Динамика эмиссии углекислого газа в посевах кукурузы при внесении различных доз органических удобрений

Введение. Наблюдение за изменением климата и факторов, влияющих на него, происходит достаточно давно, однако в последнее десятилетие отмечается существенное повышение температуры земного шара [1, 2]. Связывают это с повышением уровня концентрации парниковых газов в слоях атмосферы из-за увеличения антропогенных выбросов в результате интенсификации производств, сжигания и добычи ископаемых, а также из-за активно развивающегося сельского хозяйства [3]. По мнению некоторых исследователей, сельское хозяйство действительно оказывает существенный вклад в глобальную картину эмиссии парниковых газов антропогенного характера, где доля отрасли АПК достигает более четверти [4]. Особое внимание уделяется отрасли растениеводства, а именно дыханию почвы, которая при нарушении естественного процесса почвообразования в результате введения почв в сельскохозяйственный оборот приводит к нарушению естественно сложившегося баланса углерода в почве в сторону его снижения [5, 6]. По некоторым данным от 40 до 50 % всех выбросов диоксида углерода в мире связывают с почвенным дыханием агро-генных почв [4]. Однако полученные подсчеты

76-10005 from the Russian Science Foundation.

крайне грубые и получены расчетным методом с учетом среднестатистических мировых значений, без акцента на зональные особенности региона, погодных условий, типов почвы, уровня агротехники, интенсивности использования пашни, структуры севооборотов и т. д., которые, как показывают исследования, оказывают весомый вклад в интенсивность почвенного дыхания [7, 8]. В связи с этим для получения уточненных данных необходимо проведение исследований с учетом зональности и особенностей ведения сельского хозяйства в конкретных условиях. Изменение интенсивности дыхания почвы также существенно зависит от используемых видов удобрений и их норм [9]. Влияние различных видов минеральных удобрений и норм на изменение интенсивности эмиссии диоксида углерода неплохо изучены как в мире [10, 11], так и в России [12–14], хотя имеют ряд недостаточных сведений по зональному принципу. Исследований по влиянию различных видов и норм внесения органических удобрений в мировой литературе присутствует достаточно [15–17], однако отечественных исследований крайне мало. Связано это с тем, что минеральные удобрения используются повсеместно практически под все сельскохозяйственные культуры, применение органических удобрений ограничено лишь определенными культурами. С учетом набирающего тренда перехода на органическое (биологическое) сельское хозяйство для получения органической продукции или продукции с улучшенными характеристиками начинает проявляться интерес по использованию органических удобрений [18, 19]. При дальнейшем развитии тренда существует реальный переход на органическую систему земледелия в большинстве регионов страны. Однако скудные отечественные данные вклада органических удобрений в глобальную эмиссию углерода не позволяют прогнозировать и получить достоверные результаты влияния данного перехода на климатические изменения. Исходя из этого можно сделать вывод, что для получения истинных значений влияния фактора (органические удобрения) в глобальную эмиссию углерода в агросистемах в локальных и общемировых значениях, необходимо проведение комплексных исследований в определенных климатических зонах, почвенных условиях и при определенном уровне агротехники.

Цель исследования – установить влияние уровня внесенных органических удобрений на изменение интенсивности эмиссии углекислого газа с поверхности почвы под посевами кукурузы.

