CC BY
1МЕЛИОРАЦИЯ, ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО И АГРОФИЗИКА
Научная статья УДК 631.45:57.014
doi: 10.31774/2712-93 57-2024-14-4-171-192
Алгоритм оптимизации потоков органического углерода и азота на мелиорированных землях
Михаил Николаевич Лытов
Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого земледелия -филиал Федерального научного центра гидротехники и мелиорации имени А. Н. Костякова, Волгоград, Российская Федерация, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-2743-9825
Аннотация. Цель: разработать научные подходы и алгоритм оптимизации потоков органического углерода и азота на мелиорированных землях. Материалы и методы. Рабочая гипотеза исследований состоит в предположении, что для любого уровня биопродуктивности агроценоза необходимо пропорциональное количество разлагаемого органического вещества, которое не должно превышать определенной доли содержащегося в почве лабильного органического вещества. Результаты. Разработан алгоритм, который оперирует двумя основными регуляторами: массой внесения минерального азота и органического вещества, и определяет для них оптимальный баланс, обеспечивающий как минимум неотрицательный тренд воспроизводства стабильного гумуса при достижении целевых индикаторов по уровню биопродуктивности агроцено-за. В основу алгоритма положено составление прогноза динамики разложения органического вещества при заданных условиях. Динамика разложения определяет количество высвобождаемого в почве азота и коррелируемую с этим биопродуктивность посевов с одной стороны и направленность процессов трансформации пулов стабильной и лабильной органики с другой стороны. Для решения оптимизационной задачи со стороны «углеродной» ветви алгоритма установлено ограничение допустимого разложения лабильных форм органического вещества. Со стороны «азотной» ветви алгоритма используется целевая функция достижения планируемой биопродуктивности агроцено-за. В качестве результата решения выводятся основные параметры внесения минеральных форм азота и органического вещества, включая пожнивно-корневые остатки, соломистую биомассу, сидераты, отходы животноводства и продукты их переработки. Вывод: предложен алгоритм оптимизации управления потоками органического углерода и азота, который на мелиорированных землях позволяет решать задачи интенсификации производства, сохранения и расширенного воспроизводства плодородия почвы.
Ключевые слова: органический углерод, органическое вещество, азот, биопродуктивность агроценоза, плодородие почвы, алгоритм, управление потоками
Для цитирования: Лытов М. Н. Алгоритм оптимизации потоков органического углерода и азота на мелиорированных землях // Мелиорация и гидротехника. 2024. Т 14, № 4. С. 171-192. https://doi.org/10.31774/2712-9357-2024-14-4-171-192.
LAND RECLAMATION, WATER MANAGEMENT AND AGROPHYSICS Original article
Algorithm for optimizing organic carbon and nitrogen flows on reclaimed lands
© Лытов М. Н., 2024
Mikhail N. Lytov
All-Russian Research Institute of Irrigated Agriculture - branch of the Federal Scientific Center of Hydraulic Engineering and Land Reclamation named after A. N. Kostyakov, Volgograd, Russian Federation, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-2743-9825
Abstract. Purpose: to develop scientific approaches and an algorithm for optimizing organic carbon and nitrogen flows on reclaimed lands. Materials and methods. The working hypothesis of the research is that any level of agrocenosis bioproductivity requires a proportional amount of decomposable organic matter, which should not exceed a certain share of labile organic matter contained in the soil. Results. An algorithm that operates with two main regulators: the application mass of mineral nitrogen and organic matter, and determines the optimal balance for them, ensuring at least a non-negative trend in stable humus reproduction while achieving target indicators for the level of agrocenosis bioproductivity, has been developed. The algorithm is based on forecasting the dynamics of organic matter decomposition under given conditions. The dynamics of decomposition determines the amount of nitrogen released in the soil and the bioproductivity of crops correlated with it, on the one hand, and the direction of the transformation processes of pools of stable and labile organic matter, on the other hand. To solve the optimization problem on the part of the "carbon" branch of the algorithm, a limitation of the permissible decomposition of labile forms of organic matter is established. On the part of the "nitrogen" branch of the algorithm, the target function of achieving the planned agrocenosis bioproductivity is used. As a result of the solution, the main parameters of the application of mineral forms of nitrogen and organic matter are derived, including crop-root residues, straw biomass, green manure, livestock waste and products of their processing. Conclusion: an algorithm for optimizing the management of organic carbon and nitrogen flows is proposed, which allows solving problems of intensifying production, preserving and expanding the soil fertility reproduction on reclaimed lands.
Keywords: organic carbon, organic matter, nitrogen, agrocenosis bioproductivity, soil fertility, algorithm, flow management
For citation: Lytov M. N. Algorithm for optimizing organic carbon and nitrogen flows on reclaimed lands. Land Reclamation and Hydraulic Engineering. 2024;14(4): 171-192. (In Russ.). https://doi.org/10.31774/2712-9357-2024-14-4-171-192.
Введение. Решение задачи оптимального управления потоками органического углерода и азота на мелиорированных землях имеет несколько важных аспектов [1-3]. Возможность регулирования гидротермического режима почвы существенным образом изменяет процессы почвообразования, смещает обеспеченность значимых в этом отношении факторов, формируя условия, не свойственные региону и не характерные для него. Гидромелиорации увеличивают мобильность большинства биогенных элементов, усиливают миграцию питательных веществ за счет формирования новых, искусственным образом созданных статей водного баланса. Важным моментом является существенное увеличение ресурсоемкости производства за счет вовлечения новых ресурсов и необходимости поддержания
мелиоративных режимов. Последнее требует существенного повышения продуктивности агропроизводства, перехода на интенсивные технологии для обеспечения экономически рентабельных проектов. Гидротехнические мелиорации и интенсивное производство практически неразрывно связаны друг с другом [4].
