Почва выделяет углекислый газ

Влияние органического углерода на плодородные почвы

Влияние органического углерода на плодородные почвы

Содержание углерода в почве прямым образом влияет на плодородие почвы, чем больше углерода в почве, тем более плодородной будет почва.

Углерод является ключевым химическим элементом на нашей планете. Например, мышцы человека состоят на 2/3 из углерода, кости на 1/3, растения состоят на ½ из углерода. Воздух содержит углерод в виде углекислого газа.

Обратите внимание, что за последние двести лет содержание в атмосфере углекислого газа увеличивается по экспоненте, это связано с деятельностью человека (вырубка лесов, являющихся основными потребителями углекислого газа во время фотосинтеза, сжигание ископаемого топлива, в виде нефти, газа, угля и так далее)

Большое количество углекислого газа ведет к глобальному потеплению, и эти изменения уже все видят. Данную проблему кардинальным образом можно решить с помощью перехода на зеленую энергетику, то есть не сжигать ископаемые топлива, а получать энергию от солнца, от ветра, от термальных источников и так далее. Так же человечество должно по-другому возделывать сельскохозяйственные культуры. Если человечество в ближайшие сто лет не решит эти две основные проблемы, то вероятнее всего выживание человека, как вида стоит под очень большим вопросом.

При фотосинтезе растения потребляют углекислый газ и вырабатывают углеродосодержащие органический соединения (сахара). 2/3 этих сахаров растения оставляют для своего роста, для роста надземной части и корневой системы, 1/3 отдает в почву через корневую систему в виде корневых выделений, которыми питается почвенная биота. В свою очередь почвенная биота, например та же микориза отдает растению через корневую систему фосфор, цинк, дополнительную воду и так далее. Азотфиксаторы отдают азот, силикатные бактерии отдают калий.

Так же в процессе дыхания, корневая система потребляет кислород, после чего выделяет углекислый газ, который взаимодействуя с почвенной влагой, преобразуется в угольную кислоту. Угольная кислота опускается ниже корневой системы растений и растворяет минералы, высвобождая тем самым дополнительное питание для корневой системы. После гибели растений и животных в почве, их перерабатывают микроорганизмы. Когда происходит разложение, части органического вещества минерализуются, высвобождая тем самым питание для последующих культур, и выделяется углекислый газ в почву, а часть органического вещества переходит либо в гумус, либо на болотистой местности переходит в состояние торфа. Образование гумуса – это очень долгий процесс, длящийся от десяти до ста лет, поэтому оценивать плодородие почвы с точки зрения содержания гумуса, не совсем корректно.

Оценка содержания органического вещества или органического углерода в почве – наиболее точный метод оценки плодородия почвы.

На следующем графике видно сколько было органического углерода в грунте штата Канзас за последние 100 лет.

На графике видно, что с 1907 по 1950 год в почве произошло резкое уменьшение количества углерода, почва пришла к равновесию по содержанию углерода только к 1960 году. Начиная с 1960 года, произошел небольшой рост количества углерода в почве.

Агроприемы позволяющие увеличивать и уменьшать количество органического углерода в грунте:

1. Обработка почвы. Обработка почвы плугом с оборотом пласта уменьшает содержание углерода в почве. При обработке почвы увеличивается аэрация почвы, то есть кислорода поступает больше, органический углерод вступает в химическую реакцию с кислородом и возникает углекислый газ, уходящий в атмосферу, происходит потеря органического углерода. Почвенные микроорганизмы для поддержания своей популяции вынуждены дополнительно искать источник углерода. После обработки почвы видны прибавки по урожаю, но в это время происходит снижение плодородия почвы. Возвращаясь к графику, можно увидеть, что начиная с 1950х годов, человек понял, что плуг является его врагом и начал постепенно изучать обработку почвы и поэтому, начиная с 1950-1960 годов количество углерода в почве начало увеличиваться.
2. Внесение азотных удобрений. Злоупотребление азотными удобрениями ведет к тому, что количество углерода в почве уменьшается. Если севооборот построен правильно и грамотно, то есть в нем присутствуют бобовые культуры, использование азотных удобрений можно свести к минимуму либо вообще от них отказаться.
3. Наличие паров в севообороте уменьшает содержание углерода в почве. В курской области был проведен любопытный опыт с бессменным чистым паром. Опыт начался в 1964 году и закончился в 2015 году. На графике видно как менялось содержание углерода в почве при бессменном паре.

