Сельское хозяйство — главный источник повышения уровня концентрации метана и оксида натрия в атмосфере планеты. Почти треть выбросов парниковых газов, вызванных хозяйственной деятельностью человека, приходится на традиционное сельское хозяйство, особенно на растениеводство, основанное на вспашке почвы отвальным плугом. При сельскохозяйственной деятельности выделяется три вида парниковых газов: углекислый газ (CO2), метан (CH4) и оксид азота (N2O).
Учеными давно доказано, что интенсивная обработка почвы в растениеводстве приводит к существенному выделению углекислого газа в атмосферу и, вместо того чтобы углерод накапливался в почве, улучшая тем самым ее плодородие, способствует образованию парникового эффекта и росту глобального потепления. При этом углерод является основой всех физических, химических и биологических процессов в почве, от баланса которого зависит плодородие почв, урожайность и качество продукции. При его потере в виде выбросов СО2 снижается качество почв, развивается переуплотнение, эрозия и деградация, отмечается потеря почвенной биоты и падение плодородия почв почти вдвое, усиливается негативное влияние на окружающую среду и изменение климата.
По оценкам ведущих экспертов, связывание и накопление углерода может быть одним из наиболее выгодных способов остановки глобального потепления. Углерод, содержащийся в виде СО2 в атмосфере, служит «сырьем» для фотосинтеза растений. В ходе фотосинтеза растения используют энергию света, разлагают воду, потребляют CO2 и синтезируют органическое вещество. Кислород, который получается при разложении воды, выделяется во внешнюю среду как продукт обмена веществ. Органический углерод удерживается в растениях и почве; часть его надолго аккумулируется в почве, другая доля в процессе разложения органики возвращается в атмосферу. Биота почвы содержит в четыре с лишним раза больше углерода, чем растительность. Увеличение количества углерода в почве повышает инфильтрацию влаги, увеличивает плодородие и оборот питательных веществ, снижает ветряную и водную эрозию, снижает уровни уплотнения, повышает качество воды, снижает выбросы парниковых газов.
Интенсивная обработка почвы не только разрушает слой гумуса, но и вызывает увеличение потребления дизельного топлива по сравнению с прямым посевом (или отсутствием какой-либо обработки почвы) в 6,4 раза, что способствует дополнительному по- явлению двуокиси углерода, как и при сжигании соломы, которая попадает в атмосферу и способствует глобальному потеплению. Согласно исследованиям профессора Ф. Тербрюгге (Хохенхаймский университет, Германия), что только за 19 дней после обработки почвы освобождение СО2 вследствие микробного окисления органических веществ при вспашке примерно на 80% выше по сравнению с почвами, на которых вспашка не применялась. С каждой тонной почвенного углерода, которая теряется при разрушении органического вещества, 3,7 тонн СО2 улетучиваются в атмосферу. При традиционной обработке почвы в атмосферу может улетучиться до 10 т/га СО2. Так, например, при традиционной обработке почвы, предпосевной обработке, посеве и обработке жнивья (45 л/га) на 70 млн га пашни в ЕС выбрасывается 11,8 млн тонн атмосферных газов, преимущественно в виде СО2. Согласно исследованиям, выбросы CO2 в Европе из-за вспашки составляют 138 млн т/га ежегодно.
Потеря почвенного углерода в виде выбросов CO2 характерна и для нашей страны.
По данным Почвенного института им. Докучаева, за всю историю землепользования почвы российские пашни потеряли около 2.6 ГтС (20%) из слоя 0-0,3 м и 3,6 ГтС (16%) из слоя 0-1 м. Потери почвами пастбищ гораздо меньше и составляют для отмеченных слоев 0,5 ГтС (7%) и 1,1 ГтС (11%), соответственно. Суммарные потери органического углерода почвами сельхозназначения – 3,1 ГтС (16%) из слоя 0-0,3 м и 4,7 ГтС (14%) из слоя 0-1 м. Сегодня перед человечеством стоит глобальная задача по внедрению низкоэмиссионных «зеленых» агротехнологий, обеспечивающих сохранение органического углерода, повышение плодородия, предотвращение эрозии и достижение нейтральной деградации почв сельхозугодий, а также снижение выбросов СО2 и уменьшение негативного влияния на изменение климата, обеспечивающих производство климатически нейтральной продукции и повышение продовольственной безопасности.
