CC BY
62
УДК 929
DOI: 10.24412/1728-323X-2022-6-50-54
МЕСТО ПРИРОДНЫХ ТРАВЯНЫХ ЭКОСИСТЕМ В ГЛОБАЛЬНОМ УГЛЕРОДНОМ БАЛАНСЕ
Р. О. Калов, д. г. н., доцент, ст. науч. сотрудник, ФГБУ«Высокогорный геофизический институт», calov.r@yandex.ru, Россия, г. Нальчик,
Р. А. Гакаев, науч. сотрудник центра коллективного пользования, ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет имени А. А. Кадырова», rustam.geofak@yandex.ru, Россия, г. Грозный
Аннотация. В статье отмечается растущий интерес к естественным травяным экосистемам применительно к их роли в проблеме глобальной декарбонизации. Изложены некоторые результаты обобщения отечественных публикаций последних лет по режиму и балансу углерода применительно к естественным кормовым комплексам. Выраженный недостаток достоверной исходной информации отмечен как основной лимитирующий фактор принятия адекватных решений для локализации растущей эмиссии CО2. Выявленная специфика биотического составляющего углеродного цикла в резервуарах естественных кормовых угодий. Отмечено более сложное и противоречивое воздействие сенокосов и пастбищ на нетто двуокиси углерода в атмосфере. Установлена многовекторность взаимодействия процесса потребления биомассы скотом, сенокошения и следствий пребывания сельскохозяйственных животных на пастбищах. Проведен анализ уровня секвестрации атмосферного углерода при различных типах природопользования. Выявлены тенденции изменения емкости углеродных резервуаров кормовых комплексов. Установлены особенности круговорота углерода в пределах естественных травяных экосистем.
Annotation. The article notes the growing interest in natural grass ecosystems in relation to their role in the problem of global decarbonization. Some results of generalization of domestic publications of recent years on the regime and carbon balance in relation to natural feed complexes are presented. The pronounced lack of reliable initial information is noted as the main limiting factor in making adequate decisions to localize the growing CO2 emissions. The revealed specificity of the biotic component of the carbon cycle in the reservoirs of natural forage lands. A more complex and contradictory effect of hayfields and pastures on the net carbon dioxide in the atmosphere was noted. The multi-vector interaction of the process of biomass consumption by livestock, haymaking and the consequences of the stay of farm animals on pastures has been established. The analysis of the level of sequestration of atmospheric carbon under various types of environmental management is carried out. The trends of the changes in the capacity of carbon reservoirs of feed complexes are revealed. The features of the carbon cycle within natural grass ecosystems have been established.
Ключевые слова: органический углерод почвы, природные травяные экосистемы, почвенно-углеродная секвестрация, естественные резервуары углерода.
Keywords: soil organic carbon, natural grass ecosystems, soil-carbon sequestration, natural carbon reservoirs.
Введение. Россия располагает 91 млн га природными сенокосными и пастбищными угодьями. Они играют заметную роль в круговороте диоксида углерода в природе. В естественных кормовых угодьях протекают биохимические процессы, в рамках которых сформировалась устойчивая взаимосвязь между удалением листьев травостоя (фотосинтетической растительной биомассой), корневой продукцией (углеродным вкладом в почву), растительными остатками (органическим углеродом в почве) и круговоротом углерода. В то же не все аспекты взаимообусловленных процессов в сложном карбоновом механизме — кормового природопользования достоверно понятны. В условиях различных типов и интенсивности хозяйственного использования природных пастбищ и сенокосов, круговорот углерода подвержен мощному внешнему воздействию, что обуславливает особо широкий спектр разнонаправленных векторов взаимодействия.
Целью исследования является обобщение современной актуальной информации по миграции органического углерода в пределах природных кормовых экосистем. Для этого использованы до-
ступные базы ведомственных д анных, результаты отечественных исследований по данной проблематике, картографические материалы.