Материалы и методы. Исследование проводили в 2024–2025 гг. на черноземе выщелоченном. Данный тип почвы является одним из основных наиболее распространенных в лесостепной зоне Зауралья [20]. Основные агрохимические характеристики почвы был следующими: содержание гумуса – (7,07 ± 2,1) % (ГОСТ 26213); рН солевой вытяжки – (5,4 ± 0,4) ед. рН (ГОСТ 26482); нитратный азот – (11,6 ± 8,3) мг/кг (ГОСТ 26951); содержание подвижного фосфора и калия по Чирикову – (55 ± 29) и (103 ± 44) мг/кг (ГОСТ 26204). Исследование проводили в зернопропашном севообороте (кукуруза, яровая пшеница, овес) в посевах кукурузы. Схема опыта предусматривала варианты с внесением органических удобрений в дозах 30, 60 и 90 т/га. В качестве контроля использовали вариант с естественным плодородием почвы. Органические удобрения вносили осенью разбрасывателем РОУ-6 перед проведением основной отвальной обработки почвы на глубину 20–22 см. Под кон- трольный вариант удобрения не вносили. Органические удобрения имели следующие агрохимические характеристики: общий азот – (0,41 ± 0,11) %; фосфор – (0,21 ± 0,07) %; калий – (0,44 ± 0,17) %. После внесения необходимых доз органических удобрений проводили отвальную обработку почвы на глубину 20–22 см. Весной проводили боронование в два следа, в дальнейшем – культивацию на глубину 8–10 см и посев кукурузы сеялкой точного высева. После этого прикатывали кольчато-шпоровыми катками. Норма высева семян составляла 80 тыс/га. В фазу 5–6-го листа кукурузы была проведена обработка посевов гербицидом «МайсТер Пауэр» с нормой расхода препарата 1,5 л/га. Уборку проводили в фазу молочно-восковой спелости зерна кормоуборочным комбайном (август-сентябрь). Размер опытных делянок – 300 м2, учетных – 100 м2. В период теплого времени (май – октябрь) проводили измерения эмиссии углекислого газа каждые 10–16 сут. Для этого использовали систему PRI-8610. Замеры на каждом варианте проводили в трехкратном повторении. Статистическую обработку данных проводили в MS Excel и программной надстройки AgStat. Оценка значимости коэффициентов асимметрии и эксцесса основана на предположении о нормальности распределения выборочных As и Ex. Значимыми эти коэффициенты признаются, если они превышают свою утроенную ошибку, зависящую от объема выборки, соответственно 76/(n + 3) и 724/(n + 5), где n - объем выборки.

Погода в исследуемые года была абсолютно различная, что положительно сказалось на оценке влияния данного фактора на продуцирование диоксида углерода. 2024 г. был увлажненный, ГТК достигал 1,4 ед. Избыток осадков приходился на май, июнь и август (рис. 1). Существенного недостатка осадков при этом отмечено не было. Температура воздуха, начиная с середины лета до конца вегетации, была немного выше средних многолетних значений. В 2025 г. ГТК составлял 1,2 ед., избыточное количество осадков приходилось на сентябрь, а недостаток отмечался в июне и августе. Температура воздуха в мае, июне, августе и сентябре была выше средних многолетних значений.

Средняя температура Температура 2025 г.

Осадки 2024 г.

Температура 2024 г.

Среднее количество осадков

Осадки 2025 г.

Рис. 1. Погодные условия 2024–2025 гг. Weather conditions 2024–2025

Результаты и их обсуждение. В посевах кукурузы в течение вегетации эмиссия диоксида углерода менялась в широком диапазоне и существенно зависела от погодных условий и уровня внесенных органических удобрений. В 2024 г. на контроле в мае скорость эмиссии углекислого газа составляла 36,2 кг СО 2 /га в сутки (рис. 2). В дальнейшем в начале лета эмиссия возрастала практически в три раза относительно весенних значений, а к середине лета повышалась еще на 40 % относительно значений июня. В последний месяц лета средняя скорость эмиссии в сутки находилась на одном уровне со значениями, полученными в июне. В сентябре интенсивность эмиссии уменьшилась практически в два раза относительно предыдущего месяца – 63,3 кг СО 2 /га в сутки. К октябрю скорость эмиссии углекислого газа в сутки снизилась относительно сентября в 10 раз, до 6,5 кг СО 2 /га в сутки.

Изменение скорости почвенного и корневого дыхания связано в первую очередь с изменением температуры почвы, которая, по отмеченным ранее данным, повышается с начала вегетации до середины июля и в дальнейшем остывает [21]. Происходит это, во-первых, из-за изменения атмосферной температуры (рис. 1), которая напрямую влияет на температурный режим почвы. Во-вторых, из-за различной активности солнечной радиации в течение вегетации, которая к тому же с увеличением биомассы растений в меньшей степени доходит до поверхности почвы и оказывает влияние на температуру почвы [22]. В-третьих, после июня происходит посте- пенное уменьшение светового дня, что снижает долю влияния солнечной радиации на температурный режим почвы. Дополнительным фактором прочной активности эмиссии диоксида углерода может являться корневая система растений, которая участвует в газообмене и в зависимости от ее массы и диффузии питательных веществ из почвы вклад в почвенный газообмен может меняться [23].

