CC BY
168
Научная статья
УДК 631.42:332.14
doi:1024412/2078-1318-2022-2-83-90
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЫХАНИЯ ПОЧВЫ.
ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КЛИМАТИЧЕСКИХ ПРОЕКТАХ
Азрет Муазинович Улимбашев1, Амиран Хабидович Занилов2
1 Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, Петербургское шоссе, д. 2, Пушкин, Санкт-Петербург, 196601, Россия; ulimbashev_a@mail.ru; https://orcid.org/0000-0003-2882-1866 2Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова, ул.
Чернышевского 173, г. Нальчик, Кабардино-Балкарская республика, 360004, Россия; eco-agro.kbr@inbox.ru; https://orcid.org/0000-0003-1737-5303
Реферат. Разработка и использование верифицированных методов учета нетто-выбросов диоксида углерода сельскохозяйственными почвами является важнейшим этапом развития карбонового земледелия и углеродсеквестрирующей индустрии и требует проведения комплекса научных исследований. Проведено сравнение показателей СО2, эмитированного из равных образцов почвы, но измеренных разными методами - методом титрования в лабораторных условиях и камерным методом учета СО2. В результате проведенных наблюдений выявлено отличие в показателях выделенного диоксида углерода почвой, учтенного разными методами. Объем эмитированного углекислого газа, учтенного методом титрования, превысил показатели СО2, учтенные камерным методом, более чем в 10 раз.
Среди недостатков, требующих учета при проведении расчета баланса диоксида углерода в системе «почва-атмосфера», выявлено, что недостаток классического лабораторного метода измерения базального дыхания почвы связан с невозможностью выражения интенсивности эмиссии СО2 в режиме реального времени с учетом биодинамических процессов, протекающих в почве. Данный метод может быть использован для оценки углеродной емкости почвы, эквивалентной количеству потенциально-минерализуемого органического вещества в ней.
Сложность с использованием камерного метода заключается в отсутствии пересчетных коэффициентов, которые получены с учетом физико-химических и биологических свойств почв, а также продолжительности биологической активности почвы, свойственной определенной географической локации. Так же выявлено, что через 5 часов наблюдения выделение углекислоты почвой, помещенной в камеру, прекращается.
Модернизация и скорая адаптация существующих методов учета эмиссии диоксида углерода почвами позволит вовлечь аграрно-развитые регионы России в углеродсеквестрирующую индустрию посредством участия в климатических проектах.
Цель исследования - провести сравнительную оценку эмиссии диоксида углерода из равных образцов почвы двумя различными способами для определения различий в цифровом выражении.
Показатель дыхания почвы (эмиссии углекислого газа из почвы) позволяет моделировать и оценивать нетто-выбросы в наземных экосистемах. В настоящее время для оценки дыхания почвы используются два основных метода.
Первый метод измерения почвенного дыхания - метод титрования уловленного в закрытой колбе углекислого газа.
Второй метод измерения почвенного дыхания - камерный (экспресс-метод).
Измерительные контейнеры на момент погружения в них почвенных образцов содержали фоновую концентрацию углекислого газа в повторности 1 = 510 ppm, в повторности 2 = 504 ppm.
Стабилизация выделения СО2 в исследуемых образцах наступила через 5 часов измерения. В повторности 1 концентрация СО2 была равна 917 ppm, в повторности 2 СО2 - 927 ppm.
При пересчете объема углекислого газа, определенного экспресс - методом в камере на 1 л, мы получаем показатель, равный 0,77 СО2 мг/10 г. Разница в объеме углекислого газа, выделенного из равных образцов почвы разными методами, составила более чем в 10 раз.
Ключевые слова: дыхание почвы, нетто-выбросы, секвестрация, депонирование, климатический проект.
Цитирование. Улимбашев А.М., Занилов А.Х. Сравнительная оценка методов определения дыхания почвы. Возможности их использования в климатических проектах // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2022. - № 2 (67). - С. 83-90 doi:1024412/2078-1318-2022-2-83-90.