С 1964 года содержание углерода в почве падало, а через 20-25 лет почва пришла в равновесие, и содержание углерода начало колебаться вот в этих пределах, которые на графике отмечены пунктирными линиями. В 1998 году в этот опыт внесли изменения. Участок поделили на две части, 2/3 остались дальше паровать, 1/3 осталась под залежь, грубо говоря, этот участок забросили.

На следующей таблице показаны изменения происходившие на этих участках с 1998 по 2015 год.

Стоит обратить внимание, что на участке где восстанавливалась естественная растительность, содержание почвенного углерода падало. Это происходило из-за того, что в почву начало поступать дополнительное органического вещество в виде растительных остатков растений. Микроорганизмам нужен был дополнительный азот, так как соотношение углерода к азоту сместилось в сторону углерода и микроорганизмы были вынуждены минерализовывать гумус и брать из него азот. После трех лет переходного периода содержание органического углерода начало расти, в то время, как на паровом участке содержание углерода падало. Эти первые три года опыта показывают, почему многие при переходе с традиционной технологии на нулевую технологию теряют урожайность. Чтобы этого не происходило, нужно вносить дополнительную дозу азотных удобрений.

4.Посев покровных культур в промежутке между коммерческими позволяет увеличить содержание углерода в почве. Покровные культуры выполняют ряд очень важных функций:

• Покровные культуры после себя оставляют органическое вещество, которое переходит в органический углерод.
• Предотвращение эрозии почвы. При водной и ветровой эрозии с поверхности поля удаляется самый плодородный слой, поэтому вклад покровных культур в восстановление почвенного плодородия примерно такой же, как отказ от парового клина.

Особенно посев покровных культур крайне важен, если вы кукурузу сеете на силос, где растения практически удаляются с почвы. Так же крайне важно сеять покровные культуры после уборки с поля картофеля, моркови, свеклы и остальных корнеплодов.

5. Пожнивные остатки и органические удобрения так же влияют на содержание углерода в почве. Если солому с поля вывозить после уборки урожая, то содержание органического углерода резко падает, а при сжигании этой соломы, почва очень страдает.

Внесение органических удобрений в виде компоста, перегноя, навоза и так далее, будет увеличивать содержание углерода в почве при условии, что почва не будет обрабатываться.

Органический углерод и гломалин, который вырабатывается микоризой, участвует в создании структурных агрегатов почвы. Такая структурированная почва напоминает губку, она отлично впитывает в себя влагу. 1% органического углерода в почве способен удерживать до двух ста тонн воды на гектаре. Особенно повышение органического углерода в почве актуально для степных зон и для легких песчаных и тяжелых глинистых почв. Так же структурированная почва с помощью гламолина и с помощью углерода меньше подвержена ветровой и водной эрозии.

Следующей важной функцией углерода в почве является то, что углерод – это источник питания для микроорганизмов. Чем более разнообразен состав культур в севообороте и покровных культур, тем боле разнообразную почвенную бионту можно накормить. Растения через грибы и бактерии получают и питание в виде микро и макроэлементов и дополнительную влагу с более глубоких слоев. Чем более разнообразная популяция микроорганизмов, тем меньше в этом общем пироге содержится патогенной микрофлоры, то есть растения в такой почве меньше болеют грибковыми заболеваниями.

Как управлять углеродом в почве?