Результаты исследования и их обсуждение
В процессе вегетации травяные сообщества, поглощают углерод из атмосферы, аккумулируя его в своих корнях и почве. Уровень секвестрации углерода существенно зависит от эффекта фотосинтетической способности трав и углеродного разложения растений в луговых комплексах. Однако значительная часть СО2 снова попадает в атмосферу, при естественной гибели и разложений растений. Следовательно, в данном механизме почвы под природными кормовыми угодьями становятся основным резервуаром аккумуляции углерода и служат связующим звеном в системе «травостой — выпас скота — заготовка сена» атмосферным углеродом. При этом почвы будут накапливать углерод до тех пор, пока не будет д о-стигнуто карбоновое равновесие, после чего процессы эмиссии и абсорбции будут сбалансированы, и дальнейшее его поглощение локализуется.
Характер выпаса сельскохозяйственных животных, скашивание травостоя или их сочетание неизбежно отражается на структуре травостоя и биогеофизическом цикле экосистем. Частота заготовки сена отражается на почвенно-раститель-ных связях, влияя на объемы и качество корневых остатков и тем самым — на объемы углерода в почве. В соответствии с литературными источниками среднегодовые объемы секвестрации естественным травостоем варьирует в пределах 2,2 и 2,5 т/га углерода в год [1].
В характере депонирования углерода в почве природных лугов прослеживается определенная закономерность: верхние ее слои характеризуются наибольшей концентрацией СО2 в зависимости от мощности корневой массы и особенностей почвенной фауны. Глубже 30 см наблюдается постепенное снижение насыщенности углеродом в соответствии с меньшим поступлением в эти горизонты [2].
При заготовке сена вся надземная биомасса почти целиком изымается и без экскреций, то есть без органических остатков на участке. Если скашивание производится особо интенсивно и с кратковременной периодичностью, то количество растительной биомассы (углерода) неизбежно будет уменьшаться. Таким образом, объем аккумулируемого СО2 варьирует пропорционально интенсивности отчуждения биомассы с участков, в соответствии с видовым составом и плотностью травостоя.
На уровень секвестрации почвенного углерода существенно отражается сложившиеся соотношение фракций сухого органического вещества в общей биомассе кормов. При перерасчете растительного вещества травяных экосистем в углерод можно воспользоваться конверсионными коэффициентами [3] приведенными в таблице 1.
Данные таблицы 1 свидетельствует о том, что зеленая фитомасса обладает большей углеродной емкостью по сравнению другими фракциями растительного вещества.
Таблица 1
Коэффициенты пересчета сухого растительного вещества травяных экосистем в углерод
С увеличением возраста травостоев углеродная секвестрация имеет тенденцию к увеличению, и конверсионный коэффициент может быть выше. Равновесное состояние двуокиси углерода в кормовых резервуарах (аккумуляция его равна потерям) наступает к 30—70-летнему периоду умеренного природопользования. При этом луговые почвы с низким содержанием органического вещества м огут секвестировать больше углерода и в течение более продолжительного периода.
Менее предсказуем характер секвестрации углерода пастбищными угодьями. На природных пастбищах отчуждения биомасса частично возвращается с органикой скота, вследствие чего отчуждение в среднем не превышает 4 % от чистой первичной продукции [3]. Достоверно известно лишь то, что вид выпасаемого скота и интенсивность выпаса являются факторами, существенно влияющими на уровень отчуждения биомассы. Умеренный выпас животных в условиях пастби-щеоборота не препятствует процессу поглощения пастбищами СО2 из атмосферы, поскольку посменный выпас на различных участках потенциально стимулирует рост биомассы.
Интенсивный и бессистемный выпас скота даже на зрелых пастбищах приводит к разрушению устойчивости и мощности корневой системы и не позволяет последним выполнять роль активных поглотителей углерода, которая кратно доминирует. Следовательно, деградация корне -вой системы, которая обуславливает в суммарной фитомассе и варьирует в пределах 80—90 % процесс дополнительного высвобождения СО2 с основного резервуара хранения углерода. К тому же ежегодно перегруженные поголовьем пастбища характеризуются устойчивым накоплением в них органики, что сопровождается увеличением выбросов с кормовых угодий метана и закиси азота. Кроме того, интенсивное вытаптывание травостоя выраженно упрощает биоразнообразие травостоя, что грозит уменьшением биомассы (аккумуляции углерода) и снижением кормовой ценности пастбищ.