COMPARATIVE EVALUATION OF METHODS FOR DETERMINING SOIL RESPIRATION. THE POSSIBILITIES OF THEIR USE IN CLIMATE PROJECTS
Azret M. Ulimbashev1, Amiran H. Zanilov2
1Sankt-Petersburg State Agrarian University, Peterburgskoe Shosse, 2, Pushkin, St. Petersburg, 196601, Russia; ulimbashev_a@mail.ru; https://orcid.org/0000-0003-2882-1866 2Kabardino-Balkar State University named after H.M.Berbekov, Chernyshevsky str., 173 Nalchik, Kabardino-Balkar Republic, 360004, Russia; eco-agro.kbr@inbox.ru; https://orcid.org/0000-0003-1737-5303
Abstract. The development and use of verified methods of carbon dioxide emissions control by agricultural soils is the most important stage in the development of carbon farming and carbon sequestering industry. It requires a complex of scientific researches. The volume of CO2 emitted from equal soil samples, but measured by different methods - the titration method under laboratory conditions and the chamber method of CO2 measuring, were compared. As a result, the observations revealed a difference in the volume of carbon dioxide released by the soil, counted by different methods. The volume of emitted carbon dioxide measured by titration exceeded the CO2 indexes measured by the chamber method by more than 10 times.
Among the disadvantages that need to be taken into account when calculating the carbon dioxide balance in the soil-atmosphere system, it was revealed that the disadvantage of the classical laboratory method for measuring basal respiration of the soil is associated with the inability to express the intensity of CO2 emissions in real time, taking into account the biodynamic processes occurring in the soil. This method can be used to estimate the carbon capacity of the soil equivalent to the amount of potentially mineralized organic matter in it.
The difficulty with using the chamber method lies in the absence of conversion coefficients, which are obtained taking into account the physico-chemical and biological properties of soils, as well as the duration of biological activity of the soil in certain geographical location. It was also revealed that after 5 hours of observation, the release of carbon dioxide by the soil placed in the chamber stops.
Modernization and adaptation of existing methods of control of carbon dioxide emissions by soils will allow to involve the agro-developed regions of Russia in the carbon sequestering industry through participation in climate projects.
The aim of the study is to conduct a comparative assessment of carbon dioxide emissions from equal soil samples in two different ways for determining the differences in numerical terms.
The indicator of soil respiration (carbon dioxide emissions from the soil) allows to model and estimate net emissions in terrestrial ecosystems. Currently, two main methods are used to assess soil respiration.
The first method of measuring soil respiration is the method of titration of carbon dioxide captured in a closed flask.
The second method of measuring soil respiration is chamber (express method).
Measuring containers at the time of immersion of soil samples in them contained a background concentration of carbon dioxide in a repetition of 1 = 510 ppm, in a repetition of 2 = 504 ppm.
Stabilization of CO2 release in the studied samples occurred after 5 hours of measurement. In repetition 1, the concentration of CO2 was equal to 917 ppm, in repetition 2, CO2 was 927 ppm.
When recalculating the volume of carbon dioxide determined by the express method in the chamber for 1 liter, we get an indicator equal to 0.77 CO2 mg /10 g. The difference in the volume of carbon dioxide extracted from equal soil samples by different methods was more than 10 times.
Keywords: soil respiration, net emissions, sequestration, deposit, climate project
Citation. Ulimbashev, A.M. and Zanilov, A.X. (2022), "Comparative evaluation of methods for determining soil respiration. the possibilities of their use in climate projects", Izvestya of Saint-Petersburg State Agrarian University, vol. 67, no. 2, pp. 83-90, (In Russ.) doi:1024412/2078-1318-2022-2-83-90.
Введение. Природно-климатические условия позволяют России стать огромной фабрикой по поглощению сотен миллионов тонн углекислого газа лесами и сельскохозяйственными угодьями. Переход сельского хозяйства на регенеративные практики, внедрение методов карбонового земледелия позволят существенно сократить углеродный след российской сельхозпродукции и превратить российского сельхозпроизводителя в поставщика услуг по поглощению углерода [1].
