Изучение многолетней динамики внесения минеральных и органических удобрений в Республике Хакасия за 1966-2022 гг.

Введение. Обязательный регулярный мониторинг питательных веществ в значительной степени способствует сохранению плодородия почв. Подробный баланс свободных и связанных элементов питания растений (минеральные и органические состояния) позволяет иметь представление о количественных уровнях элементов в почве в зависимости от поступления и расходования. Снижение количества биогенных элементов, в т. ч. и углерода, способствует снижению устойчивости агроландшафтов и, как следствие, уменьшению урожайности сельскохозяйственных культур и ухудшению его качества.

Республика Хакасия расположена в югозападной части Восточной Сибири в левобережной части бассейна реки Енисей, на территориях Саяно-Алтайского нагорья и ХакасскоМинусинской котловины. Площадь территории – 61 569 км2.

Климат резко континентальный, с сухим жарким летом и холодной малоснежной зимой. Среднегодовое количество осадков около

300 мм/год в степной зоне, где расположены сельскохозяйственные угодья. В Хакасии преобладают юго-западные ветры. Сильные ветры характерны для весеннего периода, нередко они приводят к возникновению пыльных бурь. Территория республики относится к зоне рискованного земледелия.

В 2021 г. площадь земель сельскохозяйственного назначения составила 1871,9 тыс. га (30,4 % земельного фонда республики), включая 649,8 тыс. га пашни, 825,8 тыс. га пастбищ и 39,7 тыс. га залежей. Почвенный покров развит в соответствие с геоморфологическими и климатическими особенностями процессов почвообразования. В Хакасии площади пашни приходится: на черноземы – 80,11 % (из них 51,85 % обыкновенные черноземы, южных, выщелоченных и опод-золенных соответственно по 20,68; 7,34 и 0,24 %); на каштановые и темно-каштановые почвы – 13,05 %, а луговых черноземных – всего 2,56 % [1].

Согласно государственному докладу «О состоянии окружающей среды Республики Хакасия в 2021 году» среднегодовой суммарный баланс элементов питания в земледелии республики за время наблюдений (1966–2021 гг.) складывался отрицательно, причем величина дефицита его тесно связана с уровнем химизации и использования органических удобрений. Наименьшего значения (–15,9 кг/га) он достиг в годы максимальной интенсификации сельскохозяйственного производства в 1986–1990 гг. [1].

С другой стороны, органическое вещество почв является главным и экологически безопасным поглотителем углекислого газа из атмосферы. Баланс содержания углерода и азота является важнейшим критерием эффективности ведения земледелия с учетом переориентации сельского хозяйства на углеродонейтральность [2]. При модельных расчетах поглощения и выделения парниковых газов важно учитывать, сколько и какое время запасается углерод в фитомассе растений. Расчетные данные необходимы для вычисления углеродонейтральности региона [3].

Цель исследования – произвести обобщенный анализ многолетней динамики внесения минеральных и органических удобрений на пашне в Республике Хакасия за период 1966– 2022 гг. с позиций накопления углерода в почве.

Задачи: охарактеризовать величину внесения минеральных и органических удобрений в пашню Хакасии в длительном временном лаге (1966–2022 гг.); проанализировать поступления углерода в почву с удобрениями и растительными остатками.

Объект и методы. Объектом исследования является многолетняя динамика минеральных и органических удобрений. В качестве исходных данных урожайности зерновых и других культур были собраны данные из отчетов Министерства сельского хозяйства Республики Хакасия (URL: .

Количество углерода определяли расчетным методом согласно Приказу Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации «Об утверждении методик количественного определения объемов выбросов парниковых газов и поглощений парниковых газов» от 27.05.2022 г. [3]:

Cfert =∑i(Орᴦi∗copг_ +∑i(Минj∗cмин_ , где Cfert – поступление С с органическими и минеральными удобрениями, т С · год–1; Орᴦi– внесение органических удобрений в почвы в расчете на фактический вес по видам органических удобрений i, т органических удобрений по видам ∙ год–1; c opг_ – содержание углерода в сыром веществе разных видов органических удобрений, подготовленных к внесению в почвы, т С/т органического удобрения; Минj – внесение минеральных удобрений в почвы по видам минеральных удобрений j, т действующего вещества минеральных удобрений по видам ∙ год–1; c мин_ – содержание углерода в разных видах минеральных удобрений, т С/т действующего вещества минеральных удобрений.

Был сделан ряд допущений, в целом различия между количеством питательных элементов в стандартных удобрениях не превышают 10– 15 %, в качестве основного органического удобрения в Хакасии применяется подстилочный навоз, основной тип почв – чернозем.

