Йохан Рокстрём, Амир Кассам, Теодор Фридрих, Дон Рейкоски и другие.
1. Введение
С момента зарождения человечества глобальная экология нашей планеты никогда не находилась в таком критическом состоянии, как сегодня. Наша планета пережила серьезные изменения, вызванные деятельностью человека, начиная с неолитической революции около 10 000 лет назад, которая привела к появлению сельского хозяйства и стала отправной точкой для развития современных цивилизаций и быстрого роста населения (Ganivet, 2020). Эта эволюция, в свою очередь, стала возможной благодаря относительной стабильности на Земле во время теплого межледникового периода голоцена, геологической эпохи, от которой человечество извлекало выгоду с тех пор, как Земля вышла из последнего ледникового периода около 12 000 лет назад (Rockström et al., 2009).
Хотя сельское хозяйство зародилось в Месопотамии в начале голоцена, только в 1950-х годах нерациональное воздействие человечества на систему Земли начало расти в геометрической прогрессии. Это «великое ускорение» (Steffen et al., 2015) является научным доказательством того, что современные цивилизации достигли масштабов и темпов, сопоставимых с геологическими силами. Сейчас мы находимся в антропоцене (Zalasiewicz et al., 2020; Slaughter, 2012; Folke et al., 2021, Head et al., 2022), когда антропогенная деградация природных ресурсов Земли вызывает потрясения, стресс и изменения, которые превосходят те, что вызваны естественными внешними факторами. Другими словами, человечество разрушает и размывает собственную систему жизнеобеспечения (MEA, 2005).
Возникновение человеческих цивилизаций и устойчивость нынешних и будущих человеческих обществ неразрывно связаны с управлением природными ресурсами в агроэкосистемах, в частности с почвами, и широким спектром услуг, которые почвы и экосистемы предоставляют обществу. Развитие сельскохозяйственных технологий (например, «зеленая революция») в XX веке позволило человечеству производить большее количество продовольствия, что привело к росту населения мира с 1 миллиарда человек в 1830 году до примерно 2,5 миллиарда в 1950 году и до примерно 8 миллиардов в настоящее время, причем, по прогнозам, к 2050 году оно достигнет пика в 9–10 миллиардов (Организация Объединенных Наций, 2019; Ganivet, 2020).
Обеспечение продовольствием такого большого числа людей неизбежно привело к значительному воздействию на окружающую среду, затронувшему все экосистемы планеты (Крист и др., 2017), что в совокупности стало одним из самых серьезных воздействий человечества на окружающую среду (Монтгомери, 2007a; Рокстрём и др., 2009; Стеффен и др., 2015; Ричи и Розер, 2020; Reicosky, 2021). В настоящее время около 50 % суши на Земле было преобразовано из нетронутой природы в сельскохозяйственные угодья и инфраструктуру (Winkler et al., 2021). В 2005 году почти 90 % всех экосистем были оценены как деградированные или сильно деградированные (MEA, 2005). Деградация окружающей среды, вызванная антропогенным использованием земель (в основном земледелием, вырубкой лесов, чрезмерным использованием агрохимикатов и чрезмерным выпасом скота), эвтрофикацией, нехваткой водных ресурсов, в совокупности ускорила эрозию почв и отложение осадков, деградацию большинства экосистем, включая прибрежные экосистемы, и утрату биоразнообразия.
Изменение климата и сельское хозяйство тесно взаимосвязаны. Земля быстро нагревается, и при повышении средней глобальной температуры поверхности на 1,3–1,4 °C по сравнению с доиндустриальным средним показателем (1850–1900 гг.) становится ясно, что это изменение является результатом не только сжигания ископаемого топлива. Сельское хозяйство является вторым по величине сектором в обществе, выбрасывающим парниковые газы, после энергетического сектора (примерно 25 % от общего объема выбросов в мире). Кроме того, расширение сельского хозяйства превратило наземные поглотители углерода (нетронутую природу) в источники углерода (неустойчивое сельское хозяйство). В целом, сельское хозяйство не только является одним из основных факторов потепления климата, но и является главной причиной ухудшения устойчивости земной системы и способности природных экосистем, таких как почвы, водно-болотные угодья и леса, поглощать углерод и противостоять экстремальным климатическим явлениям (МГЭИК AR6, 2021).