Внесение органических удобрений приводило к повышению скорости почвенного и корневого дыхания, что подтверждается более высокой скоростью эмиссии СО 2 . В 2024 г. при использовании дозы органических удобрений в 30 т/га продуцирование углекислоты было практически на 60 % больше, чем на контрольном варианте. Вектор изменения скорости эмиссии диоксида углерода при этом был смежным с контролем на протяжении всей вегетации. В июне дыхание почвы относительно контроля было выше на 31 %, а в июле – на 40 %, где оно достигало отмеченного максимума в 257 кг СО 2 /га в сутки. В августе значения продуцирования СО 2 были выше, чем на контрольном варианте на 28 %, а в сентябре – на 35 % и опускались при этом относительно предыдущего измерения на 29 и 52 % соответственно. В октябре средние значения эмиссии углекислого газа были на одном уровне с контролем.

На варианте с внесением 60 т/га органических удобрений эмиссия диоксида углерода была с мая по сентябрь выше контроля на 39–102 % (31,5–128,5 кг СО2/га в сутки). Динамика измене- ния при этом была смежная с контролем, где с мая до июля происходит подъем скорости эмиссии, после чего с августа по октябрь наблюдался спад. Наибольший размах вариации между контролем по значениям эмиссии диоксида углерода был отмечен в июле, а наименьший – в октябре. Стоит отметить, что, начиная с данного варианта и в дальнейшем, на более удобренном фоне наблюдались статистические отклонения от контроля, где среднемесячная эмиссия углекислого газа в октябре была выше на 19,7 кг СО2/га в сутки (НСР05 = 13,6 кг СО2/га в сутки).

На варианте с нормой внесения 90 т/га органических удобрений динамика изменений была схожей с другими исследуемыми вариантами. Однако среднемесячные значения эмиссии были существенно выше. В мае продуцирование диоксида углерода было более чем в 2,5 раза выше контроля, а в июне и июле среднемесячная эмиссия диоксида углерода была выше на 80–81 %. Сентябрь и август также отмечался более высокой скоростью почвенного дыхания, в сравнении с контролем эмиссия на этом варианте была выше на 66 и 58 %, а в октябре дыхание почвы было выше в 4,5 раза.

Увеличение скорости дыхания почвы с повышением доз внесения органических удобрений в течение вегетации связано с рядом определенных причин. Первая – это внесение в почву дополнительных источников питания с органическими удобрениями, что приводит к изменению привычной среды обитания почвенных микроорганизмов и влияет на их функциональную организацию, а так же изменяет их активность и дыхание [24]. Вторая причина связана с тем, что на варианте без применения удобрений нарушается биогеохимический цикл азота, который влияет на активность почвенного дыхания и численность почвенной микробиоты из-за значительного выноса данного элемента основной продукцией, в то время как на удобренных органическими удобрениями вариантах он восполняется [25]. Третья причина объясняется тем, что внесение органических удобрений способствует увеличению численности микробной массы почвы в 1,3–2,0 раза по сравнению с вариантом без использования удобрений, а это, в свою очередь, сказывается на интенсивности биохимических процессов, протекающих в почве и, как следствие, эмиссии диоксида углерода [26]. Подобных выводов придерживаются значи- тельное количество исследователей, которые отмечают, что применение органических удобрений способствует повышению численности микробиоты почвы и интенсивности эмиссии пашни [27–30].

