Ретроспективное и прогнозное моделирование динамики запасов органического углерода в длительном полевом опыте с льняным севооборотом

Аннотация

С помощью модели RothC-26.3 была воспроизведена 62-летняя динамика почвенного органического углерода (ПОУ) в дерново-среднеподзолистой почве длительного полевого опыта ФГБУ ФНЦ ЛК. При помощи имитационного моделирования проведена оценка перспективы увеличения запасов ПОУ до 2090 года путем изменения агротехнологических приемов в рамках двух климатических и двух адаптационных экономических сценариев. Изучена возможность использования альтернативных источников удобрений и минимальной обработки почвы как дополнительных подходов к накоплению ПОУ. Показано, что при сохранении существующих технологий в условиях будущего климата увеличение запасов ПОУ в пахотном слое (0–20 см) исследуемых почв до 2090 года может составить до 34% от начального содержания, а при реализации углеродсберегающих технологий (изменение структуры севооборотов, а также доз и источников органических удобрений) накопление ПОУ может обеспечить прирост запасов к 2090 году до 82%. Максимальная скорость секвестрации при разных климатических сценариях может составить до 11‰/год. Из альтернативных источников органических удобрений наилучший результат показало применение компостов и торфосмесей, обеспечивающих дополнительное накопление ПОУ до 10,6 тга–1 по сравнению с использованием навоза КРС, тогда как применение сидерального пара и минимальной обработки почвы не может рассматриваться как оптимальная стратегия накопления ПОУ в почве, поскольку данные приемы приводят к меньшему накоплению по сравнению с использованием навоза КРС. Показано, что исследуемые почвы обладают значительным потенциалом для накопления органического углерода при сохранении их сельскохозяйственной эксплуатации.

