Последствия деградации почв
Почвенный органический углерод (углерод, содержащийся в почвенном органическом веществе) имеет решающее значение для здоровья почвы, плодородия и экосистемных услуг, в том числе производства пищевых продуктов. Его сохранение и восстановление имеет важное значение для устойчивого развития.
Вследствие изменения климата, негативно влияющего на сельское хозяйство, фермеры должны производить на 60 процентов больше продовольствия к 2050 году, так как население увеличится до девяти миллиардов. Для удовлетворения этих потребностей почвы должны быть как можно более продуктивными.
Почвы с высоким содержанием углерода являются более продуктивными и способны лучше фильтровать и очищать воду. Вода, удерживаемая в почве, служит в качестве источника для 90 процентов мировой сельскохозяйственной продукции и составляет около 65 процентов пресной воды.
Почвенный органический углерод играет большую роль в изменении климата, представляя собой как угрозу, так и возможности достичь целей Парижского соглашения.
Во всем мире запасы углерода в первом метре почвы оцениваются в 1,417 гигатонн (ГТ) — почти в два раза больше, чем в нашей атмосфере и в десятки раз больше уровней ежегодных антропогенных выбросов. На бόльших глубинах почва содержит в три раза больше углерода, чем в атмосфере.
Почвенный органический углерод чувствителен к тому, как почва управляется: нерациональное использование земель является причиной того, что почвы теряют органическое вещество/углерод и происходят выбросы парниковых газов.
Произошедшая деградация одной трети почв в мире уже способствовала выбросу до 78 ГТ углерода в атмосферу.
Рациональное использование почвы и восстановление деградированных земель может смягчить последствия изменения климата и повысить уровень продовольственной безопасности. Связывание, мониторинг и сохранение углерода в почвах может также повысить устойчивость к изменению климата,как и «здоровое» количество органического углерода в почве может помочь растительному покрову. Восстановление почв на сельскохозяйственных и деградированных землях может удалить до 51 ГТ углерода из атмосферы.
Однако накопление почвенного органического углерода является медленным и обратимым процессом. Практики устойчивого управления почвенными ресурсами должны быть приняты на долгосрочную перспективу. Правительства должны оказать поддержку землепользователям для их реализации.
Методы управления почвенными ресурсами
Практики уже продемонстрировали множество устойчивых методов управления почвенными ресурсами, которые могут сохранить и увеличить содержание органического углерода. Согласно данным продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО):
- Принятие методов ведения сельского хозяйства, которые способствуют сохранению почвенного органического углерода, может увеличить урожайность сои, кукурузы и пшеницы на 17,6 мегатонн в год.
- Увеличение на одну тонну почвенного органического углерода на деградированных землях может увеличить урожайность пшеницы на 20-40 кг на га, кукурузы на 10-20 кг на га и гороха на 0,5-1 кг на га. Например, в тропических засушливых районах около 37 тонн углерода на гектар хранятся в слое 0-30 см. Прирост запасов углерода на одну тонну будет представлять 0,3-процентный прирост текущего запаса углерода.
- Покровные культуры, используемые в качестве зеленого удобрения, являются важной функцией управления для увеличения запасов углерода. Такие методы могут способствовать накоплению до 17 ГТ углерода в почве во всем мире.
- Агролесоводческие системы накапливают углерод в деревьях в качестве древесной биомассы и сокращают выбросы парниковых газов из почв. Исследования показали, что системы агролесоводства поглощают около семи тонн углерода на гектар в год.
- Комбинированное применение навоза и химических удобрений может привести к 43-процентному увеличению запасов почвенного органического углерода по сравнению с использованием неорганических удобрений.
Реакция почвы на изменение климата
Ученые посчитали, что повышение средней глобальной температуры всего на два градуса приведет к высвобождению миллиардов тонн углерода из почвы, что еще больше ускорит потепление. Результаты моделирования последствий такого сценария приведены в статье, опубликованной в журнале NatureCommunications.
Парижское соглашение по климату ставит своей целью удержать глобальное потепление ниже двух градусов Цельсия по сравнению с доиндустриальными значениями. Однако, как считают ученые, запланированных мер может оказаться недостаточно. Дело в том, что многие изменения, связанные с ростом температуры, нарастают не линейно, а с ускоре-нием, так как в их основе заложен механизм положительной обрат-
ной связи, когда результат усиливает само воздействие. Пример того — круговорот углерода в почве. Почвы планеты содержат в два-три раза больше углерода, чем атмосфера. Потепление ускоряет разложение этого углерода, и с ростом температур выделяется все больше углекислого газа, что усиливает парниковый эффект, ответственный за потепление.
Специалисты по климатическому моделированию из Великобритании, США и Швеции подсчитали, что глобальное потепление на два градуса Цельсия приведет к дополнительному выбросу около 230 миллиардов тонн углерода из почвы. Это примерно в два раза больше, чем все выбросы США за последние сто лет.