В мае 2025 г. эмиссия диоксида углерода на контроле была идентична значениям предыдущего года и составляла 50,5 кг СО 2 /га в сутки (НСР 05 = 19,3 кг СО 2 /га в сутки). В дальнейшем, как и в предыдущий 2024 г., тенденция по изменению интенсивности эмиссии была схожая и повышалась до середины лета, после чего начинала опускаться. В июле средняя скорость продуцирования углекислого газа в сутки была в два раза выше майских значений – 100,9 кг СО 2 /га в сутки, однако относительно значений 2024 г. эмиссия СО 2 была ниже на 24 % (31,1 кг СО 2 /га в сутки). Высокая эмиссия в 2024 г. может быть связана с более высоким количеством осадков на фоне примерно одинаковой температуры воздуха (см. рис. 1) в сравнении с 2025 г., которые обеспечивали более интенсивное развитие микробных сообществ почвы, что и повышало дыхание. В июле интенсивность продуцирования диоксида углерода продолжала повышаться относительно июня на 96,3 кг СО 2 /га в сутки, однако относительно прошлого года в этом месяце статистически значимых отклонений не обнаружено. В августе среднесуточная эмиссия диоксида углерода снижалась относительно значений июля на 16 % (32,0 кг СО 2 /га в сутки). Относительно 2024 г. при этом отмечалось более интенсивное дыхание, которое было больше на 34,3 кг СО 2 /га в сутки. Связано это может быть с более высокой температурой воздуха (см. рис. 1), которая способствовала наиболее благоприятному температурному режиму почвы, что приводило к более интенсивным биохимическим процессам, протекающим в почве. Вторым фактором, влияющим на данный показатель, может являться поздний посев кукурузы, что приводило к высокому вкладу корневой системы в общую эмиссию в этом периоде. В сентябре эмиссия диоксида углерода опускалась на 77,2 кг СО 2 /га в сутки относительно конца лета. При этом эмиссия была выше прошлого года на 24,7 кг СО 2 /га в сутки по причине более поздней уборки кукурузы, в связи с чем корневая система оказывала больший вклад в почвенное дыхание. В октябре эмиссия СО 2 опускалась до минимума и была в 10 раз ниже значений прошлого месяца.

май        июнь       июль       август     сентябрь октябрь

■ Контроль     36,2  50,5  132,0 100,9 183,0 197,2 130,9 165,2  63,3  88,0   6,5   8,3

■ Навоз 30 т/га  56,9  58,4  172,8 126,9 256,8 255,9 166,9 188,1  85,5  109,0  13,4   9,8

■Навоз 60 т/га  73,2  68,4  211,5 139,9 311,5 311,1  182,5 212,2  94,9  128,2  26,2  10,6

■Навоз 90 т/га  92,8  73,6  237,6 147,3 331,8 340,8 217,2 242,4  99,9  148,1  29,6  11,6

Фактор А – дозы удобрений НСР 05 =13,6 кг С/га; Фактор В – период вегетации НСР 05 =22,1 кг С/га;

Фактор С – годы исследований НСР 05 =19,3 кг С/га.

Рис. 2 – Динамика эмиссии диоксида углерода в течение вегетации в посевах кукурузы при внесении различных доз органических удобрений, кг СО 2 /га в сутки Dynamics of carbon dioxide emissions during the growing season in corn crops with the application of different doses of organic fertilizers, kg CO 2 /ha per day

Эмиссия диоксида углерода в мае 2025 г. на варианте с внесением в почву 30 т/га органических удобрений статистически значимо не отличалась от значений, отмеченных в этом году на контроле. В июне дыхание почвы было на 26 кг СО 2 /га в сутки больше, чем на контрольном варианте. В сравнении с 2024 г. значения почвенного дыхания были меньше на 45,9 кг СО 2 /га в сутки. В июле эмиссия на данном участке повышалась до 255,9 кг СО 2 /га в сутки и была выше контроля на 30 % (58,7 кг СО 2 /га в сутки). Отличий с прошлым годом в этом месяце на данном варианте отмечено не было. В августе происходило уменьшение скорости дыхания почвы на 67,8 кг СО 2 /га в сутки относительно прошлого месяца. Дыхание при этом было выше, чем на контроле, на 14 % (22,9 кг СО 2 /га в сутки). В сентябре продуцирование углекислого газа снижалось до средних значений в месяц на уровне 109,0 кг СО 2 /га в сутки, что меньше предыдущего месяца на 79,1 кг СО 2 /га в сутки и выше, чем на контроле, на 21,0 кг СО 2 /га в сутки. В октябре дыхание снизилось до уровня 9,8 кг СО 2 /га в сутки и статистически значимо не отличалось как от контроля, так и от значений предыдущего года.