Согласно литературе, идеальным соотношением углерода к азоту в почве является 25 к 1, но агрономы считают, что это соотношение зависит от типа почвы и от способа обработки почвы. Как только вы отказываетесь от обработки почвы и вводите дополнительно покровные культуры, то есть вы переходите на нулевую или на минимальную технологию, у вас начинает меняться соотношение грибов к бактериям в сторону увеличения грибов.

Тело бактерии на пять частей состоит из углерода и одна часть азота, а грибы на двенадцать частей углерода и одна часть азота. То есть при переходе на нулевую технологию нужно первые три года вносить большое количество азотных удобрений, на третий-пятый год начинает меняться соотношение грибов и бактерий, в сторону увеличения грибов, соответственно вот этот балансовый показатель углерода к азоту 25 к 1 смещается в сторону 30 к 1.

Соотношение углерода к азоту в почве можно менять с помощью культур входящих в севооборот и с помощью азотных удобрений. Каждая культура оставляет после себя пожнивные остатки с разным соотношением углерода к азоту.

В следующей таблице можно видеть какое соотношение углерода к азоту содержится в различных растительных остатках и в органических удобрениях.

Если, например вы посеяли яровую пшеницу, то у нее соотношение углерода к азоту в пожнивных остатках будет 65 к 1, а вам нужно довести баланс до 30 к 1. Нужно либо внести дополнительный азот при посеве следующей культуры, либо посеять покровные культуры и упор в этих культурах сделать на бобовые, а на следующий год уже посеять бобовую коммерческую культуру.

Есть товаропроизводители, которые сеют бинарные посевы, это когда сеется бобовая и не бобовая культура, в этом случае на выходе получается сбалансированное соотношение углерода к азоту в почве.

При регулировании соотношения углерода к азоту в почве, так же следует учитывать, что чем моложе растение, тем меньше соотношение углерода к азоту, например покровные культуры, которые погибли от мороза до цветения, будут иметь низкое соотношение углерода к азоту.

1. При переходе с традиционной технологии на минимальную или нулевую, происходит увеличение содержания углерода в почве, то есть увеличивается плодородие в почве.
2. Разумно используйте азотные удобрения и если в севообороте есть бобовые культуры и покровные культуры, то внесение азотных удобрений нужно свести к минимуму или же полностью от них отказаться.
3. Отказ от паров позволяет восстановить содержание углерода в почве. Пары — один из главных врагов плодородия почвы.
4. Нужно правильно выстраивать севооборот с точки зрения соотношения углерода к азоту в почве. Если в севообороте будут покровные культуры, то содержание углерода в почве можно будет повысить очень быстро.

Источник

Эмиссия СО₂ почвенным покровом

В глобальных изменениях природной среды и климата ведущая роль принадлежит циклу углерода, с которым связаны биогеохимические циклы остальных элементов, а через парниковый эффект и состояние атмосферы, обусловливающее климат, отсюда и изменение продуктивности природных и искусственных экосистем [90].

Цикл углерода в наземных системах определяется балансом между поглощением CO₂ наземной растительностью (на создание органического вещества) и выделением углекислого газа при дыхании почв. Существует мнение, что углекислый газ атмосферы на 90% имеет почвенное происхождение [123], это позволяет утверждать, что почвенный покров Земли представляет собой мощный источник углекислоты.

Интегрирующий показатель «дыхание почвы» представляет собой суммарную продукцию СО ₂ почвенных микроорганизмов, производимую в результате разложения и окисления органического вещества почвенной фауной и корневыми системами растений. Эмиссия углекислого газа — процесс, характеризующий выделение СО₂ с поверхности почвы в атмосферу.

Обычно при оценке дыхания почв авторами оценивается общая эмиссия СО₂ с поверхности почвы, и одна величина объективно отражает другую [132].