Реакция почвы на изменения климата — самая большая область неопределенности углеродного цикла, от понимания которого напрямую зависит точность прогноза климатических моделей.
Современные модели предполагают эту неопределенность на уровне 120 миллиардов тонн углерода при среднем глобальном потеплении на два градуса Цельсия. Новое исследование сужает границы неопределенности до 50 миллиардов тонн.
«Мы снизили неопределенность в этой реакции на изменение климата, которая имеет жизненно важное значение для расчета точного глобального углеродного бюджета и успешного достижения целей Парижского соглашения», — говорит еще один участник исследования профессор Питер Кокс (PeterCox) из Института глобальных систем Эксетерского университета.
Станет ли почвенный углерод частью рынка?
В рамках весенней Экспертной сессии Российской академии наук перед коллегами и министром экономического развития Максимом Решетниковым выступил Андрей Иванов, директор Федерального центра «Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАН» с докладом «Глобальный климат и почвенный покров — последствия для России»: «Глобальная экономика и глобальный климат, будучи отнюдь не синонимами 20-21 века, всё же одни из основных обсуждаемых проблем цивилизационного значения, в том числе влияющие на обеспечение продовольствием. Пандемия Covid-19 разом обострила назревшие проблемы глобализации, системно-финансовый и мировой кризис и природопользование. Сейчас окончательно понятно, что тенденции глобализации экономики, доминирующие последние десятилетия, оборачиваются глобальными проблемами и актуализировали обратно изоляционные процессы».
Андрей Леонидович говорил об ужесточившемся диктате со стороны ЕС к России, а также о концепции структуры экосистем карбоновых полигонов: «Нужны методики закладки и ведения наблюдения за продуктивностью экосистем, при этом мы настаиваем на своих почвоведческих соображениях. Во-первых, следует учитывать и отстоять перед ЕС позицию, что концепция карбоновых полигонов должна включать роль почв в регулирование цикла углерода в наземных экосистемах, включая потоки углерода в жидкой и газообразной фазах. Почва имеет в 6 раз больше углерода, чем растительность. Учёта изменения запасов углерода исключительно в растительности явно недостаточно. Если мы отстоим эту позицию, то у нас будет сильное конкурентное преимущество».
Министрэкономическогоразвития РФ Максим Решетников попросил представителей научного сообщества сформировать несколько системных предложений, одно из которых — предложение о единой системе мониторинга поглощения CO2 экосистемами с выделением отдельных категорий. Как пояснил Максим Геннадьевич, проект должен быть не просто научным, а, по возможности, научно-технологическим: с применением новых технологий, отработкой методов дистанционного мониторинга, с использованием в том числе информации из космоса и так далее. «Системный большой проект, который бы интегрировал данные, подходы, технологию, информацию, организационные методы, наведение порядка в лесном кадастре и других. Такой большой проект, имеющий целью и мониторинг, и признание на международном уровне результатов этого мониторинга, мне кажется, был бы крайне востребован».
NO-TILL поможет достигнуть баланса
Скотт Стеггенборг из университета штата Канзас (США) рассказывает об управлении углеродом на примере местного опыта: «Почвы отличаются по количеству содержания в них почвенного органического углерода, спектр варьирования — от менее 1% в песчаных почвах до более 20% в заболоченных почвах. Естественный уровень содержания почвенного органического углерода в почвах Канзаса варьируется в пределах 1-4%. Сегодня в большинстве обрабатываемых земель Канзаса уровень содержания органического углерода составляет 0,5-2%.
Что можно сделать, чтобы замедлить процесс увеличения содержания СО2? Если мы задумаемся об источниках, из которых поступает СО2, и о том, куда он девается потом, наиболее очевидным решением будет сокращение его поступления путем снижения использования ископаемого топлива. Это уменьшит попадание СО2 в атмосферу. Со временем потребуются более эффективные и экологически чистые источники энергии, но текущие экономические аспекты использования ископаемого топлива ограничивают внедрение и развитие альтернативных источников. В будущем, когда мы разработаем технологии альтернативной энергии, массовое использование стоков углерода, возможно, поможет стабилизировать уровень содержания СО2 в атмосфере. Описание мировых резервов углерода демонстрирует, что скопления углерода в глубинах океана — основной резерв, но его изменения могут занять миллионы лет. Помимо этого, наши возможности управлять этим резервом ограничены. Следующий по размерам резерв — почвенный органический углерод. Количество почвенного органического углерода в два раза превышает количество углерода, содержащегося в растительной биомассе (растения, деревья, сельскохозяйственные культуры, травы и т.д.). Одним из способов стабилизации атмосферного углерода могло бы быть внедрение по всему миру технологий, которые способствуют увеличению содержания почвенного углерода. Сколько углерода может удерживаться в почве Канзаса? Вопрос прост, но на него нет простого ответа. Потенциал накопления для этого вида почвы зависит от уровня содержания почвенного углерода на данный момент, концентрации СО2 в атмосфере и применяемых агротехнических приемов. Во многих почвах Канзаса результатом значительных потерь верхнего слоя, обусловленных эрозией и проведением многочисленных механических обработок, стало сокращение уровня содержания углерода более чем в два раза по сравнению с исходными показателями. При правильном управлении содержание органического углерода во многих почвах можно повысить. Потери почвенного углерода, которые произошли в первой половине ХХ столетия, были частично компенсированы во второй половине с усовершенствованием сберегающих технологий и интенсификацией систем земледелия. Правильное внесение удобрений и возделывание улучшенных гибридов и сортов также сыграли свою роль в накоплении почвенного органического углерода. Более высокая урожайность и интенсивность возделывания способствуют увеличению объема биомассы, которая проникает в почву, обеспечивая поступление большего объема материала, который может быть преобразован в почвенный углерод.