Массу углерода, поступающего в почвы с пожнивными остатками (С аb ) и корневыми остатками (C un ) растений, рассчитывали по формулам [3]

С plant =С ab + С un ,

С ab или Сun =∑i((a^i + bi)∙Ci)∙^i , где Cab – масса углерода, поступающего в почвы с пожнивными остатками и корневыми остатками (Cun) культурных растений определенного вида i, кг С · год–1; Cplant – поступление С с органическими и минеральными удобрениями, т С · год–1; Yt – урожайность основной продукции данной культуры, ц сухого вещества ∙ га–1; (^i и bi – соответствующие коэффициенты для расчета массы пожнивных (или корневых) остатков данной сельскохозяйственной культуры при определенном уровне урожайности; Сi– содержание углерода в биомассе данной культуры, кг С/кг сухой массы–1; S^ – посевная площадь данного вида растений, га.

После расчетов значения переводились в тонны (т).

Статистическая обработка материалов включала расчет среднего арифметического и ошибки среднего арифметического.

Результаты и их обсуждение. По данным Министерства сельского хозяйства Республики Хакасия, в основном выращивают пшеницу, ячмень и овес, гречиху, овощи (картофель, морковь, свеклу), однолетние и многолетние травы (рис. 1).

95007,02

49562,8

4940,3

6955,3

2232,7

16204,3

□ ячмень

□ прочие

□ многолетние травы

• □    пшеница

• □    гречиха

• □    однолетние травы

  
  

  a овес

  в овощи

  
  

  Рис. 1. Структура пашни в Республике Хакасия в 2022 г., тыс. га

  Данные по внесению минеральных и органических удобрений в Республике Хакасия с 1966 по 2022 г. представлены в таблице. Площадь пашни сократилась с 732,0 тыс. га в 1966 г. до 559,6 тыс. га в 2022 г. Исторический минимум и максимум зафиксированы соответственно для площади пашни в 2004 г. (407 тыс. га) и в период с 1962 по 1988 г. включительно (732 тыс. га). В среднем площадь пашни в наблюдаемый период составила 629,4 ± 13,7 тыс. га.

Для минеральных удобрений минимумы и максимумы зафиксированы соответственно в 2004 (644,1 т) и 1989 гг. (37 830,6 т). В 2022 г. количество внесенных минеральных удобрений составило 3620,6 т, что сопоставимо с макси- мумом в наблюдаемом периоде. С органическими удобрениями ситуация отличается: минимум наблюдали в 2014 г. (нет данных о внесении органических удобрений), максимум – также в 1989 г. (1905 т). В 2022 г. количество внесенных органических удобрений составило 65,1 т, что намного ниже вышеуказанного максимума.

Общая сумма внесенных за весь период наблюдений составила для азотных удобрений – 271 211,1 т, для фосфорных – 192 255,3 и для калийных – 57 143,0 т. Между различными годами отмечены значительные отличия.

Расчетные запасы углерода в удобрениях, внесенных в пашню, представлены на рисунке 2.

^ 25000

в в

5 20000

a.

VO и 15000

и

Й 10000

« в м 5000

ЧООООС^хГЧООООСЧхГЧООООСЧхГЧООООСЧхГЧООООСЧхГЧООООСЧ ЧОЧОГ-Г-Г-Г-Г-ОСОСОСОСОССЛСЛОСЛСЛООООО^^^^^ГЧГЧ rtrtrt^rtrtrtrt^^rtrtrt^^rtrt^^^^^^^^^^^^

• ■    Смин ■ Сорг

  Рис. 2. Запасы углерода в удобрениях (Республика Хакасия, 1966–2022 гг.)

>s s z 0) Q.

Ю о

>* x

^ о Ф s z CQ

Q. О

s

x

Л z я Q. Ф Z s S

Ф s z Ф о Ф z co

3 2 £ co £ S’ H о i=

о ci со

CD ci CO

CD ci co

CD ci co

ci CM

cd" co

OO CD in

CM ci

CO co" in

in" ^

CM cd" in in

co cd" in in

co cd" in in

Ф Ю о Ф Ф X Ф О

X X 3 05 X 05

Т— т—

T—

T—

ci

T— T—

CO cd"

CD cd"

CO cd"

CO cd"

cd"

cd"

CM cd"

1— о н

ОО ci CD

oo LO OO CD т—

LT? CM CD т—

cn in CM T—

cd" co T—

cd" in

cn oo

co"