Низкоэмиссионные технологии
В ряде стран активно применяются комплексные агротехнологии с прямым посевом, позволяющие аккумулировать и сохранять углерод в почве. Технологии сберегающего земледелия, такие как мульчированный и прямой посев, уже давно используются для уменьшения вложений в технику, затрат рабочего времени и потребляемой энергии, а также для снижения эрозии почв. Важнейшим достоинством технологий сберегающего земледелия также является непосредственное воздействие на взаимосвязь органического вещества и углерода в почве. Многолетние исследования немецкого ученого Фридриха Тербрюгге показали, что при отказе от традиционной обработки почвы содержание углерода в почве в год в расчете на 1 га превысило 0,77 тонн, эмиссия СО2 уменьшилась на 2,8 тонн. Известно также, что увеличение секвестрации почвенного углерода улучшает качество почвы и активизирует почвенные рекуперативные (восстановительные) процессы, также отмечается значительный экологический эффект, выражающийся в сокращении выбросов углекислого газа в атмосферу, сохранении почвенного плодородия, снижении подверженности почвы ветровой и водной эрозии.
Уплотнение и почвенный углерод
Многолетние испытания по сравнению выращивания сельскохозяйственных культур с применением вспашки с технологиями сберегающего земледелия, которые проводятся в ряде стран начиная с 80-х годов, показывают, что при минимальной обработке почвы и прямом посеве, как правило, достигается более высокая (или равная) урожайность, растет экономическая прибыль. Однако, как показывает практика, это происходит не всегда. Нередко, в зависимости от почвы, погодных условий, предшественника и основной культуры в рамках ресурсосберегающих технологий, колебание урожайности намного сильнее, чем при использовании вспашки. Одна из причин этого заключается в наличии уплотнений на поверхности почвы.
Причиной уплотнения являются многооперационные технологии в растениеводстве с применением энергонасыщенной техники, имеющей большую эксплуатационную массу и высокое удельное давление на почву. Уплотняющее действие от колес и гусениц распространяется до 1 м в глубину и до 0,8 м в по- перечном направлении и может сохраняться до следующего вегетационного периода. Качество работы при выполнении технологических операций на уплотненных участках по следам сельхозмашин не отвечает агротехническим требованиям. На поверхности поля остаются следы глубиной до 0,12 м, по которым плотность почвы существенно превышает оптимальные значения.
Целый ряд исследований в Австралии, США и Германии показал, что содержание кислорода во влажных, плохо структурированных почвах по следу колес трактора может достигать критически низких показателей. Вспашка или культивация разрушают эти уплотнения.
Почвосберегающие (углеродосохраняющие) технологии прямого посева при всех экономических и экологических преимуществах не снимают проблемы уплотнения почв. Это обстоятельство является огромным препятствием для развития и расширения использования прямого посева. Примечательно, что этот фактор тормозит развитие данной технологии в нашей стране. Возможность решения проблемы уплотнения почвы предоставляет система Controlled Traffic Farming (CTF).
Особенности CTF
Развитие точного земледелия стало предпосылкой для распространения в мировой практике технологии Controlled Traffic Farming (CTF) – управляемого движения по полю, которая также дала новый стимул к распространению прямого посева. Развитие данного тренда в сельхозпроизводстве связано с тем, что прямой посев в полной мере не снимает проблемы уплотнения почв, эта проблема успешно решается комплексным применением прямого посева с технологиями CTF. Распространение технологии прямого посева с Controlled Traffic Farming сегодня является растущей тенденцией в растениеводстве многих стран и уже стало устойчивым трендом в развитии отрасли. Сегодня в Австралии, США, Аргентине, Бразилии и странах Европы данная технология применяется более 20 лет. Лидером в применении CTF является Австралия, где более 3 миллионов гектаров обрабатываются с фиксированных маршрутов прохода техники. — Многократное использование постоянной технологической колеи проезда техники в системе Controlled Traffic Farming требует очень высокой точности, — рассказывает Дирк Полони, специалист по системам точного земледелия из Agri Con GmbH (Германия). — GPS-сигнал со спутника при передаче подвергается различным искажениям, без применения специального оборудования реальная точность позиционирования обычно измеряется в метрах. Искажения могут быть существенно уменьшены с помощью дополнительной наземной инфраструктуры – систем дифференциальной коррекции.
Поэтому в Германии широко распространена технология использования наземных базовых станций RTK. Это приложение для системы GPS, которое служит для обеспечения сантиметровой точности координат в режиме реального времени и передачи скорректированных данных. Режим RTK позволяет получать поправки в реальном времени с точностью порядка 1 см. Таким образом, по технологической колее, проложенной единожды, можно работать в течение нескольких лет, обеспечивая точность от 2 до 3 см. Все транспортные средства, оснащенные системами управления GPS, передвигаются по полю по постоянной технологической колее с взаимно согласованной шириной захвата и шириной колеи. За пределами следа машины не ездят. Благодаря этому, в зависимости от ширины захвата, как минимум на 2/3 площади создаются условия для устойчивого улучшения структуры почвы. Стратегия проезда по полю учитывает тот факт, что 80% повреждений почвы за счет уплотнений возникает при первом проезде. Потому важно, чтобы проезд техники происходил по минимальной площади.