Один из классических законов земледелия о равнозначности и незаменимости факторов жизни растений постулирует понимание, что все факторы: свет, тепло, вода и минеральное питание - одинаково важны для растения, а исключение хотя бы одного несовместимо с сохранением функций живого организма. Однако в условиях реального производства факторы жизни растений всегда обеспечены не одинаково, что определяет формулу уже другого закона земледелия - о лимитирующих факторах. Эффективное плодородие почвы определяется комплексом факторов, но для большинства пахотных земель мелиорированного фонда лимитирующим является содержание азота [5-7]. Этот очень мобильный биогенный элемент, участвующий практически во всех важных физиологических процессах растений, на мелиорированных землях имеет особенное значение. Мелиорация требует интенсификации производства, роста биопродуктивности земель, что невозможно без повышения обеспеченности почвы доступными для растений формами азота. Азот, как главный элемент, лимитирующий продуктивность растений, является основным и самым эффективным драйвером биопродуктивности агрофитоценозов, в т. ч. мелиорированных. То есть «интенсификация производства» равна «увеличению обеспеченности почвы доступными формами азота». Это, конечно, не означает, что только фактор азотного питания определяет уровень интенсивности производства. Но это значит, что без активизации азотного питания интенсификация производства невозможна.
Биосферно-ориентированные принципы регулирования потоков биогенных элементов на мелиорированных землях в числе одного из основных
включают принцип природоподобия, который определяет необходимость использования приемов, максимально копирующих процессы, свойственные естественной природной среде [8]. Поступление в почву азота в естественной среде самым тесным образом связано с поступлением органики -растительной органики и отходов животного мира. Значимую роль играет микробная или симбиотическая фиксация атмосферного азота, однако в почвенные процессы вовлекаются уже продукты разложения этой биотической массы.
Получается, что биопродуктивность агроценозов, в т. ч. мелиорированных, пропорциональна объему разлагаемой органики. Или, если сформулировать несколько иначе: каждому уровню биопродуктивности должен соответствовать определенный объем разлагаемого органического вещества. Внесение минерального азота позволяет повысить биопродуктивность агроценозов и на первый взгляд уйти от этого правила. Но азотные удобрения стимулируют минерализацию органического вещества, т. е. при этом требуется дополнительный объем разлагаемой органики.
Органическое вещество также является значимым показателем плодородия почвы. Какое-то время плодородие почвы отождествляли с уровнем содержания органического вещества - гумуса. И хотя сейчас эти представления в какой-то мере пересматриваются, количественные и качественные характеристики гумуса в почве остаются ведущими показателями, по совокупности которых судят о плодородии почвы [9-11].
Таким образом, интенсификация производства требует усиления азотного питания, что связано с активизацией процессов минерализации почвенной органики. С другой стороны, увеличение биопродуктивности земель невозможно без повышения плодородия почвы, что связано с необходимостью накопления стабильного гумуса, в противовес минерализации. Задача оптимального управления потоками органического углерода и азота состоит в том, чтобы найти такой баланс между минеральными и органи-
ческими источниками азота, который бы обеспечил планируемую биопродуктивность агроценоза и накопление стабильного гумуса в почве.
Цель исследования - разработать научные подходы и алгоритм оптимизации потоков органического углерода и азота на мелиорированных землях.
Материалы и методы. Современные представления об органическом веществе почвы включают понятия лабильного органического вещества и стабильного органического вещества [10-13]. При этом вторая часть играет небольшую роль в высвобождении азота и формировании пула его доступных форм. Стабильное органическое вещество или стабильный гумус имеет большое значение в формировании многих важных с точки зрения плодородия свойств почвы.
Высвобождение доступных форм азота связано с разложением лабильных форм органического вещества. Однако следует учитывать, что при дефиците лабильного органического вещества условия сохранения стабильного пула могут нарушаться и эта часть гумуса также может быть подвергнута активной минерализации. Это уже связано с ущербом для потенциального плодородия почвы, изменением свойств почвы, формировавшихся в течение длительного времени, риском деградации земель. Поэтому лабильное органическое вещество можно считать своеобразным демпфером по отношению к стабильной части гумуса. Кроме того, именно лабильный пул является той самой частью органического вещества, которая при разложении должна обеспечить высвобождение достаточного количества доступных форм азота.
Лабильное органическое вещество как термин является сравнительно недавним продуктом научной эволюции. В отношении этой части почвенной органики еще ведутся дискуссии, нет единого мнения о его составе, свойствах и способах определения. Наше понимание лабильного органического вещества наиболее близко к формуле той номенклатурной схемы,
которую предложили В. Г. Мамонтов, Ж. У. Мамутов, М. М. Кузелев [13] на основании совместно проведенных исследований. Согласно предложенной ими номенклатурной схеме лабильное органическое вещество включает две группы веществ, которые могут существенно различаться между собой как составом, так и свойствами. При этом первая группа объединяет легкоразлагаемые компоненты органического вещества (органические удобрения, растительные остатки, детрит, остатки микроорганизмов и т. д.), а вторая - лабильные гумусовые вещества (новообразованные гумусовые соединения, непрочно связанные гумусовые кислоты, продукты метаболизма почвенной микрофлоры и т. д.). Эти две группы веществ тесно связаны друг с другом, в какой-то мере их можно ассоциировать с этапами преобразований почвенного органического вещества, однако в статическом скрине они должны рассматриваться в совокупности, так как играют решающую роль как в продуцировании доступных форм азота, так и в формировании свойств почвы.