CD CD

oo CD

CD CO

co

in co

cd ci 1— of X Ф Ю о X c; 05 Ф X s

X 3 05 X 05

cn

т— CM

LO cd" CM

CD cd" T—

cn

OO т—

co"

CD oo"

in co"

Y

CD т—

cn CD т—

CD LO CD т—

co in CM

CD ci CD co

CM oo" CD co T—

in co

in"

°° CD CM

CN CO

co co

cd" co in

CL

CD CD

CM ci oo nj

CO oo" LO

CD CD CM T—

co ci CD oo in

°° co oo

^ in co

CD cd" CD

CD co" CD

in ci oo co

co in"

co ci in

z

CN

co co' CD

CM cd' CD

co co" T—

in co in T—

CD ci oo co

cn co" co T—

oo oo"

in oo" CD OO

c7 CD CM

co oo" in T—

cd" co T—

in oo" co in CM

о Ф о 00

°° CD CM CO

CD CD CD OO

OO cd" CM LO т—

co in in in CM

cd" ^ co

oo ci CD T—

cd" in CM

in" CD CD

c7 co" co in T—

co in" CD oo CM

oo in" oo T—

co" oo in CM

co cd" CM co co

ci 05 3 о с; X СК 05 X X ф ю о се

05 ।_____

CD CN CO

CM 1П

OO co

cn s

?

cn

oo x—

cd" CO

co oo" co

co о

in co

CD

cn LO

05 ।_____ О н

CD ОС? CD

CD co' CM CM

oo co' CM CM

in co co

T—

cn co" co

oo co" co

CO co" CM

о

co

co in

oo oo" in

cn co" co

Cl о 1________

CD CD co co CD т—

LO CD 7 T— CD т—

CD OO CD 7" CO CD т—

in oo CD 7" oo CD T—

CD CD CD 7" co oo CD T—

in CD CD 7" CD CD т—

CD CD CD CM 1 co CD CD т—

in CD CD CM 1 CD CD CM

CD CD CM 1 CO CD CD CM

in CD CM 1 CD CM

CD CM CD CM 1 co CD CM

CM CD CM

CM CM CD CM

Как видно из рисунка 2, запасы углерода в органических удобрениях (92 %) преобладали над минеральными удобрениями (7 %). Всего за наблюдаемый период внесено 395 871,9 т, из них органических – 33 623,0 и 362 248,8 т.

В целом с 1966 по 1990 г. внесение углерода с удобрениями имело выраженный положительный тренд с 10 000 до 25 000 т, большинство удобрений являлись органическими (в основном подстилочный навоз). С 1990 г. наблюдалось снижение внесения углерода с удобрениями до 1999 г. Пониженные значения запасов углерода наблюдали до 2005 г., а после начался рост внесения удобрений и соответственно углерода, но он не достиг уровня 1993 г. или начала наблюдаемого периода 1966 г.

В период с 1966 по 1993 г. в перерасчете на площадь пашни преобладали органические удобрения (0,548 т/га), что в 5 раза больше, чем количество внесенных минеральных удобрений (0,107 т/га) за этот же период. С 1994 по 2022 г. проявлялась обратная закономерность. Количество внесенного углерода в пашни с минеральными удобрениями составило 0,102 т/га, тогда как органического удобрения было внесено в среднем 0,046 т/га. Если доля минерального удобрения в период с 1966 по 1993 г. составля- ла 17,1 %, то с 1994 по 2022 г. – 73,8 %. Причины этого очевидны – экономические (стоимость удобрений) и организационные (необходимость развития логистики для целей внесения органических удобрений) факторы.

Размах данных по углероду в минеральных удобрениях составил 40,5–2 750,2 т, для органических 0–22 993,4 т. В 2022 г. общее количество внесенных удобрений было равно 3 685,7 т, в них содержалось 1133,1 т углерода, из них 347,3 т в минеральных и 785,8 т в органических удобрениях.

Таким образом, отмечено снижение количества углерода, поступающего с удобрениями, в особенности с органическими. Оценки могут быть уточнены за счет учета точного состава удобрений, используемых в хозяйствах Хакасии, так как для расчетов использовались усредненные значения показателей.

Удобрения оказывают положительное влияние на рост растений и увеличивают количество растительных остатков после уборки урожая. При этом изменяется и углеродный баланс экосистем. В связи с этим был проведен анализ валовых значений поступления углерода с растительными остатками в 2022 г. (рис. 3–5).

Рис. 3. Поступление углерода с остатками зерновых и зернобобовых растений (Республика Хакасия, 2022 г.)