Карбоновую роль природных кормов может несколько увеличить переход на ротационную систему пастьбы. Но она обусловит определенное повышение трудоемкости пастбищного животноводства и себестоимости его продукции [4]. Таким образом, при целенаправленном управлении естественные травяные экосистемы могут вносить заметный вклад в процесс аккумуляции диоксида углерода.
Заметно дифференцированы показатели депонирования углерода различными типами кормовых экосистем (табл. 2).
№ п/п Фракции растительного вещества Коэффициент
1 Зеленая фитомасса 0,42
2 Ветошь + подстилка 0,40
3 Корни живые 0,38
4 Надземная мортмасса 0,35
5 Подземная мортмасса 0,35
Таблица 2 Усредненные данные стока углерода применительно к различным типам природных травяных комплексов
Наибольший вклад в процесс депонирования углерода с учетом площади кормового угодья вносят заброшенные за последние десятилетия пашни. В них средние показатели содержания СО2 в сток углерода в органическом веществе подстилок и растительных ассоциаций заросший пашен составляет 46,1 %. Почвенные профили за 4—5 лет после вывода их из оборота становятся более емким резервуаром для устойчивого стока СО2 из атмосферы [5]. При этом скорость аккумуляции диоксида углерода преимущественно зависит мощности почвы, длительности времени зарастания пашни, типовой принадлежности плодородного горизонта.
Карбоновый режим естественных лугов можно несколько скорректировать путем применения минеральных удобрений, известкования и других агрохимических приемов. Так, внесение азота в почву обусловит рост биологической продуктивности сенокосов и пастбищ и увеличение уровня секвестрации двуокиси углерода. Последующая бактериальная фиксация азота обеспечит продвижение вглубь профиля распределения углерода в нижних органоминеральных фракциях почвы, расширяя карбоновую емкость почвенного резервуара. Кроме того, активный микробиаль-ный состав почвенных фракций заметно подавляет гетеротрофную респирацию. Данный прием дополнительного стимулирования аккумуляции углерода высокоэффективен, так как почвенный резервуар СО2 в целинных землях малоподвижен устойчивость «залежей» углерода на заброшенных землях в условиях отсутствия внешнего воздействия исчисляется веками. В то же время необходимо иметь в виду, что передозировка азота на определенной стадии вызовет повышенные выбросы закиси азота, что может перевесить позитив от поглощения диоксида углерода. Как минимум нейтральный или положительный эффект
на почвенные запасы углерода может оказать использование в травяных экосистемах извести. Комплексное агрохимическое воздействие на природные кормовые комплексы также может предотвратить вымывание почвенных углеродных запасов.
В то же время накопленных знаний явно недостаточно для выстраивания адаптивного агрохимического алгоритма управления карбоновой функцией сенокосов и пастбищ. Более достоверная оценка вклада химизации в процесс аккумуляции углерода природными экосистемами нуждается в дополнительном исследовании, так как позитивные результаты не всегда линейны и выражены. Так, реакция почвенного органического углерода на внешнее агрохимическое воздействие на травяные агросистемы не характеризуется строгой линейностью: иногда потери СО2 могут превышать объем его изъятия из атмосферы. В то же время с определенной осторожностью можно утверждать, что взвешенное агрохимическое воздействие на корневую систему и подстилку естественных лугов может стать фактором, который заметно усилит процесс связывания углерода.
Биотическая и абиотическая вариабельность почвенной способности углеродной секвестрации может измениться в условиях изменяющегося климата. От специфики климата и сезонной его изменчивости характера долгосрочного гидротермического тренда зависят доступность питательных веществ, состав почвенной фауны и микробных сообществ, типы растительности. Поэтому тенденция эволюционной коррекции сезонных гидротермических параметров в разрезе широтных и высотных природных зон изменит сложившиеся характер преобразования естественными кормами органического вещества в подземный углерод.
Лимитирующим секвестрацию двуокиси углерода фактором может стать учащающиеся аномальные засушливые периоды, которые отразятся на уровне фотосинтеза растений и обусловят эволюционное остепнение травяных экосистем с неизбежным ослаблением их роли в процессе декарбонизации.