Таким образом, органические удобрения и растительные остатки, попадая в почву, становятся частью легко разлагаемых органических веществ, входящих в состав лабильного органического вещества. Используя органические удобрения и растительные остатки агроценозов в качестве регуляторов, можно достаточно быстро и в контролируемом объеме пополнять запасы органического вещества почвы. Конечно, при этом нужно учитывать, что динамика трансформации легко разлагаемого органического вещества и баланс между этой группой веществ и группой лабильных гуминовых веществ зависят от целого комплекса факторов, так или иначе связанных с микробиологической активностью почвы. Большое значение здесь имеют объем и химический состав поступающего органического вещества, свойства самой почвы, применяемые агротехнические и мелиоративные приемы и т. д. Кроме того, лабильные гуминовые вещества явля-
ются не единственным пулом, осуществляющим отбор органического углерода легко разлагаемых органических веществ.
Рабочая гипотеза исследований состоит в предположении, что для любого уровня биопродуктивности агроценоза необходимо пропорциональное количество разлагаемого органического вещества, которое не должно превышать определенной доли содержащегося в почве лабильного органического вещества.
Методологической основой исследования являются современные теории органического вещества почвы [2, 14, 15-17], сохранения и воспроизводства плодородия орошаемых земель [1, 3, 5, 18, 19], теория биосферно-экологического обоснования комплексных мелиораций [8, 20, 21].
Результаты и обсуждение. Упрощенная схема трансформации легко разлагаемого органического вещества приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Упрощенная схема трансформации легко разлагаемого органического вещества в почве Figure 1 - Simplified diagram of transformation of easily decomposable organic matter in soil
Продукты разложения поступающих в почву растительных остатков, экскрементов животных и (или) органических удобрений при непосред-
ственном участии микробиома почвы формируют группы веществ, условно разделяемые на лабильное и стабильное органическое вещество, аммоний (NH 4), нитриты (NO 2) и нитраты (NO 3), являющиеся основными питательными формами растений и источником дальнейшего преобразования соединений с выделением летучих форм (аммиак NH3, восстановленный азот (N2), диоксид углерода (CO2), метан (CH4) и т. д.). Регулятор, в качестве которого можно рассматривать в том числе и агротехнические приемы, определяет состав и динамику поступления органического вещества в почву. От этого в значительной мере зависят формирование микробиома почвы, динамика разложения и нитрификации, другие почвенные процессы.
Использование регулятора поступления органического вещества в почву является необходимым условием управления потоками органического углерода и азота, однако не решает задачу оптимального управления. Интенсификация производства, предполагающая повышение биопродуктивности агроценозов, - важная, но не единственная задача оптимального управления потоками органического углерода и азота. Сегодня приоритетные задачи, которые ставятся перед сельскохозяйственной наукой и производством, - это предотвращение и прерывание деградационных процессов, сохранение и расширенное воспроизводство плодородия почвы, снижение выбросов диоксида углерода и депонирование углерода в почве. Собственно, расширенное воспроизводство плодородия почвы, непосредственно связанное с накоплением лабильных и стабильных форм органического углерода, положительно коррелирует с депонированием углерода и снижением углеродных выбросов. Эти задачи взаимосвязаны и могут использовать одинаковые инструменты для решения. Задача науки заключается в том, чтобы регулировать процессы оптимальным образом, находя компромисс между жизненно необходимым повышением биопродуктивности земель (решение продовольственной проблемы) и расширенным воспроиз-
водством плодородия почвы, связанным с накоплением органического углерода. На рисунке 2 приведена блок-схема алгоритма оптимизации управления потоками органического углерода и азота на мелиорированных землях.
В качестве основных инструментов регулятора потоков органического углерода и азота в почве рассматриваются азотные (минеральные) удобрения и доступные инструменты регулирования органического вещества, Мс. Таким инструментом может быть использование растительных остатков и неиспользуемой биомассы растений, сидератов, экскрементов выпасаемых животных, органических удобрений животного, а также растительно-животного происхождения. Задача оптимизации состоит в том, чтобы найти количественные параметры использования минерального азота и органики, которые могли бы обеспечить получение планируемого уровня биопродуктивности и условия для сохранения и накопления органического углерода почвы, прежде всего, в стабильных и во вторую очередь - в лабильных формах и соединениях. На рисунке 2 эти компоненты обозначены соответственно ^удобр и Мс.
Исходные данные, необходимые для запуска расчетов в соответствии с предложенным алгоритмом, также включают всевозможные почвенные показатели-характеристики, климатические и метеорологические данные, сведения об агротехнике и севооборотах, сведения о мелиоративных приемах и поддерживаемых мелиоративных режимах и т. д. В качестве основного процессорного блока алгоритм предлагает использовать одну из уже разработанных и хорошо зарекомендовавших себя в мировой практике моделей, рисунок содержит перечисление наиболее перспективных из них. Использование моделей позволяет проводить многофакторные расчеты для составления наиболее точных и обоснованных прогнозов.
Рисунок 2 - Алгоритм оптимизации потоков органического углерода и азота на мелиорированных землях
Figure 2 - Algorithm for optimizing organic carbon and nitrogen flows on reclaimed lands
Например, известная модель DNDC включает такие объекты, как климат, почва, растительность, учитывает такие экологические факторы, как температура, влажность, рН, окислительно-восстановительный потенциал, и позволяет сформировать надежный прогноз по накоплению лабильных и стабильных пулов органического углерода, выбросам диоксида углерода, образованию NH* (аммоний), NO 3 (нитраты), NO (окись азота) и т. д.
В качестве основного критерия повышения биопродуктивности агро-ценозов принято накопление доступных форм азота в почве. Предполагается, что прогнозируемое накопление аммония (NH4) и нитратов (NO3) прямо пропорционально уровню продуктивности возделываемой культуры:
Y = f(N), (1)
где Y - уровень биопродуктивности мелиорированного агроценоза, т/га;
N - обобщенный показатель содержания в почве доступных форм азота, мг/кг.