Рис. 4. Поступление углерода с остатками овощных и масличных культур (Республика Хакасия, 2022 г.)

Рис. 5. Поступление углерода с остатками силосных растений и трав (Республика Хакасия, 2022 г.)

Из рисунков 3–5 видно, что наибольшее количество углерода в почву привносили пшеница, овес, лен-кудряш и подсолнечник, а также многолетние травы. В целом с пожнивными остатками по всем культурам в пашни республики внесено 533,0 т С · год–1 (35 %), с корнями – 968,8 т С · год–1 (65 %). Стоит отметить, что данные по однолетним и многолетним травам рассчитаны по минимальным значениям.

Оптимальным способом повышения углерода почвы с растительными остатками без увеличения посевных площадей является повышение урожайности культур (соблюдение агротехники, внесение достаточного количества удобрений, обеспечение растений водой). Повысить поток углерода в почву можно, используя рациональные севообороты (с включением зерно- вых (ячменя, пшеницы) и овощных культур, таких как картофель, свекла, капуста и морковь, и других культур).

В литературе описываются разные точки зрения на внесение углерода с удобрениями на разных типах почв. В ряде работ утверждается, что фиксируется увеличение скорости разложения органического вещества в результате использования больших доз органических удобрений, так как происходит существенное ускорение процессов, связанных с биологической активностью почвы [2, 4]. Другие исследования выявили, что использование минеральных удобрений (в большей степени азотосодержащих) приводит к снижению количества гумуса в различных типах почв [5, 6].

При этом отмечается внесение минеральных удобрений, что способствует увеличению надземной и подземной массы растений, это влияет на положительный баланс гумуса [7]. По мнению ряда исследователей, ежегодное внесение в пахотный слой от 40 до 60 кг/га азота может обеспечить бездефицитный баланс гумуса [2, 8].

В основном авторы ориентируются на длительные исследования. Например в Поволжье проведены многолетние (42 года) полевые опыты по уменьшению количества углерода из пахотного горизонта на почвах, где не применялись органические и минеральные удобрения. Анализируемый слой составил от 0 до 40 см, где потери находились на уровне 0,17 %, что примерно составило 8,45 т/га. Использование комплексных минеральных удобрений в дозах действующего вещества N 34 Р 18 К 8 и N 39 Р 16 К 8 способствовало уменьшению потерь углерода до 20–22 % в сравнении с контрольным вариантом, где вообще не применялись минеральные удобрения. Однако использование повышенных доз азота в комплексных удобрениях (N 57 Р 15 К 8 ) фиксировалось до 60 % потерь углерода в сравнении с контрольным вариантом. Этот процесс повышения потерь углерода можно объяснить тем, что повышение микробиологической активности почвы и, как следствие, усиление процесса минерализации гумуса напрямую связаны с количеством доступного минерального азота. Снижение интенсивности потерь углерода на контроле и при невысоких дозах азота в шестую-седьмую ротации связано с улучшением гидротермических условий гумусообразо-вания осеннего периода и заменой зернопаропропашного севооборота на зернопаровой [9].

Особенности агрогенной трансформации и состав органического вещества в различных типах почв юга Средней Сибири (в пределах Красноярского края, Хакасии и Тывы) достаточно хорошо изучены. Уровень минерализируемого (трансформируемого) пула органического вещества на черноземах вышеперечисленных территорий находится на уровне 19–28 т С/га, основными составными частями которого являются подвижный гумус с растительными остатками и значительная величина микробной биомассы. Использование культур в зернопаропропашном севообороте позволяет обогащать почву – 3,32 т С/га в год, а для зернотравяного – 3,89 т С/га в год, за счет высокого количества растительных остатков. За счет высокоразвитых корневых систем растений севооборота уровень годичных запасов растительных остатков может составлять от 40 до 70 %. Повышение величины минерализуемого пула органического вещества и ускорение процессов его разложения возможны в результате дополнительного поступления сидеральных культур и соломенной резки, которую получают в процессе уборки зерновых культур. Наблюдалось существенное понижение величины содержания подвижных соединений гумуса в почвах Хакасии (0,23 т С/га в год), это примерно 7 % его затрат на формирование чистой первичной продукции, при этом компенсация только на 34 % за счет новообразованного гумуса. Таким образом, снижение накопления углерода в почвах Хакасии имеет подтверждение в литературе [1, 7].

Также было выяснено, что смешанная органоминеральная система обеспечивает дополнительную секвестрацию СО 2 до 5,3–6,6 т СО 2 ∙ га^–1 ∙ год^–1 [2]. В Республике Хакасия не требуется известкование в связи со слабощелочной реакцией распространенных в степной зоне черноземов.