На варианте с внесением 60 т/га органических удобрений в мае эмиссия диоксида углерода была выше контроля на 17,9 кг СО 2 /га в сутки. В июне дыхание в посевах на данном варианте повышалось до 139,9 кг СО 2 /га в сутки и было выше контроля на 39,0 кг СО 2 /га в сутки. Однако относительно 2024 г. значения эмиссии углекислого газа были на 34 % ниже. В июле дыхание почвы возрастало до пиковых значений в 311,1 кг СО 2 /га в сутки, что в два раза больше, чем в предыдущем месяце. Относительно контроля продуцирование углекислого газа было на 58 % выше, при этом в сравнении с прошлым годом отличий с данным вариантом не наблюдалось. В августе отмечено понижение скорости эмиссии углекислого газа на 98,9 кг СО 2 /га в сутки относительно июля. В сравнении с контролем дыхание почвы в этом месяце было на 28 % выше, также, как и в сравнении с значениями предыдущего года, эмиссия была данном варианте на 29,7 % выше. Осенью дыхание почвы снижалось на 84 кг СО 2 /га в сутки, несмотря на это эмиссия была выше контроля на 46 % и на 35 % выше значений 2024 г. В октябре отмечались, как и на других менее удобренных вариантах, минимальные значения – 10,6 кг СО 2 /га в сутки.

На варианте с максимальным уровнем внесения органических удобрений среднесуточная эмиссия в мае была на уровне прошлого года. В июне среднемесячное дыхание выросло более чем в два раза и было больше контрольного варианта на 46,4 кг СО 2 /га в сутки. При сравнении значений с прошлым годом эмиссия была меньше на 90,3 кг СО 2 /га в сутки. В июле, как и на всех остальных вариантах в независимости от года исследований, отмечалась максимальная скорость продуцирования диоксида углерода, которая достигала 340,8 кг СО 2 /га в сутки и статистически значимо не отличалась от значений предыдущего года. Относительно контроля дыхание почвы при этом было на 73 % выше. В августе происходило отмеченное ранее на других вариантах снижение интенсивности продуцирования углекислого газа на 98,4 кг СО 2 /га в сутки. Эмиссия СО 2 при этом была выше контроля на 77,2 кг СО 2 /га в сутки и выше значений прошлого года на 25,2 кг СО 2 /га в сутки. В сентябре скорость дыхания опускалась до 148,1 кг СО 2 /га в сутки и была выше, чем на контрольном варианте, практически в два раза и в 1,7 раза выше значений предыдущего года. В октябре скорость дыхания почвы статистически значимо не отличалась от контроля и значений предыдущего года.

Проведя статистический анализ данных (табл. 1), было установлено, что среднее значение скорости эмиссии за вегетацию кукурузы в 2024 г. (май – октябрь) составляло (99,8 ± 10,8) кг СО2/га в сутки. Медиана выборки проходила смежно с незначительными отклонениями, что свидетельствует о правильном распределении значений. Стандартное отклонение от среднего значения выборки достигала 61,9 кг СО2/га в сут- ки. Эксцесс составлял –1,3, асимметричность была нормальной. Вариация достигала 62,0 %. На всех вариантах с применением органических удобрений коэффициент эксцесса был на уровне –1,0…–1,3, а асимметричности на уровне 0,21…0,33. Поскольку отношение модулей коэффициента асимметрии и показателя эксцесса к их ошибкам репрезентативности не превышает 3, можно считать, что распределение значений выборки не имеет существенных отклонений от нормального по всем вариантам опыта. При использовании навоза в дозе 30 т/га среднее значение генеральной совокупности относительно контроля повышалось на 35,8 кг СО2/га в сутки. Медиана на данном варианте была выше среднего значения на 24,1 кг СО2/га в сутки, что говорит об отклонении в распределении выборки. Вариация при этом была практически на уровне контроля – 62,8 %. На варианте с внесением под основную обработку почвы 60 т/га органических удобрений среднее значение и стандартная ошибка были выше контроля на 61,4 кг СО2/га в сутки и 6,1 кг СО2/га в сутки соответственно. Медиана проходила практически идентично среднему значению, а вариация была практически идентична на других вариантах очень высокой – 60,4 %. На варианте с максимальным уровнем использования органических удобрений среднее значение повышалось практически в два раза относительно контроля, а стандартная ошибка увеличивалась на 7,8 кг СО2/га в сутки. Медиана проходила ниже среднего значения на 19,3 кг СО2/га в сутки. Вариация хоть и была меньше, чем на других вариантах, оставалась также очень высокой –

59,1 %.