Это будет действительно так до достижения определенного, критического уровня доступного азота N . Следует отметить, что, наряду с образованием доступных растениям форм азота, формируются и потери, в т. ч. в виде эмиссии газообразных соединений, стока растворенных, преимущественно нитратных, форм.
Высвобождение химических соединений азота из поставляемой в почву органики (регулируемый компонент) самым непосредственным образом связано с разложением органического вещества. При этом объем высвобождаемых форм азота прямо пропорционален объему разлагаемого органического вещества и доле содержащегося в нем азота:
N = f (-АСорг.) • kN + ^добР. + NзаTоП. + Nосaд., (2)
где (-АСорг) - масса разлагаемого органического вещества, кг/га;
kN - коэффициент, учитывающий содержание азота в органическом веществе, %/100;
N - внесение действующего вещества азота с минеральными удобрениями, кг/га;
N3aTon - поступление азота с водой на затопляемых участках, кг/га;
Nocaa - поступление азота с атмосферными осадками, кг/га.
Помимо разлагаемого органического вещества источником доступных форм азота в почве для растений может стать минеральный азот удобрений, поступление азота с атмосферными осадками или при затоплении полей в половодье.
Минеральный азот удобрений - мощный фактор увеличения доступности этого питательного элемента в почве и повышения биопродуктивности агроценозов. При этом важно помнить, что поступивший с удобрениями азот сам является драйвером минерализации органического вещества. Это означает, что скорость разложения органического вещества можно полагать пропорциональной количеству внесенного минерального азота при прочих равных условиях:
ЬС^ ~ С : N = f (N^) или ^АС^ = f(Nут(р), (3)
где АТ - фактор времени, с;
С : N - соотношение органического углерода и азота в почве.
Алгоритм учитывает эту зависимость для определения скорости минерализации органического вещества и объема выделяемого при этом диоксида углерода, метана и других продуктов разложения.
Количество разлагаемого органического вещества (-АС г) рассматривается в качестве одного из критериев оптимального управления потоками органического углерода и азота на мелиорированных землях. Учитывая необходимость сохранения и стабильного воспроизводства плодородия почвы, что непосредственным образом связано с как минимум неотрицательной динамикой пополнения стабильного пула органического углерода, и демпфирующую роль лабильного пула органического углерода, приняли:
- количество разлагаемого органического вещества не должно превышать той части лабильного пула, которая обеспечивает сохранение положительной динамики накопления стабильного гумуса:
(-АСорг.) < к^ • СЛоВ., (4)
где k - коэффициент допустимого уровня минерализации органического вещества, при котором сохраняется положительный тренд накопления стабильного гумуса;
Слов - содержание лабильного органического вещества в почве, кг/га;
- разложение органического вещества является процессом, а следовательно, как и любой процесс, характеризуется динамикой, поэтому рассматривается во времени:
(-АСорГ) = (-АСлов.)
АТ АТ ' ( )
При этом важно, чтобы поступление легкоразлагаемого органического вещества в динамике компенсировало разложение лабильного органического вещества:
АСлов. < АСлров. ZV-N.
АТ < АТ '
где АС характеризует поступление легкоразлагаемого органического
вещества, включающего в том числе органические удобрения, растительные остатки, детрит, остатки микроорганизмов и др.
Если эти условия не выполняются, алгоритм предусматривает корректировку параметров регулятора потоков по критерию ММ, характеризующему общую массу вносимого в почву органического вещества. Алгоритм использует итерационный механизм подбора параметров Мс. Для этого к исходной величине Слов прибавляется постоянная величина итерационного перебора АСЛ0В i:
С С АС
^лов! _ лов/-1 I ^лов/ rn\
АТ ~ АТ АТ ' ( )
где / - порядковый номер итерационного перебора алгоритма оптимизации управления потоками органического углерода и азота на мелиорированных землях.
А учитывая требование, формализованное выражением (6), осуществим переход к органической биомассе:
АСЛоВ/ _ АСлров. _ ¿р.Мр. + к.лмж. _ КрМс
(8)
АТ АТ АТ АТ
где кр , кж - коэффициенты вовлечения органического углерода поступающих на поле соответственно растительных остатков (биомассы, сиде-ральной массы) и отходов животноводства в формирование пула лабильных органических веществ, %/100;
Мр - масса вносимых в почву растительных остатков, соломы, сидера-
тов и другой органики растительного происхождения, кг/га;
Мж - масса вносимых в почву продуктов переработки отходов животноводства, экскрементов животных свободного выгула, кг/га;
к - приведенный коэффициент вовлечения органического углерода
поступающей на поле органической биомассы в формирование пула лабильных органических веществ, %/100.
Итерации этой ветви алгоритма повторяются, пока количество вносимой органики не будет соответствовать тому объему легкоразлагаемого органического вещества, который обеспечит сохранение достаточного пула лабильных органических веществ и как минимум неотрицательный тренд накопления стабильного гумуса. Если это условие выполняется, можно считать, что баланс между внесением минерального азота и поступлением его в результате минерализации органического вещества почвы достигнут. Однако теперь следует оценить, достаточно ли того количества
азота, высвобождаемого и доступного растениям, для формирования планируемого уровня продуктивности агроценоза. Для решения этой задачи могут быть использованы индивидуальные зависимости (1), установленные для видов и сортов возделываемых сельскохозяйственных культур с учетом агротехнического фона и природных особенностей территории.
Такие зависимости имеют типичную форму одновершинной кривой, имеющей восходящую ветвь (зона эффективного регулирования), участок стабилизации (зона насыщения) и нисходящую ветвь (зона угнетения). Критическая концентрация азота (N ) в почве соответствует как раз максимальному уровню биопродуктивности агроценоза. Интересующий нас участок кривой лежит в зоне эффективного регулирования, по левую сторону от критического уровня концентрации азота. Проверка того, соответствуют ли параметры регулятора зоне эффективного регулирования, является первой ступенью оценки оптимальности азотного питания.
