Влияние минеральных и органо-минеральных систем удобрения в Геосети многолетних опытов на формирование углеродного баланса в агроэкосистеме

Kabardino-Balkarian Republic, Russian Federation, , e-mail:

Климатическая повестка, призванная снизить антропоген- ные выбросы парниковых газов стала одним из ключевых катализаторов технологических преобразований в мировой экономике. Несмотря на наличие противоположных взглядов на происхождение парниковых газов, факт роста их концентрации в атмосфере не вызывает сомнений ни у одной из сторон дискуссии, а темпы распространения механизмов углеродного регулирования и формирования соответствующей нормативно-правовой основы свидетельствуют о прохождении точки невозврата к привычной экономической модели развития.

Для повышения конкурентоспособности отечественной сельскохозяйственной продукции на международных рынках рекомендуется озаботиться сокращением выбросов парниковых газов, четверть из которых приходится на сельское хозяйство (Ge-brewahid, 2018) и модернизировать современное агропроизводство за счет внедрения углероднакопительных технологий (Столбовой, 2024).

Ключевыми факторами, формирующими углеродный след продукции растениеводства, считается дегумификация плодородного слоя почвы, сопровождающаяся чрезмерными выбросами диоксида углерода в атмосферу и нерациональное использование азотсодержащих синтетических и натуральных удобрений, ответственных за выбросы закиси азота. Оценка полного цикла производства зерновых культур показывает, что на долю минеральных удобрений может приходиться до 25% общего углеродного следа (Абдо, 2024), а в структуре углеродного следа конечного продукта (1 кг пшеничного хлеба) доля минеральных удобрений может достигать 15% (Башкин, 2024).

Учитывая прогнозы роста численности населения и во избежание образования глобального дефицита продовольствия, при традиционной системе земледелия в краткосрочной перспективе нельзя отказаться от использования минеральных удобрений, обеспечивающих, по данным мировой статистики, 40% прироста производства агропродукции (Save, Grow, 2011). Альтернативная же система земледелия в России – органическая, не допускающая использования синтетических средств производства, – находится на начальной стадии своего формирования, занимая не более 1.2% (~1 млн га) от всей площади сельскохозяйственных земель Рос- сийской Федерации.

Выходом из сложившейся ситуации может быть создание агроэкологически, экономически и климатически обоснованных систем земледелия, преимущественно в части оптимизации систем питания культурных растений. Это позволит, с одной стороны, вести экономически эффективную производственную деятельность, стабилизировать получение более высоких урожаев c возможностью компенсации 30–40% потерь углерода почвами (Романенков, 2011) и снизить эмиссию N 2 О при использовании азотных удобрений. В зависимости от вида и доз азотсодержащих удобрений эмиссионный фактор (ЭФ N2О ) может превышать 1.5–2.0% (Charles, 2017) при установленном МГЭИК усредненном значении 1% (Klemedtsson, 1997).

В настоящее время системные исследования эффективности различных видов и доз удобрений проводятся на участках многолетних наблюдений, входящих в единую географическую сеть. Геосеть опытов с удобрениями была утверждена приказом Наркомзема СССР № 18 от 14 января 1941 г. (Романенков, 2012).

Значение длительных экспериментов в последнее время подвергается переосмыслению, что связано не только с изменением экономических факторов (диспаритет цен на минеральные удобрения и зерно), но и с актуализацией климатической проблематики и возрастающей ролью почвенных ресурсов как компонента агроэкосистем с высоким потенциалом поглощения парниковых газов (Сычев, 2022; 2021). Переход к биосферной парадигме природопользования (Кирюшин, 2023) в России соответствует общемировому тренду (Paustian, 2000; Körshens, 2018).