В то же время почва сама служит резервуаром, аккумулирующим углекислоту. Углерод, накапливающийся и содержащийся в гумусе почв, может служить стоком углекислого газа в течение сотен лет. Другим резервуаром углекислоты в наземных экосистемах служат болота, в которых изъятие углерода происходит тысячи лет. Оценка размеров пула углерода в болотах Северной Евразии составляет 113,5 млрд т [36]. Педогенные карбонаты в зависимости от условий могут аккумулировать или отдавать углекислый газ в почвенный воздух.

Интенсивность дыхания почв обычно измеряется в г С — СО₂ · м -2 · сут -1 . Анализ опубликованных материалов показал, что изучение эмиссии СО₂ проводилось, главным образом, в течение вегетационного периода (май-сентябрь). Среднелетняя скорость эмиссии варьировала в очень широких пределах от 0,04 в тундровых почвах до 7,90 г С — СО₂ · м -2 · сут -1 в черноземах мицелярно-карбонатных. По мере затухания биологической деятельности происходит отток СО2 за пределы почвенного профиля.

Методологической основой при составлении карты послужила известная зависимость скорости разложения органического вещества в почвах и интенсивности продуцирования ими СО₂ от биоклиматических условий их формирования. При составлении карты использованы опубликованные базы данных по дыханию почв России, дополнительные литературные источники и картографические материалы [132, 134, 135,136, 137, 151, 195, 278, карта почвенно-географического районирования*]. За основу приняты контуры почвенной карты**.

Все данные по эмиссии CO₂ обрабатывались и приводились в соответствие с требованиями содержания карты. При этом оценивалась суммарная эмиссия с поверхности почвы за вегетационный период, которая помимо микробного разложения органического вещества, включает дыхание корневых систем растений.

Группировка почвенных типов и подтипов проводилась с учетом основных биоклиматических параметров — широтной и вертикальной зональности, фациальности, строения почвенного профиля, гумусированности и некоторых других свойств почв. На основе данных по удельной эмиссии СО₂ за сутки и продолжительности вегетационного периода для каждой группы почв были рассчитаны потоки углекислого газа за вегетационный период (С—СО₂, кг/га). Для почв, по которым имелись данные по эмиссии СО₂ под различными фитоценозами и угодьями, рассчитывались средневзвешенные значения эмиссии. Кроме того, выявлялись и учитывались различия в эмиссии СО₂ почвами, принадлежащими одному и тому же типу, обусловленные их фациальными особенностями. Для тех почв, по которым отсутствовали данные, значения потоков СО₂ принимались аналогичными тем почвам, гидротермические и другие параметры которых были наиболее близкими. По значениям удельной эмиссии С—СО₂ почвами выделено 10 градаций. Для каждой градации определен состав групп почв с соответствующими значениями интенсивности эмиссии С—СО₂.

Наименьшей эмиссией менее 500 кг С—СО₂/га обладают очень холодные, длительно промерзающие почвы полярного пояса, представленные в основном арктотундровыми, тундровыми арктическими, горными примитивными, подбурами тундровыми, арктическими горных территорий, а также комплексами этих почв. Уровни эмиссии в 500—700 кг/га характерны для тундровых глеевых, тундрово–болотных почв, подбуров тундровых, подбуров сухоторфянистых горных провинций и их комплексов.

На Восточно-Европейской и Западно-Сибирской равнинах в пределах бореального пояса, где ярко выражена широтная зональность, потоки СО₂ (кг/га) с поверхности почвенного покрова возрастают с севера на юг и составляют для основных типов почв: 700—900 — для глееземов таежных, 900—1200 — подзолов, глееподзолистых контактно-осветленных, 1200—1500 — подзолисто- и торфяно-подзолисто-глеевых, 1500—2000 — подзолистых, дерново-подзолов, подзолистых глубокоглееватых и глеевых, 2000—3000 — для дерново-подзолистых.

В пределах Западно-Сибирской равнины в подзонах северной и средней тайги огромные пространства заняты торфяными почвами верховых и переходных болот. Потоки СО₂ за вегетационный период из них колеблются от 1200 на севере региона до 3000—4000 С—СО₂ кг/га на юге.