Необходимо отметить, что запуск второй ветви алгоритма осуществляется, только если установлены баланс и оптимальные параметры внесения органического вещества в почву. Однако эти параметры предполагают выход на какой-то один, в достаточной мере определенный, уровень азотного питания. Достаточно ли этого уровня азотного питания для формирования планируемой продуктивности агроценоза - это задача как раз второй ветви алгоритма.
Задача решается в два этапа. На первом этапе алгоритм осуществляет проверку, соответствует ли прогнозируемый уровень продуктивности аг-роценоза запланированному уровню урожайности. Если условие соблюдается, то работа алгоритма считается выполненной и выводятся результаты оптимизационных вычислений - допустимое количество внесения азота в минеральной форме и необходимое количество внесения органического вещества. Если же условие не выполняется, проводится проверка смещения прогнозируемой продуктивности относительно планируемого уровня.
На втором этапе при прогнозировании продуктивности агроценоза ниже планируемого уровня алгоритм инициирует увеличение дозы внесения азота в минеральной форме:
""удобр' ""удобр.'-1 ^ А^удобр.' , (9)
где j - порядковый номер интеграции j-й (азотной) ветви алгоритма.
Соответственно, если прогнозируемый уровень продуктивности агроценоза выше планируемого или высвобождаемое в результате разложения органического вещества и внесения минеральных удобрений количество азота больше критического, выполняется коррекция с отрицательным знаком.
Некоторые пояснения следует сделать относительно планируемого уровня продуктивности (урожайности) агроценоза (сельскохозяйственной культуры). Планируемый урожай является результатом производственной деятельности, а значит, имеет затратную часть. Учитывая нелинейность взаимосвязи «азот - урожай», следует полагать последовательное увеличение стоимости ресурсов и снижение окупаемости затрат урожаем. В этом смысле планируемая урожайность любой сельскохозяйственной культуры может быть обоснована получением наибольшей экономической прибыли в расчете на каждый вложенный рубль затрат:
Ц7 ' ^план.
^ max, (10)
Цпр. ' ^б.т. + Цр.ост. ' Мр. + Цж.отх ' Мж. + ЦN ' ^удобр.
где Ц - цена хозяйственно ценной части урожая, руб./кг;
Цпр - приведенная стоимость ресурсов базовой технологии возделывания культуры, руб./ед.;
- ресурсное обеспечение базовой технологии возделывания культуры, ед.;
ЦР ост - стоимость внесения растительной органики, руб./кг;
Мр - масса вносимой в почву растительной органики, кг;
Цжотх. - стоимость внесения животной органики, руб./кг;
Мж - масса вносимой в почву растительной органики, кг;
Цдг - стоимость минеральных удобрений, руб./кг.
При этом условие оптимального баланса между минеральными и органическими источниками доступного азота в почве должно в полной мере соблюдаться.
Итогом итерационных расчетов «азотной ветви» алгоритма является либо установление новой дозы внесения минерального азота, либо заключение о соответствии полученных результатов планируемым. В первом случае запускается новый цикл расчетов «углеродной ветви» для определения оптимального баланса при использовании минеральных и органических источников азота в почве. Во втором случае алгоритм выводит результаты оптимизационных расчетов в части параметров ^удобр и Мс, которые являются основными инструментами управления потоками органического углерода и азота в почве.
Выводы. Разработан алгоритм оптимального управления потоками органического углерода и азота, который на мелиорированных землях позволяет решать задачи интенсификации производства, сохранения и расширенного воспроизводства плодородия почвы в совокупности и на системной основе. Алгоритм оперирует двумя основными регуляторами: массой внесения минерального азота и органического вещества, и определяет для них оптимальный баланс, который обеспечивает как минимум неотрицательный тренд воспроизводства стабильного гумуса при достижении целевых индикаторов по уровню биопродуктивности агроценоза.
Работа алгоритма основана на составлении прогноза динамики разложения органического вещества при заданных условиях, которая определяет количество высвобождаемого в почве азота и коррелируемую с этим
биопродуктивность посевов с одной стороны и направленность процессов трансформации пулов стабильной и лабильной органики с другой стороны.
Учитывая сложность всей совокупности процессов, которые определяют динамику разложения органического вещества, в качестве основного прогнозного блока алгоритма использовали хорошо зарекомендовавшие себя имитационные модели, такие как DNDC, NCSOIL, CENTURY и др.
Для решения оптимизационной задачи со стороны «углеродной» ветви алгоритма установлено ограничение допустимого разложения лабильных форм органического вещества. Со стороны «азотной» ветви алгоритма используется целевая функция достижения планируемой биопродуктивности агроценоза.
В качестве результата решения выводятся основные параметры внесения минеральных форм азота и органического вещества, включая по-жнивно-корневые остатки, соломистую биомассу, сидераты, отходы животноводства и продукты их переработки.
Список источников
1. Щедрин В. Н. Влияние регулярного и циклического видов орошения на почвенное плодородие и продуктивность чернозема обыкновенного Азовской оросительной системы // Почвоведение. 2016. № 2. С. 249-256. DOI: 10.7868/S0032180X16020118. EDN: VPYBCB.
2. Пронько Н. А., Корсак В. В., Корнева Т. В. Особенности дегумификации орошаемых темнокаштановых почв Саратовского Заволжья // Вестник Саратовского госаг-роуниверситета им. Н. И. Вавилова. 2009. № 10. С. 42-46. EDN: KWCUHN.