При оценке климатического воздействия отрасли растениеводства инвентаризации подлежат в основном источники выбросов двух парниковых газов – диоксида углерода (CO2) и закиси азота (N2O), обладающие различным потенциалом глобального потепления (ПГП). Потенциал глобального потепления 1 кг диоксида углерода используется в качестве эталонного значения и равен единице. Концентрация закиси азота в атмосфере в 1 200 раз ниже, чем углекислого газа (WMO, 2019), но его ПГП в 298 раз (IPCC, 2013), по другим данным (Hanson, 1996), в 310 раз выше, что подчеркивает актуальность задач по осуществлению монито- ринга его выбросов. Вклад N2O в парниковый эффект оценивается в 6% (WMO, 2019). В силу необходимости обеспечения населения планеты продовольствием прогнозируется рост выбросов парниковых газов, связанных с увеличением доз минеральных азотных удобрений (Кудеяров, 2020). Анализ данных в отдельных регионах страны подтверждает сохранение тенденций увеличения объемов используемых минеральных удобрений (Завалин, 2023).

Целью исследования являлась оценка климатической целесообразности использования рекомендуемых доз минеральных и органо-минеральных удобрений в условиях естественного влаго-обеспечения на экспериментальном участке, входящем в Геосеть многолетних опытов.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводились на стационаре № 037 (Институт сельского хозяйства КБНЦ РАН, г. Нальчик), входящем в географическую сеть многолетних опытов, заложенных в 1947-1948 гг. Проcтаковым П.Е. для изучения влияния различных систем удобрения и орошения на динамику пищевого и водного режимов почвы, а также продуктивность пашни (рис. 1).

Почва участка классифицировалась как чернозем обыкновенный мицеллярно-карбонатный, тяжелосуглинистый, иловатопылеватый. Содержание гумуса на момент закладки опыта составляло 3.50–3.65%, валовый запас азота, фосфора и калия в пахотном горизонте находился в пределах 0.20–0.28%; 0.13–0.19% и 2.00–2.50% соответственно (Фиапшев, 1971).

Севооборот участка 10-польный, пространственновременной и сформирован 4 культурами (табл. 1).

Исследования проводились на озимой пшенице, занимающей в севообороте место после люцерны 2-го года посева. Период исследований – 2021–2024 гг. Рекомендованные системы удобрения представлены в таблице 2.

Расчеты по оценке влияния систем удобрения на выбросы парниковых газов в случае с диоксидом углерода проводились с использованием формул, утвержденных Приказом Минприроды России № 371 от 27.05.2022 г. “Об утверждении методик количественного определения объемов выбросов парниковых газов и по- глощений парниковых газов” (Приказ МПР).

Для оценки баланса СО 2 в системе “почва–растение” учитывался депонированный объем углерода в товарной части продукции. Разница значений СО 2 , эквивалентных объему органического вещества почвы в сравниваемых вариантах, использовалась для конечной климатической оценки рассматриваемых систем удобрения озимой пшеницы.

ΔCмин. = (Cfert + Cplant) – Cresp,           (1)

где: ΔCмин. – изменения запасов углерода в пуле почвенного углерода, тонн С в год;

Cfert – поступление углерода с органическими и минеральными удобрениями при фотосинтезе, тонн С в год;

Сplant – поступление углерода с растительными остатками, тонн С в год;

Cresp – потери почвенного углерода с дыханием почв, тонн С в год.

Рис. 1. Месторасположение опытного участка Геосети № 037.

Fig. 1. Location of Geoset experimental site No. 037.

Таблица 1. Ротационная таблица севооборота. Стационар № 037

Table 1. Crop rotation on experimental site No. 037

Годы	Номер поля
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
2018	Л1	О.п.	К	К	О.п.	П	К	К	О.п.	Л2
2019	Л2	Л1	О.п.	К	К	О.п.	П	К	К	О.п.
2020	О.п.	Л2	Л1	О.п.	К	К	О.п.	П	К	К
2021	К	О.п.	Л2	Л1	О.п.	К	К	О.п.	П	К
2022	К	К	О.п.	Л2	Л1	О.п.	К	К	О.п.	П
2023	П	К	К	О.п.	Л2	Л1	О.п.	К	К	О.п.
2024	О.п.	П	К	К	О.п.	Л2	Л1	О.п.	К	К
2025	К	О.п.	П	К	К	О.п.	Л2	Л1	О.п.	К
2026	К	К	О.п.	П	К	К	О.п.	Л2	Л1	О.п.
2027	О.п.	К	К	О.п.	П	К	К	О.п.	Л2	Л1

Примечание. Л1 – люцерна 1-го года, Л2 – люцерна 2-го года, К – кукуруза, О.п. – озимая пшеница.