Но для верификации накопленных компонентами агроэкосистем углеродных единиц требуются надежные методы учета баланса парниковых газов, в частности, диоксида углерода. С целью создания такой системы Минобрнауки России в настоящее время создается федеральная сеть карбоновых полигонов [2]. Самым распространенным способом учета выбросов СО2 почвой является оценка интенсивности ее дыхания. Предполагается, что эмиссия углекислого газа из почвы тесно связана с содержанием потенциально-минерализуемого органического вещества, которое может быть разложено за период биологической активности в соответствующих зональных условиях [3].
Углеродсеквестрирующему потенциалу сельскохозяйственных угодий уделено особое внимание на прошедшем 23 сентября 2021 г. заседании Президиума РАН по вопросам проблем низкоуглеродного развития страны. Было отмечено, что наибольшей эффективностью поглощения углекислого газа обладают почвы, а секвестрирующий потенциал почвы может достигать 12-13 тыс. т СО2 га-1. В перспективе сельскохозяйственные угодья могут обеспечить сток углерода, превышающий объем стока углерода лесами, в несколько раз (Анна Романовская, член-корреспондент РАН, директор Института глобального климата и экологии имени академика Ю.А. Израэля/
Цель исследования - провести сравнительную оценку эмиссии диоксида углерода из равных образцов почвы двумя различными способами для определения различий в цифровом выражении. Определить недостатки существующих методик, ограничивающих их использование для создания систем верификации баланса СО2. Вопрос оценки интенсивности дыхания почвы различными методами считается актуальным по сей день и изучается как отечественными [4], так и зарубежными исследователями [5, 6].
Материалы, методы и объекты исследований. Показатель дыхания почвы (эмиссии углекислого газа из почвы) позволяет моделировать и оценивать нетто-выбросы в наземных экосистемах [7]. В настоящее время для оценки дыхания почвы используются два основных метода.
Первый и наиболее распространенный, в силу своей доступности, метод измерения почвенного дыхания - метод титрования уловленного в закрытой колбе углекислого газа слабым раствором щелочи на протяжении 24 часов [8, 9]. Скорость базального дыхания рассчитывалась по формуле:
А = [(Ухол. - V опыт) х 1,1 х 1000 / [т х ^ = (V хол. - V опыт.) х 4,58,
где V хол. - объем 0,05 КИС1, пошедшей на титрование холостого образца, мл;
V опыт - объем 0,05 КИС1, пошедшей на титрование опытного образца, мл;
т - масса навески, 10 г;
t - время инкубации, 24 ч.
Второй метод измерения почвенного дыхания - камерный (экспресс-метод). Его суть заключается в оценке динамики концентрации углекислого газа в почве, накрытой камерой с индикатором диоксида углерода [10]. Отличием использования камерного метода в классическом варианте и в данной работе является то, что образец почвы был подготовлен аналогично тому, как он готовится при методе, основанном на титровании. Масса помещенной в камеру воздушно-сухой почвы, так же как и в сравниваемой методике, составляла 10 грамм. Это позволило минимизировать количество факторов при проведении сравнительной оценки.
Нами были проведены измерения интенсивности эмиссии СО2 образцами почвы, отобранными на слитых черноземах Теучежского района Республики Адыгея (ООО «Возрождение»).
Для оценки дыхания почвы экспресс-методом использовался экспериментальный образец на основе датчика измерения СО2 серии МИ-219Б. Измеряемый диапазон 0-5000 ррт, рабочая температура 0-50 °С. Объем камеры - 1000 мл. Измерение экспресс-методом продолжалось до момента прекращения эмиссии диоксида углерода и составило 5 часов. Фиксация показателей концентрации СО2 проводилась каждые 10 минут (рис.).
Результаты исследований. Определение дыхания почвы лабораторным методом показало среднюю интенсивность (повторность 3-кратная), равную 32,9 мкг/час/1 г почвы.