3. Бабичев А. Н., Докучаева Л. М., Юркова Р. Е. Особенности изменения мелиоративного состояния и почвенного плодородия при регулярном орошении и в постмелиоративный период земель юга России // Мелиорация и гидротехника [Электронный ресурс]. 2023. Т. 13, № 2. С. 168-185. URL: https:rosniipm-sm.ru/article?n=1361 (дата обращения: 21.10.2024). DOI: 10.31774/2712-9357-2023-13-2-168-185. EDN: OPAVOD.
4. Строков А. С. Необходимость развития мелиорации для увеличения урожайности в засушливых регионах // Аграрная наука. 2023. № 1. С. 61-64. DOI: 10.32634/ 0869-8155-2023-366-1-61-64. EDN: LBVLTH.
5. О балансе азота в почвенно-растительном покрове аридных экосистем СевероЗападного Прикаспия / Т. А. Асварова, Г. Н. Гасанов, К. М. Гаджиев, Р. Р. Баширов, К. Б. Гимбатова, А. С. Абдулаева // Аридные экосистемы. 2023. Т. 29, № 3(96). С. 36-45. DOI: 10.24412/1993-3916-2023-3-36-45. EDN: YBSEMS.
6. Шарков И. Н., Колбин С. А., Самохвалова Л. М. Проблема азота при использовании чернозема выщелоченного по интенсивной технологии в лесостепи Западной Сибири // Агрохимия. 2021. № 2. С. 3-10. DOI: 10.31857/S0002188121020101. EDN: UTCORM.
7. Optimizing nitrogen and phosphorus application to improve soil organic carbon and alfalfa hay yield in alfalfa fields / K. Wei, Ju. Zhao, Ya. Sun, I. F. López, Ch. Ma, Q. Zhang // Frontiers in Plant Science. 2024. Vol. 14. 1276580. DOI: 10.3389/fpls.2023.1276580. EDN: FDDEKO.
8. Лытов М. Н. Принципы регулирования потоков и баланса биогенных элементов на мелиорированных землях // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2023. № 3(71). С. 141-152. DOI: 10.32786/2071-9485-2023-03-14. EDN: LSWBFJ.
9. Цветнов Е. В., Марахова Н. А. Применение базовой и модифицированной методик оценки нейтрального баланса деградации земель в контексте изучения связи деградации и агропроизводства // Вестник Московского университета. Серия 17: Почвоведение. 2023. № 2. С. 106-116. DOI: 10.55959/MSU0137-0944-17-2023-78-2-106-116. EDN: IKLCJO.
10. Ахадов Д. Р. Значение основных почвенных критериев при формировании плодородия почв // Бюллетень науки и практики. 2021. Т. 7, № 11. С. 99-111. DOI: 10.33619/2414-2948/72/12. EDN: SFIIGC.
11. Jungic D., Husnjak S. Humus composition and quality in anthropogenic soils of Istria // Journal of Central European Agriculture. 2023. Vol. 24, № 3. С. 761-776. DOI: 10.5513/jcea01/24.3.3873. EDN: YKNJJX.
12. Compositional and structural characteristics of dissolved organic matter in overlying water of the Chaobai River and its environment significance / L. Zhang, Q. Sun, Yu. You, K. Zhang, Ch. Gao, Y. Peng // Environmental Science and Pollution Research. 2021. Vol. 28, № 42. P. 59673-59686. DOI: 10.1007/s11356-021-14929-9. EDN: NMLXEI.
13. Мамонтов В. Г., Мамутов Ж., Кузелев М. М. О лабильной форме органических веществ почвы // Почвоведение и агрохимия. 2011. № 3. С. 55-66. EDN: NUMTVQ.
14. Гамкало З. Г., Бедерничек Т. Ю. Лабильное органическое вещество почвы как индикатор ее экологического качества в разных условиях землепользования // Экосистемы, их оптимизация и охрана. 2014. № 10(29). С. 193-200. EDN: VKCZBZ.
15. Лабильные соединения углерода и азота, экстрагируемые горячей водой, в дерново-подзолистой почве с биоуглем и растительными остатками / В. А. Милосердо-ва, Е. Я. Рижия, Н. Е. Орлова, Т. А. Банкина // Агрофизика. 2020. № 1. С. 23-30. DOI: 10.25695/AGRPH.2020.01.04. EDN: VTJUUP.
16. Магомедкадиева А. Р., Гамзатова Х. М. Групповой и фракционный анализ гумуса каштановых почв аридных территорий Дагестана // Вестник Дагестанского государственного университета. Серия 1: Естественные науки. 2024. Т. 39, № 1. С. 89-94. DOI: 10.21779/2542-0321-2024-39-1-89-94. EDN: HHVVSM.
17. Докучаева Л. М., Юркова Р. Е. Баланс органического вещества и меры по его поддержанию в орошаемых севооборотах // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2022. № 1(85). С. 4-10. EDN: XTTPSA.
18. Тычинская И. Л., Панарина В. И., Михалева Е. С. Применение органических удобрений в решении проблем экологизации и продовольственной безопасности страны // Вестник аграрной науки. 2021. № 2(89). С. 64-74. DOI: 10.17238/issn2587-666X.20 21.2.64. EDN: YLWLSZ.
19. Кирейчева Л. В., Пуховская Т. Ю. Природоподобные технологии для повышения плодородия почвы // Плодородие. 2024. № 3(138). С. 10-14. DOI: 10.24412/19948603-2024-3138-10-14. EDN: CBFGSD.
20. Кирейчева Л. В. Биосферно-экологическое обоснование комплексных мели-ораций // Природообустройство. 2023. № 2. С. 15-22. DOI: 10.26897/1997-6011-2023-215-22. EDN: XLHRBD.