Note. Л1 – 1st year alfalfa, Л2 – 2nd year alfalfa, К – corn, О.п. – winter wheat.

Таблица 2. Рекомендуемая система удобрения озимой пшеницы, кг/га

Table 2. Recommended fertilization system for winter wheat, kg/ha

Контроль	Навоз, т/га	N	P 2 O 5	K 2 O
Минеральная
-	-	90	90	60
Органо-минеральная
-	10	60	60	30

Переменные в выше приведенной формуле, в свою очередь, высчитываются с использованием соответствующих коэффициентов:

Cfert = ∑i(Орг i х Сорг_i) + ∑i(Мин j х Смин_j),     (2)

где : Cfert - поступление C с органическими и минеральными удобрениями, тонн C в год;

Орг i – количество органических удобрений в расчете на физический вес (i – вид удобрений), тонн в год;

Cорг_i – содержание углерода в сыром веществе органических удобрений (i – вид удобрений), тонн C/тонн органического удобрения (содержание углерода в сыром веществе подстилочного навоза соответствует 12.07%) ;

Мин j – количество минеральных удобрений (j – вид минеральных удобрений), тонн действующего вещества минеральных удобрений в год;

Cмин_j – содержание углерода в разных видах минеральных удобрений, тонн C/тонн действующего вещества минеральных удобрений (коэффициенты для расчета содержания углерода в азотных, фосфорных и калийных удобрениях равны 0.130; 0.015 и 0.017 соответственно).

Сplant = С ab + C un ,                      (3)

где: Cab и Сun – масса углерода, поступающего в почвы с пожнивными и корневыми остатками культурных растений определенного вида, тонн С в год.

Расчет количества углерода, поступающего в почву с растительными остатками, проводится с использованием дифференцированных коэффициентов по уровню урожайности озимой пшеницы по формулам, представленным в таблице 3.

Сresp = ∑i(Area i × AC CO2i × Veg × 0.6 × 1.43) / 100 × 12/44, (4)

где: Сresp – потери почвенного углерода с дыханием почв, тонн С в год;

Area i – площадь соответствующего типа почв пахотных земель, га;

AC CO2i – средний коэффициент по дыханию микрофлоры почвы пахотных земель, мг СО 2 в час (среднее значение по всем типам почв принято 204 мг СО 2 /м²/ч);

Veg – продолжительность вегетационного периода, часы (в Кабардино-Балкарской республике Veg равен 5 124 ч.);

• 0.6 – коэффициент для исключения дыхания корней;

• 1.43 – коэффициент для включения в расчет дыхания почв в течение холодного периода года;

12/44 – коэффициент для пересчета из единиц СО 2 в углерод.

Таблица 3. Масса поступающего с растительными остатками углерода, ц/га

Table 3. Carbon mass supplied with plant residues, centner/ha

Урожайность, ц/га	Пожнивные остатки	Корневые остатки
10 – 25	= (0.4 × Y + 2.6) × 48.5/100	= (0.9 × Y + 5.8) × 48.5/100
26 – 40	= (0.1 × Y + 8.9) × 48.5/100	= (0.7 × Y + 10) × 48.5/100

Расчеты выбросов закиси азота проводились в соответствии с рекомендациями Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) с использованием усредненных значений коэффициента эмиссионного фактора (ЭФ N2O ), равное 0.0126. Данный коэффициент оказался ниже коэффициента, рекомендованного Минприроды России (Методические рекомендации, 2015), и выше коэффициента, дифференцированного с учетом возделываемых культур (Кудеяров, 2011; Завалин, 2023).