В Восточно-Сибирской мерзлотно-таежной области, характеризующейся четкими фациальными особенностями формирования почвенного покрова, эмиссия СО₂ составляет 700—900 — из таежных глее-мерзлотных почв, 1200—1500 кг/га — из таежных мерзлотных, подбуров таежных и буро-таежных почв. Потоки углекислого газа из перегнойно-карбонатных почв на севере и дерново-карбонатных на юге составили 1200—1500 и 1500—2000 кг/га, соответственно.

В суббореальном поясе в пределах Центральной лиственно-лесной, лесостепной и степной области, расположенной в центре Евразии, сохраняются широтно-зональные закономерности формирования почвенного покрова. Эмиссия СО₂ из серых лесных почв, черноземов выщелоченных и оподзоленных, черноземов обыкновенных и южных оценивается в 3000—4000 кг/га за период вегетации. Черноземы типичные, лугово-черноземные почвы, темно-каштановые мицеллярно-карбонатные выделяют в атмосферу 4000—6000, черноземы обыкновенные и южные мицелярно-карбонатные — 6000—8000 кг С—СО₂/га.

Выделение диоксида углерода с поверхности светло-каштановых и бурых пустынно-степных почв Полупустынной почвенно-биоклиматической области составляет 2000—3000 и 1500—2000 кг/га, соответственно.

Восточная буроземно-лесная область представлена в почвенном покрове буроземами, подбелами и лугово-черноземовидными почвами «амурских прерий». Интенсивность выделения СО₂ с поверхности этих почв колеблется от 2000—3000 до 6000 и более кг/га.

Для горных массивов, где ярко выражена вертикальная зональность, эмиссия СО₂ из почв несколько ниже, чем из равнинных аналогов, что объясняется, в первую очередь, более коротким вегетационным периодом и особенностями строения почвенного профиля.

Для построения карты абсолютные значения потоков эмиссии углекислого газа с поверхности почв рассчитывались путем умножения средней по шкале величины потока за вегетационный сезон для данной группы почв на занимаемую ею площадь. Площади контуров вычислялись в программе MapInfo.

Суммарная величина эмиссии С—СО₂, почвенным покровом России составляет 2,74 млрд т за вегетационный период. Эти данные позволяют утверждать, что сухопутные экосистемы России поглощают углекислого газа больше, чем выделяют, т.е. территория страны выступает в роли значительного поглотителя СО₂.

Из полученных данных следует, что в пределах России почвенный источник эмиссии СО₂ значительно доминирует над техногенным, который оценивается в 0,78 млрд. т С—СО₂/год [134].

Полученное значение суммарной эмиссии на 12% ниже, рассчитанного ранее (3,12 млрд т) и приведенного на предыдущей карте [279], что может быть связано с рядом причин.

В расчетах использована меньшая величина площади суши Российской Федерации, так как в предыдущем варианте не были учтены все территории, находящиеся под водными объектами. Кроме того, за последние годы накоплен обширный материал по эмиссии СО₂ почвенным покровом, что позволяет более корректно производить расчеты. Использование (в качестве базовых) контуров новой почвенной карты, привело к перераспределению площадей, приуроченных к тем или иным градациям по удельной эмиссии. Автоматизированный подсчет площадей контуров более точен по сравнению с методом палетки, используемым ранее.

Почвенный покров России, занимающий 11,5% суши Земли, эмитирует в атмосферу 6,3% от глобальной почвенной эмиссии СО₂ [135].

Однако, полученную величину суммарной эмиссии нельзя назвать окончательной, так как недостаточно фактического материала по дыханию отдельных типов почв, особенно на территории Восточной Сибири.

Н.Ф. Деева, А.А. Ильина

• Эмиссия СО₂ почвенным покровом, масштаб 1:30 000 000

Источник