Противопо ложный вектор воздействия на углеродный баланс может иметь временной сдвиг весны на более ранние сроки и некоторое смещение осеннего сезона. При сохранении данного тренда можно прогнозировать удлинение периода вегетации трав, следовательно, рост биотического составляющего лугов в углеродном цикле. Речь, в первую очередь, идет о северных широтах, где приживутся более продуктивные растения, сменятся временные и пространственные пики
№ п/п Тип природных экосистем Площадь, млн га Сток углерода из атмосферы, Мт углерода в год
1 Луга 24,0 28,5
2 Пастбища 67,0 25,0
3 Заброшенные пашни 29,9 46,1
4 Всего травяных экосистем и их производных 120,9 99,6
Таблица 3 Оценочный накопленный эффект депонирования углерода естественными кормовыми угодьями России
травостоев. Данные предположения будут корректны с поправкой на предшествующий накопленный эффект использования конкретных сенокосов и пастбищ. Отправной точкой отсчета ожидаемой динамики секвестрации углерода должен стать обозначенный накопленный эффект. В таблице 3 приведен оценочный накопленный эффект депонирования диоксида углерода природными травяными экосистемами по данным на начало XXI века.
В условиях волатильности процесса глобального потепления определенно прогнозировать размер чистой продукции травяных экосистем крайне сложно. Судя по динамике секвестрации углерода за первые два десятилетия нового века, среднегодовой показатель депонирования растет на уровне 0,4 % в год. Согласно Национальному кадастру на начало 2020 года, естественные кормовые угодья являлись нетто-поглотителями в объеме 7,5 млн т двуокиси углерода в год [4]. В случае подтверждения обозначенного выше роста депонирования углерода до конца текущего века величина секвестрации СО2 природными лугами возрастает до 250 Мт в год [7]. Следовательно, можно сделать осторожный прогноз, что фотосинтетическая способность и величина депонирования двуокиси углерода природными кормовыми экосистемами в пределах обширной умеренной природной зоны России будет возрастать.
Выводы. Обширные кормовые ресурсы России могут вносить заметный вклад в процесс гло-
бальной секвестрации углерода. Схема карбоно-вого баланса применительно к природным лугам отражает основные расходящиеся векторы направленности потоков углерода в системе резервуаров «атмосфера о природные луга о почвы», как составных частей естественного круговорота СО2. В данной схеме основной пул углерода в естественных травяных экосистемах сосредоточен в почве.
Аккумуляция почвами сенокосов и пастбищ углекислого газа характеризуется более широкой дисперсией и зависит от ботанического состава травостоя и характера его использования, гидротермических условий местности, типов почв. При этом объем почвенной секвестрации двуокиси углерода с течением времени имеет заметную тенденцию к уменьшению при неизменном много -летнем использовании традиционного природопользования.
Пастбищное использование естественных лугов при умеренном природопользовании имеет карбоновое преимущество по сравнению с заготовкой сена. Ставка на использование органики скота применительно к депонированию углекислого газа более предпочтительна по сравнению с применением агрохимических приемов.
Стратегия повышения карбоновой роли природных кормов должна заключаться в целенаправленном комплексном воздействии на луговые сообщества, основными элементами которой являются: оптимизация периодичности заготовки сена, уменьшение плотности выпасаемых сельскохозяйственных животных, снижение потерь углерода посредством внедрения в практику комплекса новаторских агротехнологических приемов увеличения растительных остатков во всех резервуарах природных кормовых комплексов.
Таким образом, российский фонд естественных травяных экосистем представляет значительный нереализованный потенциал для повышения уровня абсорбирования атмосферного углерода путем целенаправленного управления природными кормовыми угодьями.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № 075-03-2021074/4).