Методика позволяет оценить выбросы N 2 O, связанные с использованием минеральных и органических удобрений, а также образовавшиеся в результате деструкции органического вещества почвы под влиянием ее механизированной обработки. Данная методика пригодна для проведения сравнительных оценок климатического влияния различных агротехнических приемов и почвоудобрительных средств. Формула расчета годовых прямых выбросов представлена в методиках (Методические рекомендации, 2015):

N 2 O – N поступл. = (F SN + F ON + F CR + F SOM ) × EF 1 , (5) где: N 2 O – N поступл. – общее поступление закиси азота в атмосферу, кг в год;

FSN – годовое количество азота минеральных удобрений, внесенных в почвы, кг N/год;

F ON – годовое количество азота навоза, внесенного в почвы, кг N/год;

F CR – годовое количество азота в растительных остатках (надземных и подземных) культурных растений, в том числе от азотфиксирующих культур, кг N/год (расчет по формулам, приведенным в табл. 3);

F SOM – годовое количество азота в минеральных почвах, которое минерализуется в связи с потерей углерода из почвенного органического вещества в обрабатываемых почвах, кг N/год (по умолчанию используется коэффициент для всех полей, равный 30 кг N/га).

EF 1 – коэффициент выбросов N 2 O от антропогенного внесения азота в почвы, кг N 2 O – N/кг поступающего N (0.0126).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Анализируемые в исследовании системы удобрения в различной степени повлияли на урожайность озимой пшеницы, что в итоге сказалось и на балансе парниковых газов (табл. 4).

Из произведенных расчетов в таблице видно, что суммарное поступление углерода в почву зависело от системы удобрения и урожайности озимой пшеницы. Так, минеральная система удобрения способствовала накоплению в почве 2.18 т/га углерода, что больше, чем в контрольном варианте, на 17.1% (0.32 т/га). Органоминеральная система обеспечивала поступление 3.38 т/га, что выше на 80.7% (1.21 т/га).

В используемых методических рекомендациях потери органического углерода ( Cresp ) оцениваются с применением справочных данных без дифференциации по используемым системам удобрения. Расчеты показали, что с учетом рассматриваемых статей поступления и потерь углерода при производстве зерна озимой пшеницы отрицательный баланс сложился в контрольном варианте (-0.58т/га) и в меньшей степени в варианте с минеральной системой удобрения (-0.26 т/га). Органо-минеральная система обеспечивала накопление 0.93 т/га углерода.

Таблица 4. Изменение запасов углерода в пуле почвенного углерода, т/га в год Table 4. Change in carbon stocks in the soil carbon pool, t/ha per year

Система удобрения	Сfert, т/га				*Сplant, т/га		Cfert + Cplant	Cresp, т/га	∆Смин
	N		P 2 O 5	K 2 O	Пожнив-ные	Корневые
	Орг.	Мин.
Контроль	-	-	-	-	0.57	1.3	1.87	2.45	-0.58
Минеральная	-	0.12	0.014	0.01	0.57	1.48	2.19	2.45	-0.26
Органо-минер.	1.21	0.08	0.01	0.005	0.58	1.49	3.38	2.45	+0.93

Для оценки конечного углеродного баланса, сформировавшегося при производстве озимой пшеницы, полученные данные необходимо сопоставить с изменившимся объемом углерода в почве (табл. 5) и накопленным в товарной части урожая.

Конечный углеродный баланс оценивается по формуле:

^{А С}общ (С гумус + С урожай ) + ^{А С}мин ,

где: А собщ - окончательный углеродный баланс, тонн С в год;

С гумус – содержание углерода в общем запасе гумуса, т/га;

С урожай – масса углерода, аккумулированного в товарной части урожая, т/га;

АС_мин - изменение запасов углерода в пуле почвенного углерода, т/га. (табл. 4).