Измерительные контейнеры на момент погружения в них почвенных образцов содержали фоновую концентрацию углекислого газа в повторности 1 = 510 ррт, в повторности 2 = 504 ррт.
Стабилизация выделения СО2 в исследуемых образцах наступила через 5 часов измерения.
В повторности 1 концентрация СО2 была равна 917 ррт, в повторности 2 СО2 - 927
ррт.
Масса воздушно-сухой почвы составляет 10 г.
Количество выделенного углекислого газа составляет:
- повторность 1 = 917-510 ррт = 407 ррт = 752,3 мг/м3;
- повторность 2 = 927-504 ррт = 423 ррт = 781,9 мг/м3;
- среднее = 767,1 мг/м3.
950 900 850 800 750 700 650 600 550 500
Рисунок. Динамика эмиссии СО2 из образца почвы в камере, ppm Figure. Dynamics of CO2 emission from the soil sample in the chamber, ppm
Для проведения сравнения методик потребовалось перевести динамические показатели эмиссии СО2, выраженные в массе газа во времени, в абсолютное количество СО2, выделенное определенным объемом почвы.
Абсолютный объем углекислого газа, выделенный 10 граммами воздушно-сухой почвы, определенный лабораторным методом, составил 7,9 мг СО2.
Таблица 1. Объем СО2, выделенного почвой и учтенного разными методами Table 1. The amount of CO2 released by the soil and accounted for by different methods
Метод Показатель по методике Способ пересчета Показатель после пересчета
Лабораторный 32,9 мкг СО2 /час/1 г 32,9 мкг СО2 х 24 ч. х 10 г 7,9 мг СО2/1О г
Экспресс 767,1 мг СО2 /м3 797,1 мг СО2 /м3/1000 л 0,77 СО2 мг/10 г
При пересчете объема углекислого газа, определенного экспресс-методом в камере на 1 л, мы получаем показатель, равный 0,77 СО2 мг/10 г. Разница в объеме углекислого газа, выделенного из равных образцов почвы разными методами, составила более чем в 10 раз.
Столь существенный разброс результатов измерений связан с недостатками, свойственными для рассмотренных методик. Так, в лабораторном методе (метод титрования) используется изолированный объем почвы с известной массой, а выделенный углекислый газ не может быть снова поглощен почвой, так как газ улавливается щелочью на дне колбы.
При использовании экспресс-метода объем выделенного углекислого газа сложнее привязать к массе почвы, так как она может зависеть от множества факторов, основными из которых являются ее структура и пористость. При одном и том же объеме камеры вклад в эмиссию СО2 более пористой почвой может быть совершен из более глубокого слоя почвы, следовательно, большей ее массой.
О наличии разнящихся данных при определении биологической активности почвы различными методами и необходимости наличия соответствующих коэффициентов пересчета говорят данные исследований.
Выводы. В результате сравнения лабораторного и экспресс-методов оценки эмиссии углекислого газа были выявлены недостатки, ограничивающие возможность использования данных методов при расчете баланса углекислого газа в системе «почва-атмосфера». Классические лабораторные методы измерения базального дыхания почвы, выполняя важную роль оценки ее производственного и биологического потенциала, имеют недостаток, связанный с выражением интенсивности эмиссии СО2 в режиме реального времени с учетом биодинамических процессов, протекающих в почве. Проблема связана с тем, что установленное методикой время инкубации в 24 часа с последующим пересчетом на мкг СО2/ч/1 г почвы может не соответствовать реальным показателям, так как интенсивность дыхания почвы во многом зависит от углеродной емкости почвенного образца и выделение СО2 может быть прекращено вне установленной временной границы, равной 24 часа. В процессе одновременного сравнения протекания эмиссии углекислого газа при лабораторном и экспресс-методах было выявлено, что один и тот же объем почвы (10 г), подготовленный в соответствии с первым методом, прекратил выделение СО2 через 5 часов после старта измерений. В такой ситуации деление объема СО2, связанного щелочью, на 24 часа дает значительную погрешность. Следовательно, лабораторный метод измерения дыхания почвы посредством титрования избытка СО2 слабым раствором соляной кислоты больше подходит в качестве метода определения объема депонированного почвой углекислого газа при условии, что объем будет выражаться в абсолютных единицах с пересчетом на единицу массы почвы без привязки ко времени.