№ п/п Показатели Величина показателя, Мт углерода в год
1 Первичная продукция надземно- 610
го и подземного ярусов
2 Дыхание природных лугов 340
3 Чистая продукция травяных эко- 270
систем
4 Эмиссия диоксида углерода 140
5 Уровень депонирования углерода 130
Библиографический список
1. Сычев В. Г. Исследование динамики и баланса гумуса при длительном применении систем удобрения на основных типах почв / В. Г. Сычев, Л. К. Шевцова, Г. Е. Мерзлая // Агрохимия. — 2018. — № 12. — С. 3—32.
2. Благовещенский Г. В., Конончук В. В., Тимошенко С. М. Углеродная секвестрация в травяных экосистемах // Кормопроизводство. — 2019. — № 9. — С. 16—21.
3. Самбуу А. Д. и др. Пул углерода в травяных экосистемах и агроценозах Тувы // Вестник КрасГАУ. — 2009. — № 12. — С. 50—56.
4. Кулистикова Т. Путь к углеродной нейтральности. Какую роль будет играть сельское хозяйство в декарбонизации экономики // Агроинвестор. — 2022. — № 2. — С. 37—48.
5. Щепащенко Д. Г. и др. Запасы органического углерода в почвах России // Почвоведение. — 2013. — № 2. — С. 123—132.
6. Суховеева О. Э. и др. Решение обратной задачи для моделирования потоков углерода в почвах. Математическое моделирование в экологии / Материалы 7-й национальной научной конференции. — М., 2021. — С. 119—121.
7. Федоров Б. Г. Российский углеродный баланс. — М.: Научный консультант, 2017. — 82 с.
THE PLACE OF NATURAL GRASS ECOSYSTEMS IN THE GLOBAL CARBON BALANCE
R. O. Kalov, Ph. D. (Geography), Dr. Habil., Associate Professor, Senior scientist, Federal State Budgetary Institution
"Vysokogorny Geophysical Institute", Nalchik, Lenin str., 2,
R. A. Gakaev, Researcher employee, Center for Collective Use of FSBEI HE "A. A. Kadyrov Chechen State University",
Grozny, st. A. Sheripova, 32, e-mail: rustam.geofak@yandex.ru
References
1. Sychyov V. G. Issledovanie dinamiki i balansa gumusa pri dlitel'nom primenenii sistem udobreniya na osnovnyh tipah pochv [Investigation of the dynamics and balance of humus during prolonged use of fertilizer systems on the main types of soils] / V. G. Sychyov, L. K. Shevtsova, G. E. Myorzlaya. Agrohimiya. 2018. No. 12. P. 3—32 [in Russian].
2. Blagoveshchenskiy G. V., Kononchuk V. V., Timoshenko S. M. Uglerodnaya sekvestraciya v travyanyh ekosistemah [Carbon sequestration in grass ecosystems]. Kormoproizvodstvo. 2019. No. 9. P. 16—21 [in Russian].
3. Sambuu A. D., et al. Pul ugleroda v travyanyh ekosistemah iagrocenozah Tuvy [Carbon pool in grass ecosystems and agro-cenoses of Tuva]. Vestnik KrasGAU. 2009. No. 12. P. 50—56 [in Russian].
4. Kulistikova T. Put' k uglerodnoj nejtral'nosti. Kakuyu rol' budet igrat' sel'skoe hozyajstvo v dekarbonizacii ekonomiki [The path to carbon neutrality. What role will agriculture play in the decarbonization of the economy]. Agroinvestor. 2022. No. 2. P. 37—48 [in Russian].
5. Shchepashchenko D. G., et al. Zapasy organicheskogo ugleroda v pochvah Rossii [Reserves of organic carbon in the soils of Russia]. Pochvovedenie. 2013. No. 2. P. 123—132 [in Russian].
6. Sukhoveeva O. E., et al. Reshenie obratnoj zadachi dlya modelirovaniya potokov ugleroda v pochvah. Matematicheskoe mod-elirovanie v ekologii [Solving the inverse problem for modeling carbon fluxes in soils. Mathematical modeling in ecology]. Materialy 7-oj nacional'noj nauchnoj konferencii. Moscow, 2021. P. 119—121 [in Russian].
7. Fedorov B. G. Rossijskij uglerodnyj balans [Russian carbon balance]. Moscow, Nauchnyj konsul'tant. 2017. 82 p. [in Russian].