Расчет, проведенный по представленной формуле, говорит о возрастающем влиянии системы удобрения на формирование углеродного баланса в агроэкосистеме. Для демонстрации влияния почвоудобрительных средств в таблице 6 приведены данные об изменении содержания почвенного углерода в профиле 0 – 40 см. Академик В.Р. Вильямс отмечал, что никакой прогресс в сельскохозяйственном производстве не мыслим при мощности пахотного слоя менее 20 см (Баздырев, 2023).

Целесообразность учета запаса углерода в более глубоких горизонтах связана со способностью почв к секвестрации углерода не только повышением относительного содержания органического вещества в почве, но и увеличением гумусового горизонта почвы. В абсолютном выражении с учетом запаса углерода в профиле 0 – 40 см под действием минеральных и органо-минеральных удобрений формируется его положительный баланс – 7.94 т/га и 27.03 т/га соответственно.

Особенностью расчетов объемов закиси азота как парникового газа является то, что в формулы закладываются только показатели эмиссии N 2 O (табл. 7), несмотря на наличие научных данных, свидетельствующих о способности почвы поглощать закись азота (Климова, 2019).

Таблица 5. Запасы С, накопленного в органическом веществе почвы и в товарной части урожая, т/га Table 5. Carbon accumulated in soil organic matter and in the commercial part of the crop, t/ha

№	Фон	н я © м Я а © а	я 4) X© S S Я □ О	© е	О S	U S	н а ^ 2 < я В л S	н	я Я j; и ^ S
1	Без удобрений	0–20	2.47	1.19	58.8	34.1	70.4	2.28	1.11
		20–40	2.56	1.22	62.5	36.3
2	Рекомендуемая минеральная система	0–20	2.93	1.19	69.7	40.4	77.7	2.94	1.43
		20–40	2.70	1.20	64.3	37.3
3	Рекомендуемая органоминеральная система	0–20	3.79	1.18	89.4	51.9	95.6	2.95	1.43
		20–40	3.11	1.21	75.3	43.7

Примечание. НСР 0.5 по горизонту 0–20 см – 0.26, по горизонту 20–40 см – 0.19.

Note. The smallest average difference (0.5) in 0–20 cm layer is 0.26, in 20–40 cm layer – 0.19.

Таблица 6. Баланс углерода с учетом его содержания в органическом веществе почвы и в урожае, тонн С в год Table 6. Carbon balance taking into account its content in soil organic matter and in the crop yield, tons of C per year

№	Фон	Слой почвы, см	Масса С в почве, т/га	Масса С в урожае, т/га	С гумус + с урожай	Δ C мин .	Δ C общ , т/га
1	Без удобрений	0 – 40	70.4	1.11	71.51	-0.58	70.93
3	Минеральная система	0 – 40	77.7	1.43	79.13	-0.26	78.87
5	Органоминеральная система	0 – 40	95.6	1.43	97.03	+0.93	97.96

Отсутствие статьи поглощения может быть связано либо с незначительным количеством поглощенной закиси азота, которым в расчетах можно пренебречь, либо с методологическими сложностями при определении ее поглощения.

Таблица 7. Влияние систем удобрения на поступление в атмосферу N 2 О-N, кг/га

Table 7. The impact of fertilization systems on atmospheric emissions of N2O-N, kg/ha

№	Фон	F ON	F SN	*F CR	F SOM	EF 1	N 2 O-N по-ступл.
1	Без удобрений	-	-	17.1	30	0.0126	0.59
3	Рекомендуемая минеральная система	-	90	19.1	30	0.0126	1.75
5	Рекомендуемая органоминеральная система	45	60	19.2	30	0.0126	1.94

Примчеание. * – содержание азота в растительных остатках рассчитывалось, исходя из сформировавшейся биомассы и концентрации азота в них, равной 0.45%.