Для оценки секвестрирующего потенциала почвы и верификации данных для климатических проектов может быть использован экспресс-метод при соблюдении важного условия. Для этого должен быть выведен коэффициент, отражающий зависимость интенсивности эмиссии СО2 от общей углеродной емкости почвы. Решение поставленной задачи требует проведения множества сравнительных анализов, одновременно проводимых различными методами.
Список источников литературы
1. Иванова А.Ю., Дурманова Н.Д. Битва за климат: карбоновое земледелие как ставка России: экспертный доклад / Нац. исслед. ун-т «Высшая школа экономики». - М.: Изд. дом Высшей школы экономики, 2021. - 120 с.
2. Карбоновые полигоны. [Электронный ресурс]. - URL: https://minobrnauki.gov.ru/action/poligony/ (дата обращения: 01.02.2022).
3. Семенов В.М. Запасы активного органического вещества и эмиссионный потенциал почв зональных биомов на территории европейской части России: Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Мониторинг состояния и загрязнения окружающей среды. Основные результаты и пути развития». (20-22 марта, 2017) - М., С. 137-138.
4. Савостьянова А.С., Семиколенных А.А. Сравнение методов определения микробной биомассы для оценки биологических свойств почвы // Известия Самарского НЦ РАН. - 2012. - Т. 14, № 1(8). - С. 2064-2067
5. Anderson T.H., Joergensen R.G. Relationship between SIR and FE estimates of microbial biomass C in deciduous forest soils at different pH // Soil Biol. Biochem.1997. V. 29. P. 1033-1042.
6. Beck T., Joergensen R.G., Kandeler E., Makeschin F.,Nuss E., Oberholzer H.R., Scheu S. An inter-laboratory comparison of ten different ways of measuring soil microbial biomass C // Soil Biol. Biochem. 1997. Vol. 29. pp. 1023-1032.].
7. Заварзин Г.А., Кудеяров В.Н. Почва как главный источник углекислоты и резервуар органического углерода на территории России // Вестник РАН. - 2006. - Т. 76, № 1. - С. 14-29.
8. Ананьева Н.Д., Сусьян Е.А., Гавриленко Е.Г. Особенности определения углерода микробной биомассы почвы методом субстрат-индуцированного дыхания // Почвоведение. - 2011. - №11. - С. 1327-1333.
9. Макаров М.И., Малышев Т.И., Маслов М.Н., Кузнецова Е.Ю., Меняйло О.В. Углерод и азот микробной биомассы в почвах южной тайги при определении разными методами // Почвоведение. - 2016. - Т. 49, № 6. - С. 685-695.
10. LI-COR Biosciences, Application Note 124 (1998). Considerations for measuring ground CO2 fluxes with chambers. LI-COR Biosciences, Lincoln, NE, USA 68504.
11. Vance E.D. Brookes P.C. Jenkinson D.S. An extraction method for measuring soil microbial biomass C // Soil Biol. Biochem. 1987. V. 19. P. 703-707.
12. Wu J., Joergensen R.G., Pommerening B., Chaussod R.,Brookes P.C. Measurement of soil microbial biomass Cby fumigation extraction, an automated procedure // Soil Biol. Biochem. 1990. V. 22. P. 1167-1169.
References
1. Ivanova, A.Yu. and Durmanova, N.D. (2021), The battle for climate: carbon farming as the stake of Russia: expert report, Nats. research. un-t "Higher School of Economics", Publishing House of the Higher School of Economics, Moscow, P.120.