Литература

1.    Кузьменко Н.Н. Оценка эффективности разной насыщенности льняного севооборота удобрениями // Плодородие. 2020. № 2 (113). С. 6–9. https://doi.org/10.25680/S19948603.2020.113.02
2.    Левин Ф.И. Количество растительных остатков в посевах полевых культур и его определение по урожаю основной продукции // Агрохимия. 1977. № 8. С. 36–42.
3.    Мелешко В.П., Катцов В.М., Говоркова В.А. и др. Изменения климата России в XXI веке. СПб., 2008. 43 с.
4.    Павлова В.Н. Агроклиматические ресурсы и продуктивность сельского хозяйства России при реализации новых климатических сценариев в XXI веке // Тр. Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова. 2013. № 569. С. 20–37.
5.    Романенков В.А. Динамика запасов почвенного углерода в агроценозах европейской территории России (по данным длительных агрохимических опытов): Дис. … д-ра биол. наук. М., 2011. 403 c.
6.    Хайдуков К.П. Влияние длительного применения удобрений на содержание и качественный состав органического вещества в дерново-подзолистой почве: Дис. ... канд. с.-х. наук. М., 2012. 116 с.
7.    Хусниев И.Т., Романенков В.А., Пасько С.В. и др. Агротехнологический потенциал управления органическим углеродом чернозёмов обыкновенных в зернопаропропашном севообороте // Российская сельскохозяйственная наука. 2022. № 3. С. 38–44. https://doi.org/10.31857/S2500262722030085
8.    Alam M.K., Bell R.W., Biswas W.K. Increases in soil sequestered carbon under conservation agriculture cropping decrease the estimated greenhouse gas emissions of wetland rice using life cycle assessment // Journal of Cleaner Production. 2019. Vol. 224. P. 72–87. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.03.215
9.    Coleman K., Jenkinson D.S. A model for the turnover of carbon in soil: Model description and users guide. IACR, 1996.
10.    Conant R.T., Paustian K., Elliott E.T. Grassland management and conversion into grassland: effects on soil carbon // Ecological Applications. 2001. Vol. 11, № 2. P. 343–355. https://doi.org/10.1890/1051-0761(2001)011[0343:GMACIG]2.0.CO;2
11.    Cong R., Xu M., Wang X. et al. An analysis of soil carbon dynamics in long-term soil fertility trials in China // Nutrient Cycling in Agroecosystems. 2012. Vol. 93, № 2. P. 201–213. https://doi.org/10.1007/s10705-012-9510-4
12.    Dimassi B., Guenet B., Saby N.P. et al. The impacts of CENTURY model initialization scenarios on soil organic carbon dynamics simulation in French long-term experiments // Geoderma. 2018. Vol. 311. P. 25–36. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.09.038
13.    Falloon P., Smith P., Coleman K. et al. Estimating the size of the inert organic matter pool from total soil organic carbon content for use in the Rothamsted carbon model // Soil Biology and Biochemistry. 1998. Vol. 30, № 8–9. P. 1207–1211. https://doi.org/10.1016/S0038-0717(97)00256-3
14.    He Y.T., Zhang W.J., Xu M.G. et al. Long-term combined chemical and manure fertilizations increase soil organic carbon and total nitrogen in aggregate fractions at three typical cropland soils in China // Science of the Total Environment. 2015. Vol. 532. P. 635–644. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.06.011
15.    Husniev I., Romanenkov V., Siptits S. et al. Perspectives on effective long-term management of carbon stocks in chernozem under future climate conditions // Agriculture. 2023. Vol. 13, № 10. P. 1901. https://doi.org/10.3390/agriculture13101901
16.    Ilichev I., Romanenkov V., Lukin S. et al. Arable podzols are a substantial carbon sink under current and future climates: evidence from a long-term experiment in the Vladimir region, Russia // Agronomy. 2021. Vol. 11, № 1. P. 90. https://doi.org/10.3390/agronomy11010090
17.    Khusniev I.T., Romanenkov V.A. Simulation modeling of the efficiency of application of various organic fertilizers on plowed chernozems under changing climate conditions // Moscow University Soil Science Bulletin. 2024. Vol. 79, № 5. P. 647–655. https://doi.org/10.3103/S0147687424700637
18.    Kurganova I., Lopes de Gerenyu V., Six J. et al. Carbon cost of collective farming collapse in Russia // Global Change Biology. 2014. Vol. 20, № 3. P. 938–947. https://doi.org/10.1111/gcb.12379
19.    Lal R. Digging deeper: A holistic perspective of factors affecting soil organic carbon sequestration in agroecosystems // Global Change Biology. 2018. Vol. 24, № 8. P. 3285–3301. https://doi.org/10.1111/gcb.14054
20.    Lal R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security // Science. 2004. Vol. 304, № 5677. P. 1623–1627. https://doi.org/10.1126/science.1097396
21.    Lugato E., Bampa F., Panagos P. et al. Potential carbon sequestration of European arable soils estimated by modelling a comprehensive set of management practices // Global Change Biology. 2014. Vol. 20, № 11. P. 3557–3567. https://doi.org/10.1111/gcb.12551
22.    Martin M.P., Dimassi B., Román Dobarco M. et al. Feasibility of the 4 per 1000 aspirational target for soil carbon: A case study for France // Global Change Biology. 2021. Vol. 27, № 11. P. 2458–2477. https://doi.org/10.1111/gcb.15547
23.    Meehl G. A., Covey C., Delworth T. et al. The WCRP CMIP3 multimodel dataset: A new era in climate change research // Bulletin of the American Meteorological Society. 2007. Vol. 88, № 9. P. 1383–1394. https://doi.org/10/1175/BAMS-88-9-1383
24.    Meersmans J., Arrouays D., Van Rompaey A.J. et al. Future C loss in mid-latitude mineral soils: Climate change exceeds land use mitigation potential in France // Scientific Reports. 2016. Vol. 6, № 1. P. 35798. https://doi.org/10.1038/srep35798
25.    Mockevičienė I., Karčauskienė D., Repšienė R. The response of Retisol's carbon storage potential to various organic matter inputs // Sustainability. 2023. Vol. 15, № 15. P. 11495. https://doi.org/10.3390/su151511495
26.    Murphy J., Kattsov V., Keenlyside N. et al. Towards prediction of decadal climate variability and change // Procedia Environmental Sciences. 2010. Vol. 1. P. 287–304. https://doi.org/10.1016/j.proenv.2010.09.018
27.    Paustian K., Lehmann J., Ogle S. et al. Climate-smart soils // Nature. 2016. Vol. 532, № 7597. P. 49–57. https://doi.org/10.1038/nature17174
28.    Pavlova V., Shkolnik I., Pikaleva A. et al. Future changes in spring wheat yield in the European Russia as inferred from a large ensemble of high-resolution climate projections // Environmental Research Letters. 2019. Vol. 14, № 3. P. 034010. https://doi.org/10.1088/1748-9326/aaf8be
29.    Poulton P., Johnston J., Macdonald A et al. Major limitations to achieving «4 per 1000» increases in soil organic carbon stock in temperate regions: Evidence from long-term experiments at Rothamsted Research, United Kingdom // Global Change Biology. 2018. Vol. 24, № 6. P. 2563–2584. https://doi.org/10.1111/gcb.14066
30.    Prokopyeva K., Romanenkov V., Sidorenkova N. et al. The effect of crop rotation and cultivation history on predicted carbon sequestration in soils of two experimental fields in the Moscow region, Russia // Agronomy. 2021. Vol. 11, № 2. P. 226. https://doi.org/10.3390/agronomy11020226
31.    Shkolnik I., Pavlova T., Efimov S. et al. Future changes in peak river flows across northern Eurasia as inferred from an ensemble of regional climate projections under the IPCC RCP8.5 scenario // Climate Dynamics. 2018. Vol. 50, № 1. P. 215–230. https://doi.org/10.1007/s00382-017-3600-6
32.    Slepetiene A., Belova O., Fastovetska K. et al. Advances in understanding carbon storage and stabilization in temperate agricultural soils // Agriculture. 2025. Vol. 15, № 23. P. 2489. https://doi.org/10.3390/agriculture15232489
33.    Smith J.U., Smith P. «MODEVAL»: Quantitative methods to evaluate and compare SOM models. 1995.
34.    Stocker T.F., Qin D., Plattner G.-K. et al. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of IPCC the Intergovernmental Panel on Climate Change; Midgley, P.M., Ed. Cambridge, 2014. 1535 p.
35.    Stockmann U., Padarian J., McBratney A., et al. Global soil organic carbon assessment // Global Food Security. 2015. Vol. 6. P. 9–16. https://doi.org/10.1016/j.gfs.2015.07.001
36.    Waqas M.A., Li Y.E., Smith P. et al. The influence of nutrient management on soil organic carbon storage, crop production, and yield stability varies under different climates // Journal of Cleaner Production. 2020. Vol. 268. P. 121922. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.121922