОТОВ Б.Н., ГЛУШКОВ П.К., ЛАКЕЕВ П.С., ЩЕПЕЛЕВА А.С., ВАСЕНЁВ И.И. 35 ВЕЙВЛЕТ-МУЛЬТИФРАКТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭМИССИИ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ МОИСЕЕВ К.Г. 39 ВЛИЯНИЕ ГИДРОУГЛЯ НА ЭМИССИИ ЗАКИСИ АЗОТА И УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В ЛАБОРАТОРНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ МУХИНА И.М., КЕРН Ю. 44 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОБОГАЩЕННОГО АЗОТОМ И КОМПОСТОМ БИОУГЛЯ В ЗЕМЛЕДЕЛИИ РИЖИЯ Е.Я., ХОРАК Я. 47 МИКРОБНОЕ ДЫХАНИЕ ПОЧВЫ В ПОЛЕВЫХ И ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ РОГОВАЯ С.В., АНАНЬЕВА Н.Д., ИВАЩЕНКО К.В., ВАСЕНЕВ В.И., РЫЖКОВ О.В. 50 ЦЕЛЛЮЛОЗОЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЮЖНЫХ ЧЕРНОЗЕМОВ СЕВЕРНОГО КАЗАХСТАНА РУКАВИЦИНА И.В., САЛАЧЕНОК Е.П., АХМЕТОВА Г.К. 53 ТРАНСФОРМАЦИЯ СОЛОМЫ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР, ИНОКУЛИРОВАННОЙ БИОПРЕПАРАТАМИ-ДЕСТРУКТОРАМИ, В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ РУСАКОВА И.В. 56 ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ УДОБРЕНИЙ И ИЗВЕСТКОВАНИЯ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ДЫХАНИЯ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ ПРИ ВОЗДЕЛЫВАНИИИ ПОЛЕВЫХ КУЛЬТУР БЕССМЕННО И В СЕВООБОРОТЕ САВОСЬКИНА О.А., ПОЛИН В.Д. 61 ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ТРАНСПИРАЦИЕЙ И АССИМИЛЯЦИЕЙ CO2 В ПОСЕВАХ C3 И C4 КУЛЬТУР ХОМЯКОВ Ю. В., ДОБРОХОТОВ А. В., ВЕРТЕБНЫЙ В. Е., СИТДИКОВА Ю. Р., КОЗЫРЕВА Л.В. 64 ПАРНИКОВЫЕ ГАЗЫ. ВЗГЛЯД ТЕХНОЛОГА. ЮДКЕВИЧ Ю.Д. 68 СПИСОК УЧАСТНИКОВ 71 ПОИСК ПУБЛИКАЦИИ ПО АВТОРУ 72 74 ДЛЯ ЗАМЕТОК ЭМИССИЯ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ И СЕКВЕСТРАЦИЯ УГЛЕРОДА В ПОЧВАХ РАСШИРЕННЫЕ ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ СЕМИНАРА С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ, САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, 14-15 ОКТЯБРЯ 2015 ГОДА. Формат 60×84/16. Заказ № 5. Тираж 100. Отпечатано в ФГБНУ АФИ 195220, Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14.