2. Carbon polygons. available at: URL: https://minobrnauki.gov.ru/action/poligony (Accessed 1 February 2022).
3. Semenov, V.M. (2017), Reserves of active organic matter and the emission potential of soils of zonal biomes in the territory of the European part of Russia. Abstracts of the All-Russian scientific conference "Monitoring of the state and pollution of the environment. Main results and development paths". March 20-22 Moscow, pp. 137-138.
4. Savostyanova, A.S. and Semikolennykh, A.A. (2012), "Comparison of methods for determining microbial biomass for assessing biological properties of soil", Izvestiya Samara NC RAS, Vol. 14. no. 1(8). pp. 2064-2067.
5. Anderson, T.H. and Joergensen, R.G. (1997), "Relationship between SIR and FE estimates of microbial biomass C in deciduous forest soils at different pH", Soil Biol. Biochem. V. 29. pp. 1033-1042.
6. Beck, T., Joergensen, R.G., Kandeler, E., Makeschin, F.,Nuss, E., Oberholzer, H.R. and Scheu, S. (1997), "An inter-laboratory comparison of ten different ways of measuring soil microbial biomass C", Soil Biol. Biochem. Vol. 29. pp. 1023-1032.
7. Zavarzin,, G.A. and Kudeyarov V.N. (2006), "Soil as the main source of carbon dioxide and a reservoir of organic carbon on the territory of Russia", Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Vol. 76. no. 1. pp. 14-29.
8. Ananyeva, N.D., Susyan, E.A. and Gavrilenko, E.G. (2016), "Features of carbon determination of microbial biomass of soil by the substrate-induced respiration", Soil Science 2011, no. 11, pp. 13271333.
9. Makarov, M.I., Malyshev, T.I., Maslov, M.N., Kuznetsova, E.Yu. and Menyailo, O.V. (2016), "Carbon and nitrogen of microbial biomass in soils of the southern taiga when determined by different methods", Soil Science, Vol. 49. no. 6. pp. 685-695.
10. LI-COR Biosciences, Application Note 124 (1998), Considerations for measuring ground CO2 fluxes with chambers. LI-COR Biosciences, Lincoln, NE, USA 68504.
11. Vance, E.D., Brookes, P.C. and Jenkinson, D.S. (1987), "An extraction method for measuring soil microbial biomass C", Soil Biol. Biochem, Vol. 19. pp. 703-707.
12. Wu, J., Joergensen, R.G., Pommerening, B., Chaussod, R. and Brookes, P.C. (1990), "Measurement of soil microbial biomass Cby fumigation extraction, an automated procedure", Soil Biol. Biochem. Vol. 22. pp. 1167-1169.
Cведения об авторах
Улимбашев Азрет Муазинович - кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры плодоовощеводства и декоративного садоводства, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет», spin код:4293-7475.
Занилов Амиран Хабидович - кандидат сельскохозяйственных наук, директор центра декарбонизации АПК и региональной экономики КБГУ им. Х.М. Бербекова, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова», spin код: 2031-5449, Scopus author ID: 57211232072, Researcher ID: AHB-3411-2022.
Information about the authors
Azret M. Ulimbashev - Candidate of Agricultural Sciences, Docent of the Department of Fruit and Vegetable Growing and Ornamental Gardening, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "St. Petersburg State Agrarian University", spin-code: 4293-7475. Amiran X.Zanilov - Candidate of Agricultural Sciences, Director of the Center for Decarbonization of Agriculture and Regional Economy of the KBSU named after H.M. Berbekov, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Kabardino-Balkarian State University named after H.M. Berbekov", spin code: 2031-5449, Scopus author ID: 57211232072, Researcher ID: AHB-3411-2022.
Авторский вклад. Авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования. Авторы настоящей статьи ознакомились и одобрили представленный окончательный вариант. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Author's contribution. All authors of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. All authors of this paper have read and approved the final version submitted. Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
Статья поступила в редакцию 07.04.2022 г.; одобрена после рецензирования 15.06.2022 г.; принята к публикации 20.06.2022 г.
The article was submitted 07.04.2022; approved after reviewing 15.06.2022; accepted after publication 20.06.2022.