21. Влияние удобрений на плодородие орошаемых темно-каштановых почв Поволжья и продуктивность сельскохозяйственных культур / В. В. Пронько, Н. А. Пронь-ко, О. В. Рухович, М. В. Беличенко, В. А. Романенков, Т. М. Ярошенко, Н. Ф. Климова, Д. Ю. Журавлев // Агрохимия. 2020. № 6. С. 53-63. DOI: 10.31857/S0002188120060083. EDN: YWGOAY.
References
1. Shchedrin V.N., 2016. Vliyanie regulyarnogo i tsiklicheskogo vidov orosheniya na pochvennoe plodorodie i produktivnost' chernozema obyknovennogo Azovskoy orositel'noy sistemy [Effect of regular and periodic irrigation on soil fertility and productivity of ordinary chernozem of the Azov irrigation system]. Pochvovedenie [Soil Science], no. 2, pp. 249-256, DOI: 10.7868/S0032180X16020118, EDN: VPYBCB. (In Russian).
2. Pronko N.A., Korsak V.V., Korneva T.V., 2009. Osobennosti degumifikatsii oroshae-mykh temnokashtanovykh pochv Saratovskogo Zavolzh'ya [Peculiarities of dehumification in irrigated dark-chestnut soils of Saratov Trans-Volga region]. Vestnik Saratovskogo gosagrouniversiteta im. N. I. Vavilova [Bulletin of Saratov State Agrarian University named after N. I. Vavilov], no. 10, pp. 42-46, EDN: KWCUHN. (In Russian).
3. Babichev A.N., Dokuchaeva L.M., Yurkova R.E., 2023. [Features of changes in the reclamative state and soil fertility by regular irrigation and in the post-reclamation period of the southern Russian lands]. Melioratsiya i gidrotekhnika, vol. 13, no. 2, pp. 168-185, available: https:rosniipm-sm.ru/article?n=1361 [accessed 21.10.2024], DOI: 10.31774/2712-93572023-13-2-168-185, EDN: OPAVOD. (In Russian).
4. Strokov A.S., 2023. Neobkhodimost' razvitiya melioratsii dlya uvelicheniya urozhay-nosti v zasushlivykh regionakh [The necessity to improve reclamation in agriculture in order to increase crop yields in regions suffering from draughts]. Agrarnaya nauka [Agrarian Science], no. 1, pp. 61-64, DOI: 10.32634/0869-8155-2023-366-1-61-64, EDN: LBVLTH. (In Russian).
5. Asvarova T.A., Gasanov G.N., Gadzhiev K.M., Bashirov R.R., Gimbatova K.B., Abdullayeva A.S., 2023. O balanse azota v pochvenno-rastitel'nom pokrove aridnykh ekosistem Severo-Zapadnogo Prikaspiya [On the nitrogen balance in the soil and vegetation cover of arid ecosystems of the Northwestern Caspian region]. Aridnye ekosistemy [Arid Ecosystems], vol. 29, no. 3(96), pp. 36-45, DOI: 10.24412/1993-3916-2023-3-36-45, EDN: YBSEMS. (In Russian).
6. Sharkov I.N., Kolbin S.A., Samokhvalova L.M., 2021. Problema azota pri ispol'zovanii chernozema vyshchelochennogo po intensivnoy tekhnologii v lesostepi Zapadnoy Sibiri [Problem of nitrogen when using leached cherozem on intensive technology in forest-steppe of Western Siberia]. Agrokhimiya [Agrochemistry], no. 2, pp. 3-10, DOI: 10.31857/ S0002188121020101, EDN: UTCORM. (In Russian).
7. Wei K., Zhao Ju., Sun Ya., López I.F., Ma Ch., Zhang Q., 2024. Optimizing nitrogen and phosphorus application to improve soil organic carbon and alfalfa hay yield in alfalfa fields. Frontiers in Plant Science, vol. 14, 1276580, DOI: 10.3389/fpls.2023.1276580, EDN: FDDEKO.
8. Lytov M.N., 2023. Printsipy regulirovaniya potokov i balansa biogennykh ele-mentov na meliorirovannykh zemlyakh [Principles of regulation of flows and balance of bio-genic elements on reclaimed lands]. Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kom-pleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie [Proceedings of the Lower Volga Agro-University Complex: Science and Higher Education], no. 3(71), pp. 141-152, DOI: 10.32786/ 2071-9485-2023-03-14, EDN: LSWBFJ. (In Russian).
9. Tsvetnov E.V., Marakhova N.A., 2023. Primenenie bazovoy i modifitsirovannoy metodik otsenki neytral'nogo balansa degradatsii zemel' v kontekste izucheniya svyazi degra-datsii i agroproizvodstva [Application of basic and modified methods for assessing the land
degradation neutrality in the context of studying the relationship between degradation and agricultural production]. VestnikMoskovskogo universiteta. Seriya 17: Pochvovedenie [Bulletin of Moscow University. Series 17: Soil Science], no. 2, pp. 106-116, DOI: 10.55959/ MSU0137-0944-17-2023-78-2-106-116, EDN: IKLCJO. (In Russian).
10. Akhadov D.R., 2021. Znachenie osnovnykhpochvennykh kriterievpri formirovanii plodorodiya pochv [Value of basic soil criteria in the formation of soil fertility]. Byulleten' nauki ipraktiki [Bulletin of Science and Practice], vol. 7, no. 11, pp. 99-111, DOI: 10.33619/ 2414-2948/72/12, EDN: SFIIGC. (In Russian).
11. Jungic D., Husnjak S., 2023. Humus composition and quality in anthropogenic soils of Istria. Journal of Central European Agriculture, vol. 24, no. 3, pp. 761-776, DOI: 10.5513/jcea01/24.3.3873, EDN: YKNJJX.