Польза заключается не только в стабильном нахождении технологической колеи, при использовании широких шин и шин низкого давления снижается давление на почву в зоне возделывания растений. Вот что говорит об использовании технологической колеи специалист по вопросам уплотнения почв из Австралии Рохан Рэйнбоу: — На самом деле проблема уплотнения почвы очень проста, и решить ее несложно, важно понять главное: выбор техники никакой существенной роли в этом вопросе не играет. Все зависит от того, как вы располагаете машину на поле, как она перемещается по нему. Идеальным является такое расположение трактора, когда два колеса находятся на расстоянии 2–3 метров от его центральной оси и перемещаются по одной колее. То же касается и остальной техники, движущейся по полю, – колеса должны идти «след в след» по единственной колее. Но в первую очередь, — подчеркивает Рэйнбоу, — уплотнение почвы — это проблема фермеров, а не техники, важно просто понять это и действовать.
В США аграрную науку занимал вопрос о воздействиях разной по величине почвенной нагрузки. Были проведены исследования на соевых полях с нагрузкой на ось машины от 4,5 до 20 тонн. При этом выяснилось, что урожай соевых бобов при уплотненном верхнем слое почвы (осевая нагрузка 4,5 тонны + ежегодная обкатка) по сравнению с контрольным вариантом без утрамбовывания снизился примерно на 15% (на некоторых участках — на 27%). Кроме того, анализировалась возможность спада урожайности вследствие уплотнения нижних слоев почвы. В результате опыты показали, что одноразовая обработка с осевой нагрузкой 9 или 18 тонн в начале экспериментов привела к снижению урожайности в следующем году. В следующие 9 из 14 лет на данных полях получали также более низкий урожай, чего не было на контрольных площадях, по которым сельхозтехника не ездила. В то же время состоялись похожие эксперименты на кукурузе. Одноразовая нагрузка от перегруженной машины (20 тонн осевого давления) привела к потере в урожае в следующем году до 55%. Американские ученые смогли доказать наличие последующего воздействия на урожай переуплотнения почвы на протяжении 12 лет, особенно при неблагоприятных условиях, например, на влажной почве. Так, на опытных площадях в Миннесоте уменьшение урожая кукурузы на зерно составило в среднем около 6%.
В итоге американские ученыепрактики рекомендовали к применению технологию Controlled Traffic Farming не только как инструмент по разуплотнению почв, но и эффективный метод повышения урожайности, а значит, и доходности сельхозпроизводства. Многочисленные исследования в Германии, Великобритании и Дании показали, что на участках, по которым не было проезда техники, обозначилась тенденция медленного, но стабильного улучшения свойств почвы. При этом проводилось наблюдение за такими факторами, как повышение инфильтрации воды, формирование более рыхлой структуры почвы, беспрепятственный газообмен, улучшение полевой всхожести, более интенсивное прорастание корней и более стабильная урожайность. Например, исследования, проведенные по различным полевым культурам в Германии, показывают увеличение урожайности на 9-16%.
В Австралии проводилась серия исследований в различных районах с разными почвенно-климатическими условиями, направленных на изучение динамики содержания почвенного углерода и выбросов парниковых газов при смене традиционной обработки почвы на прямой посев с использованием технологии согласованного движения техники с применением постоянной технологической колеи. Одним из аспектов исследований стало изучение влияния уплотнения почвы, вызванного использованием техники, на выбросы парниковых газов.
Эти данные подтверждаются исследованиями Джеффа Н. Туллберга, ученого-практика из Университета Южного Квинсленда, почетного профессора Австралийской ассоциации CTF, который на практике доказал, что использование систем проезда техники, контролируемого в рамках CTF, снижает выбросы парниковых газов. В хозяйстве на юго-востоке Квинсленда проводился эксперимент, в качестве опытного участка использовался участок с посевами пшеницы, на котором три года применялся прямой посев с использованием системы Controlled Traffic Farming. В результате опыта средние уровни выбросов N2O (основного компонента выбросов парниковых газов при выращивании сельхозкультур) при случайном движении по почве оказались существенно выше, чем при движении по постоянной колее. Зафиксировано, что послепосевные выбросы при использовании движения техники по постоянным колеям были на 40% ниже показателей систем производства сельскохозяйственных культур без Controlled Traffic Farming. Подобные исследования по сравнению технологий со вспашкой, прямого посева и прямого посева с Controlled Traffic Farming проводились в США, где в результате многолетних исследований были получены похожие результаты.