Существенная роль на данной территории отводится использованию зернотравянных севооборотов при научно обоснованной системе внесения удобрений. Важным аспектом является внесение навоза с азотными удобрениями в дозе 30 кг/га (без учета поступления биологического азота) и 60 кг/га азотных удобрений (с учетом биологического азота), позволяющее получать урожайность на уровне 50 ц /га, что в 1,5–2,0 раза выше по сравнению с передовыми сельхозпредприятиями. В Хакасии в 2022 г. средние дозы азотных удобрений значительно меньше этого количества (6,5 кг/га пашни). Следует отметить, что внесение удобрений влияет и на эмиссию N-N 2 O из почвы – органические удобрения снижают эмиссионный фактор (до 0,07), полные дозы навоза КРС и NPK повышают до 2,14 %. Для достоверного расчета секвестрации углерода нужно учитывать ее за полную ротацию севооборота, а также дополнительный приход С в случае запашки соломы в поле [2].

Заключение. В научной литературе вопросы влияния различных удобрений на плодородие почв обсуждается уже достаточно долго. Очевидно, что для повышения секвестрации углерода в почве необходимо увеличить внесение удобрений в почву, как органических, так и минеральных, в особенности азотных. Хорошим решением будет использование помета, который содержит 19,11 % сырого вещества против 12,07 % в подстилочном навозе. Рядом с сель- скохозяйственными угодьями Хакасии расположены 3 птицефабрики – Шушенская и Усть-Абаканская, также есть источники навоза КРС и лошадей. Экологически безопасно будет расширение посадок многолетних сидератов. В Хакасии хорошо повышают плодородие почвы посевы эспарцета песчаного, часто применялся донник лекарственный. Исследования в Республике Хакасия Государственной агрохимической службой «Хакасская» и Научно-исследовательским институтом аграрных проблем Хакасии использование донника желтого в качестве основной сидеральной культуры способствует накоплению органического вещества на уровне от 18 до 34 т/га, в зависимости от почвенноклиматической зоны возделывания, что может составлять 160–400 кг NPK [1].

Требуется стратегическое решение вопросов обеспечения Хакасии удобрениями собственного производства. Основные предложения описаны в Госдокладе по состоянию окружающей среды Республики Хакасия. Высокие цены на специализированную технику, запасные части, горючесмазочные материалы и введение с 1 марта 2023 г. Федерального закона от 14.07.2022 № 248-ФЗ «О побочных продуктах животноводства и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» значительно усложнит использование сидеральных паров и введение залежных земель, а также применение органических удобрений в сельскохозяйственном производстве. Необходимо создание единой системы интенсификации биологизации земледелия для Хакасии. Система должна включать оптимизацию структуры посевных площадей, освоение севооборотов, расширение посевов бобовых однолетних и многолетних трав и зернобобовых культур, использование на удобрение всех видов навоза и помета, компостов, соломы, сидератов [1].

Многолетняя динамика количества удобрений и углерода в них коррелируют. Запасы углерода в органических удобрениях (92 %) преобладали над минеральными удобрениями (7 %). Всего за период с 1966 по 2022 г. внесено 395 871,9 т удобрений, из них органических – 33 623,0 и 362 248,8 т.

В 2022 г. с растительными остатками внесено в пашню 1501,8 т С · год–1, из них наибольшее количество углерода в почву привносили пшеница, овес, лен-кудряш и подсолнечник, а также многолетние травы.

Таким образом, внесение удобрений оказывает положительное влияние на продуктивность культур, сохранение плодородия почвы и на секвестрацию углерода в агроэкосистемах. Для уточнения оценок внесения углерода с удобрениями и в целом для перехода на систему учета углеродного баланса агроценозов в региональном масштабе рекомендуются следующие меры:

– разработать модуль для расчетов углеродного баланса агроэкосистем в базе данных по секвестрации углерода (совместная разработка ФГБОУ ВО «Хакасского государственного университета» и Института биофизики СО РАН);

– включить раздел об углеродном балансе агроэкосистем в аналитические отчеты Министерства сельского хозяйства Республики Хакасия;

– развивать систему стимулирования для хозяйств, ведущих деятельность по накоплению углерода в почве, через внесение удобрений и посев сидератов.

Предлагаемые решения позволят осуществлять мониторинг углеродного баланса экосистем, что необходимо для рационального использования эколого-ландшафтных ресурсов Хакасии.