12. Zhang L., Sun Q., You Yu., Zhang K., Gao Ch., Peng Y., 2021. Compositional and structural characteristics of dissolved organic matter in overlying water of the Chaobai River and its environment significance. Environmental Science and Pollution Research, vol. 28, no. 42, pp. 59673-59686, DOI: 10.1007/s11356-021-14929-9, EDN: NMLXEI.
13. Mamontov V.G., Mamutov Zh., Kuzelev M.M., 2011. O labil'noy forme organich-eskikh veshchestv pochvy [On the labile form of soil organic matter]. Pochvovedenie i agrokhimiya [Soil Science and Agrochemistry], no. 3, pp. 55-66, EDN: NUMTVQ. (In Russian).
14. Gamkalo Z.G., Bedernichek T.Yu., 2014. Labil'noe organicheskoe veshchestvo pochvy kak indikator yee ekologicheskogo kachestva v raznykh usloviyakh zemlepol'zovaniya [Labile organic matter of the soil as an indicator of its ecological quality under different land use conditions]. Ekosistemy, ikh optimizatsiya i okhrana [Ecosystems, Their Optimization and Protection], no. 10(29), pp. 193-200, EDN: VKCZBZ. (In Russian).
15. Miloserdova V.A., Rizhiya E.Ya., Orlova N.E., Bankina T.A., 2020. Labil'nye soyedineniya ugleroda i azota, ekstragiruemye goryachey vodoy, v dernovo-podzolistoy poch-ve s biouglem i rastitel'nymi ostatkami [Influence of biochar and vegetable residues on the content of hot-water extractable carbon and nitrogen compounds in sod-podzolic soil]. Agro-fizika [Agrophysics], no. 1, pp. 23-30, DOI: 10.25695/AGRPH.2020.01.04, EDN: VTJUUP. (In Russian).
16. Magomedkadieva A.R., Gamzatova H.M., 2024. Gruppovoy i fraktsionnyy analiz gumusa kashtanovykh pochv aridnykh territoriy Dagestana [Group and fractional analysis of humus of chestnut soils in arid territories of Dagestan]. Vestnik Dagestanskogo gosudarstven-nogo universiteta. Seriya 1: Yestestvennye nauki [Bulletin of Dagestan State University. Series 1: Natural Sciences], vol. 39, no. 1, pp. 89-94, DOI: 10.21779/2542-0321-2024-39-1-8994, EDN: HHVVSM. (In Russian).
17. Dokuchaeva L.M., Yurkova R.E., 2022. Balans organicheskogo veshchestva i mery po yego podderzhaniyu v oroshaemykh sevooborotakh [Organic matter balance and measures to maintain it in irrigated crop rotations]. Puti povysheniya effektivnosti oroshae-mogo zemledeliya [Ways of Increasing the Efficiency of Irrigated Agriculture], no. 1(85), pp. 4-10, EDN: XTTPSA. (In Russian).
18. Tychinskaya I.L., Panarina V.I., Mikhaleva E.S., 2021. Primenenie organicheskikh udobreniy v reshenii problem ekologizatsii i prodovol'stvennoy bezopasnosti strany [The use of organic fertilizers in solving problems of ecologization and food security of the country]. Vestnik agrarnoy nauki [Bulletin of Agrarian Science], no. 2(89), pp. 64-74, DOI: 10.17238/ issn2587-666X.2021.2.64, EDN: YLWLSZ. (In Russian).
19. Kireycheva L.V., Pukhovskaya T.Yu., 2024. Prirodopodobnye tekhnologii dlya povysheniya plodorodiya pochvy [Environmental technologies to increase soil fertility]. Plodorodie [Fertility], no. 3(138), pp. 10-14, DOI: 10.24412/1994-8603-2024-3138-10-14, EDN: CBFGSD. (In Russian).
20. Kireycheva L.V., 2023. Biosferno-ekologicheskoe obosnovanie kompleksnykh me-
lioratsiy [Biosphere-ecological substantiation of complex land reclamation]. Prirodoo-bustroystvo [Environmental Engineering], no. 2, pp. 15-22, DOI: 10.26897/1997-6011-20232-15-22, EDN: XLHRBD. (In Russian).
21. Pronko V.V., Pronko N.A., Rukhovich O.V., Belichenko M.V., Romanenkov V.A., Yaroshenko T.M., Klimova N.F., Zhuravlev D.Yu., 2020. Vliyanie udobreniy na plodorodie oroshaemykh temno-kashtanovykhpochv Povolzh'ya iproduktivnost' sel'skokhozyaystvennykh kul'tur [Influence of fertilizers on fertility of irrigated dark chestnut soils in the Volga region and the productivity of agricultural crops]. Agrokhimiya [Agrochemistry], no. 6, pp. 53-63, DOI: 10.31857/S0002188120060083, EDN: YWGOAY. (In Russian)._
Информация об авторе
М. Н. Лытов - ведущий научный сотрудник, кандидат сельскохозяйственных наук, Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого земледелия - филиал Федерального научного центра гидротехники и мелиорации имени А. Н. Костякова, Волгоград, Российская Федерация, [email protected], ORCID: 0000-0003-2743-9825.
Information about the author M. N. Lytov - Leading Researcher, Candidate of Agricultural Sciences, All-Russian Research Institute of Irrigated Agriculture - branch of the Federal Scientific Center of Hydraulic Engineering and Land Reclamation named after A. N. Kostyakov, Volgograd, Russian Federation, [email protected], ORCID: 0000-0003-2743-9825.
Автор несет ответственность за нарушения в сфере этики научных публикаций. The author is responsible for violation of scientific publication ethics.
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов. The author declares no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 09.09.2024; одобрена после рецензирования 08.11.2024; принята к публикации 15.11.2024.
The article was submitted 09.09.2024; approved after reviewing 08.11.2024; accepted for publication 15.11.2024.