— В традиционной технологии воздействие техники имеет постоянный характер, а это означает, что все почвы в системах без согласованного движения техники в той или иной степени подвергаются воздействию уплотнения на глубинах более 100 мм, что уменьшает просачивание воды и гидравлическую проводимость, увеличивает риск заболачивания, а также создает благоприятные условия для расширенных выбросов N2O, — отметил Раттан Лал, профессор Университета почвенных исследований, директор центра по углеродному управлению и секвестрации (Огайо, США). – Практическим путем было доказано, что при системном использовании CTF происходит увеличение урожайности с относительно низким уровнем выбросов парниковых газов по сравнению с традиционными системами использования техники. Очевидно, что прямой посев в сочетании с CTF является полноценной системой, применение которой на практике может иметь большой потенциал не только для устранения уплотнения почвы, но и для увеличения связывания углерода и уменьшение выбросов парниковых газов, что является одним из инструментов по управлению почвенным углеродом в растениеводстве, и соответственно, управлению климатом.
Перспективы для России
Прямой посев с CTF является примером «зеленых» низкоэмиссионных технологий и позволяет снизить выбросы парниковых газов, сохранить почвенный углерод, снять проблему уплотнения почвы и сохранить почвенное плодородие при одновременной стабилизации урожайности, предотвратить эрозию почв, повысить качество продукции и доходность сельхозпредприятия. К сожалению, несмотря на эти явные преимущества, система CTF наиболее популярна лишь в Австралии, Германии и США. Активно в сельхозпроизводстве она используется в 40% австралийских сельхозпредприятий, около 20% немецких и 15% американских фермеров. В остальных странах мира, в том числе, в России, в практическом аспекте данная технология только начинает применяться.
Причин слабому распространению данной технологии в нашей стране несколько. Среди них — отсутствие научного обеспечения прямого посева с CTF, не созданы системы управления почвенным углеродом и выбросами СО2, отсутствуют исследовательские проекты для изучения данных технологий и их распространения. При этом знаний о данной технологии не хватает на всех уровнях: от специалистов сельхозпредприятий до управленцев. Программы обучения и переподготовки кадров для отрасли сельского хозяйства не соответствуют современным инновационным технологиям. Техника и оборудование для технологий прямого посева с согласованным проездом техники по полю в России не производится. Опыта комплексного применения данных технологий в России не имеется. Это принципиально новая для РФ комплексная технология, новая парадигма для развития с/х машиностроения и сельхозпроизводства, ориентированная на создание умного растениеводства в нашей стране, следующим этапом которого является автономизация. Тем не менее, в плане популяризации и внедрения в РФ низкоэмиссионных «зеленых технологий» (к которым относится и CTF) уже делаются первые шаги. К настоящему времени в России уже заложена правовая основа для перехода к зеленой экономике, основанной на системном внедрении и поддержке зеленых проектов в различных отраслях, приоритетно – в сельском хозяйстве. И сейчас идет речь о создании национальной долгосрочной стратегии «низкоуглеродного» развития аграрного сектора, внедрение в производство энерго-, ресурсо- и углеродосберегающих технологий, основанных на увеличении и сохранении почвенного углерода и плодородия почв.
Согласно экспертной оценке, в перспективе использование углеродосохраняющих «зеленых» низкоэмиссионных технологий на основе комплексного применения прямого посева с Controlled Traffic Farming (CTF), биологизацией земледелия и технологиями точного земледелия позволит:
— сохранить и восстановить почвенный углерод, за счет исключения обработки почвы для улучшения всех почвенных процессов;
— сократить выбросы СО2 и уменьшить влияние на изменение климата: секвестрация органического углерода сельскохозяйственными почвами РФ может в перспективе снизить концентрацию углекислого газа (CO2) в атмосфере на 50-100 ГтC (ГтC – гигатонна углерода – 109 т) и уменьшить эффект глобального потепления;
— точная информация о возможностях почв депонировать углерод создает основу для сертификации и продажи квот СО2 за счет сокращения секвестрации углерода;
— устранить уплотнение почвы; — предотвратить эрозию и деградацию почв, улучшить ее структуру;
— создать благоприятные условия для почвенной биоты;
— сократить текущие расходы, в т.ч. на ГСМ до 50%, СЗР, минеральные удобрения и семена до 20%;
— сократить инвестиционные расходы на технику на 30%;
— увеличить производительность до 70%; — увеличить урожайность до 30%;
— производить качественную и экологически безопасную для человека продукцию;
— уменьшить негативное влияние на окружающую среду.