В почвах, которые обрабатываются по технологии no-till и на которых используются интенсифицированные системы возделывания, содержание почвенного углерода может увеличиваться на 1% в год. В настоящее время в штате Канзас с применением технологии no-till обрабатывается 10% сельскохозяйственных земель (общая площадь 8,2 млн. га), и на этих площадях дополнительно должно секвестрироваться 19 000 т углерода в год. При расширении использования технологии no-till и использования интенсифицированных систем возделывания углерод секвестрировался бы в больших объемах. В мире не существует потенциальной возможности использовать почву в качестве стока углерода, этот вариант остается кратковременным решением. Через какой-то период времени, возможно, через 30-50 лет, будет достигнут новый уровень баланса почвенного СО2, при котором будет сложно достигнуть дальнейшего накопления углерода. Более долгосрочным решением для стабилизации уровня атмосферного СО2 может стать снижение нашей зависимости от ископаемого топлива для получения энергии».
Секвестрация углерода в вопросах и ответах
1. Что подразумевается под секвестрацией углерода?
Секвестрация углерода — это, как правило, процесс трансформации углерода в воздухе (углекислый газ или СО2) в почвенный углерод. Углекислый газ поглощается растениями в процессе фотосинтеза, а также впитывается живыми растениями. Когда растение отмирает, углерод, находившийся в листьях, стебле, а также корнях, попадает в почву и становится почвенным органическим веществом.
2. Как секвестрация углерода может помочь избавиться от проблемы глобального потепления?
Атмосферный углекислый газ и другие газы, вызывающие парниковый эффект, являются ловушкой для тепла, которое отходит от поверхности земли. Это накопление тепла может привести к глобальному потеплению. Посредством секвестрации углерода уровень атмосферного углекислого газа снижается, а уровень почвенных органических веществ повышается. Если почвенный органический углерод не трогать, он может оставаться в земле многие годы как стабильное органическое вещество. Этот углерод секвестрируется позже или перемещается в хранилища, чтобы стать доступным для рециркулирования в атмосферу. Данный процесс снижает уровень СО2, а также возможность глобального потепления.
3. Какое воздействие секвестрация углерода может оказывать на газы, вызывающие парниковый эффект?
Было установлено, что сократить выбросы СО2 на 20% и более можно путем сельскохозяйственной почвенной секвестрации углерода.
4. Что сельхозпроизводители могут предпринять, чтобы повысить уровень секвестрации углерода?
Существует несколько способов достичь этого:
— no-till, или минимальная обработка почвы;
— интенсификация севооборотов и исключение летнего пара;
— буферные зоны;
— мероприятия по охране природы, которые будут способствовать снижению эрозии;
— использование культур, дающих много остатков (кукуруза, сорго обыкновенное, а также пшеница);
— использование покровных культур;
— выбор таких видов и гибридов, которые сохраняют больше углерода.
5. Что такое почвенные органические вещества, откуда они берутся и куда уходят?
Почвенные органические вещества состоят из перегнивших растений и животных отходов. Они позволяют соединять почвенные минеральные частицы в комочки, которые называются почвенными агрегатами. Повышение уровней почвенных органических веществ ведет к установлению более стабильных почвенных агрегатов, более устойчивых к ветровой эрозии, лучшей инфильтрации и аэрации, снижению вероятности уплотнений, а также повышению плодородности. Органические вещества помогают содержать почвенные питательные вещества вместе, таким образом, они не вымываются и не выщелачиваются. Если их не трогать, почвенные органические вещества могут перерасти в гумус —очень стабильную форму органического вещества. Тем не менее, если почва обрабатывается, почвенные органические вещества будут окисляться, и углерод растворится в атмосфере как СО2. Если почва эродируется, почвенные органические вещества будут вымываться водой.