Таблица 1

Статистические характеристики эмиссии диоксида углерода в посевах кукурузы при внесении различных доз органических удобрений в 2024 г., кг/га в сутки Statistical characteristics of carbon dioxide emissions in corn crops with the application of different doses of organic fertilizers in 2024, kg/ha per day

Вариант	Контроль	Навоз, т/га
		30	60	90
Среднее	99,8	135,6	161,2	180,8
Стандартная ошибка	10,8	14,8	16,9	18,6
Медиана	101,7	159,7	161,9	161,5
Стандартное отклонение	61,9	85,2	97,4	106,9
Эксцесс	–1,3	–1,1	–1,0	–1,3
Асимметричность	0,05	0,21	0,33	0,29
Коэффициент вариации, %	62,0	62,8	60,4	59,1

В 2025 г. на всех изучаемых вариантах отмечался незначительный отрицательный эксцесс, что говорит о плосковершинном распределении выборки (табл. 2). Несущественная положительная асимметричность показывает, что смещение выборки незначительно в сторону больших значений среднего. На контроле среднее значение эмиссии за вегетацию было выше прошлогодних значений на 13,8 кг СО 2 /га в сутки, а стандартное отклонение больше на 0,4 кг СО 2 /га в сутки из-за более высоких значений выборки. Медиана была практически идентичная среднему значению. Коэффициент вариации при этом был ниже, чем в прошлом году, на 5,6 %. На варианте с применением 30 т/га органических удобрений среднее значение за вегетацию было выше контроля на

Таблица 2

Статистические характеристики эмиссии диоксида углерода в посевах кукурузы при внесении различных доз органических удобрений в 2025 г., кг/га в сутки Statistical characteristics of carbon dioxide emissions in corn crops with the application of different doses of organic fertilizers in 2025, kg/ha per day

26,1 кг СО 2 /га в сутки и было выше прошлогодних значений на 4,1 кг СО 2 /га в сутки. Стандартное отклонение отличалось от значений прошлого года на 0,6 кг СО 2 /га в сутки. Медиана проходила на 6,5 кг СО 2 /га в сутки ниже значений среднего. Коэффициент вариации при этом увеличивался относительно контроля на 2,2 %. На варианте с внесением в почву 60 т/га навоза среднее значение выборки относительно контроля было на одном уровне с прошлым годом. При распределении значений выборки медиана была ниже среднего значения на минимальное количество в 3,3 кг СО 2 /га. На варианте с применением навоза в дозе 90 т/га средняя эмиссия за вегетацию составила 187 кг СО 2 /га.

Вариант	Контроль	Навоз, т/га
		30	60	90-
Среднее	113,6	139,7	162,7	187,0
Стандартная ошибка	11,2	14,2	16,9	19,4
Медиана	111,3	133,2	159,4	183,6
Стандартное отклонение	64,1	81,3	96,9	111,4
Эксцесс	–0,4	–0,4	–0,3	–0,9
Асимметричность	0,3	0,3	0,4	0,2
Коэффициент вариации, %	56,4	58,2	59,6	59,6

Заключение. Эмиссия диоксида углерода в течение вегетации кукурузы с мая по июль увеличивалась на контроле с 36,2–50,5 до 183,0– 197,2 кг СО 2 /га в сутки и в дальнейшем снижалась к середине осени до 6,5–8,3 кг СО 2 /га в сутки. На удобренных вариантах динамика почвенного дыхания имела схожую направленность, однако была с мая по сентябрь на 21–149 кг СО 2 /га в сутки выше. В избыточно увлажненный год при

ГТК, равном 1,4 ед., скорость продуцирования СО 2 на исследуемых вариантах была выше в июне на 31,1–90,4 кг/га, а в августе и сентябре ниже на 21,2–48,2 кг/га в сравнении с периодом при ГТК = 1,2 ед. Коэффициент сезонного варьирования эмиссии углекислого газа в течение вегетации составлял 56,4–62,0 % и практически не отличался за годы исследований.