Note. * – the nitrogen content of plant residues was calculated based on the formed biomass and the nitrogen concentration in them, equal to 0.45%.

Вклад удобрений в поступление закиси азота в атмосферу оказался более существенным, чем вклад суммы N 2 O, формирующегося из азота, находящегося в растительных остатках, и минерализованного органического вещества почвы. Рекомендованные минеральная и органо-минеральная системы удобрения повлияли на поступление 1.75 и 1.94 кг/га закиси азота в атмосферу, что больше, чем в контрольном варианте, на 197 и 228% соответственно.

Сопоставлением полученных данных по накопленному углероду в системе “почва–растение” (СО2-экв. высчитывается с ис- пользованием коэффициента 3.66) и по выбросу закиси азота (СО2-экв. высчитывается с использованием коэффициента ПГП = 298) можно провести сравнительную оценку климатического влияния исследуемых систем удобрения (табл. 8). Для этого данные контрольного варианта используются в качестве базовых значений, по отношению к которым будет производиться оценка.

Полученные в результате расчетов данные свидетельствуют о влиянии минеральных удобрений и их сочетания с органическими на возможность ведения более благополучного с климатической точки зрения земледелия. При этом органо-минеральная система способствует накоплению СО 2 -экв. в агроэкосистеме в 3.4 раза больше по сравнению с использованием только минеральных удобрений.

Максимальная эффективность органо-минеральной системы удобрения ранее была установлена основателем отечественной школы агрохимии Д.Н. Прянишниковым (Прянишников, 1929) и подтверждена экономическими расчетами (Глуховченко, 2019).

В современных условиях глобальной переоценки значимости промышленных технологий задачи достижения устойчивости земледелия актуализируются в свете климатической парадигмы, что должно быть учтено и российским АПК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотрение статей углеродного баланса в системе “удоб-рение – почва – растение” с использованием методик Минприроды России и рекомендаций МГЭИК свидетельствует о преимущественной роли почвы как о резервуаре углерода, на долю которого в общей системе “почва – растение” приходится 84.7% секвестрированного диоксида углерода при минеральной системе и 95% – при органо-минеральной системе удобрения.

Учет в изменении содержания органического вещества почвы в глубоких горизонтах позволяет дать более объективную оценку климатической целесообразности использования различных систем удобрения. Это подтверждается увеличением запасов гумуса в почвенном горизонте до 40 см.

Таблица 8. Итоговый расчет баланса СО 2 -экв., сформированного под влиянием систем удобрения

Table 8. Final calculation of the CO 2 -eq balance formed under the influence of various fertilization systems

№	Фон	Δ Cобщ,			N 2 O-N поступл.			Δ Cо б щ-N2O- N поступл.
		т/га	Накопление, т/на	СО 2 -экв	кг/га	Накопление, кг/га	СО 2 -экв., т/га	т СО 2 -экв/га
1	Без удобрений	70.93	-	-	0.59	-	-	-
3	Рекомендуемая минеральная система	78.87	7.94	29.06	1.75	1.16	0.346	28.71
5	Рекомендуемая органоминеральная система	97.96	27.03	98.93	1.94	1.35	0.402	98.53

При этом научного внимания заслуживает особенность методики Минприроды России, в которой вклад дыхания почвы рассматривается в качестве потока СО 2 , в то время как в научной литературе изобилует информация о тесной корреляционной зависимости дыхания почвы с содержанием в ней органического вещества.

Несмотря на отдельные противоречия в методологии расчетов, полученные данные с их использованием могут быть полезны при разработке почвенно-климатических проектов, где в качестве базовой линии рассматриваются консервативные способы земледелия, а проектный сценарий, в свою очередь, предусматривает модификацию системы питания культурных растений посредством включения в нее органических удобрений.

Подтверждение климатической целесообразности сочетания минеральных и органических удобрений наряду с их положительным влиянием на агроэкологические и экономические параметры производства позволяет рассматривать данную систему в качестве универсального приема для достижения устойчивости земледелия.