Эта сложность требует более широкого понимания сложности различных процессов на Земле. Концепция «планетарных границ», введенная в 2009 году (Rockström et al., 2009), уникальным образом подходит для понимания многогранных последствий как неустойчивых методов ведения сельского хозяйства, так и для разработки концепций сбалансированных альтернативных стратегий. В 2009 году было оценено, что несколько безопасных планетарных границ были превышены, а именно в отношении изменения климата, темпов утраты биоразнообразия и изменений в глобальном азотном цикле.
С тех пор удалось более точно количественно оценить текущее состояние других границ, в том числе изменения в землепользовании и глобальный цикл фосфора (Steffen et al., 2015) — оба превышают безопасные уровни. В последнем научном обновлении (Richardson et al., 2023) сделан вывод, что также были превышены границы изменения пресноводных ресурсов и границы новых объектов (Wand-Erlandsson et al., 2022; Persson et al., 2022), что означает, что мир продолжает двигаться по пути, который ставит под угрозу стабильность всей системы Земли, а первоначальные 4 превышенные границы продолжают углубляться в зону высокого риска (Rockström et al, 2024).
Глобальная система производства продовольствия является единственной крупнейшей причиной превышения планетарных границ (Willet et al., 2019; Richardson et al., 2023). Пять из них напрямую связаны с сельским хозяйством: изменение землепользования, изменение запасов пресной воды, изменение биогеохимических потоков (азот (N), фосфор (P)), изменение климата (выбросы парниковых газов (ПГ)) и целостность биосферы (измеряемая в терминах исчезновения видов на миллион видов-лет и в терминах присвоения человеком чистой первичной продукции) (Richardson et al., 2023). Эта ситуация не только показывает, насколько неустойчивые методы ведения сельского хозяйства наряду с другими факторами вывели планету за пределы безопасного для человечества пространства. Связь между производством продовольствия и превышением ПГ также подчеркивает острую необходимость научно определить и перейти к безопасному пространству для глобальной продовольственной и сельскохозяйственной системы в пределах планетарных границ (Rockström et al., 2020).
Также растет понимание того, что единственный способ удержать повышение температуры в соответствии с Парижским соглашением «значительно ниже 2 °C и стремиться к 1,5 °C» — это добиться успеха как в глобальной энергетической к нулевому уровню выбросов к 2050 году (борьба с прямыми факторами изменения климата) и одновременно преобразовать глобальное сельское хозяйство из источника выбросов парниковых газов в крупный поглотитель в течение следующих 30 лет. Это соответствует ничему иному, как новой сельскохозяйственной революции (Rockström et al., 2020), с последовательным взглядом на климат и его влияние на все другие планетарные границы. Стратегическая цель этой новой сельскохозяйственной революции — достичь устойчивого управления всей системой Земли в пределах планетарных границ.
Хорошо известно, что для обратного развития экологической деградации и климатических экстремумов при одновременном восстановительном управлении сельскохозяйственным производством в пределах планетарных границ во всем мире необходим фундаментальный сдвиг парадигмы в сторону экологически устойчивого сельскохозяйственного производства и здоровой продовольственной системы (Willet et al., 2019; Rockström et al., 2020). В данной статье мы предоставляем: (a) доказательства деградации почв и ландшафтов в результате возделывания земли, (b) подробно описываем необходимость перехода к углеродно-ориентированному (c-centric), многофункциональное устойчивое сельское хозяйство, и (c) показываем, что ресурсосберегающее сельское хозяйство (РСХ) является краеугольным камнем этого перехода, представляя собой необходимую (хотя и не достаточную) трансформацию сельскохозяйственной деятельности и управления ресурсами во всех управляемых ландшафтах и наземных системах производства, и дает возможность быстро переориентировать мировое сельское хозяйство с источника выбросов углерода на его поглотитель, при этом поддерживая глобальное обеспечение всех граждан достаточным количеством здоровых продуктов питания и экологических услуг.
2. Почвы и воздействие земледелия
Краткая история почв
Почва является основным ресурсом для сельского хозяйства, лесоводства и других видов биологического производства. Хотя она является общим элементом для всех наземных сред обитания человека, только недавно она стала признаваться в качестве биологической системы или микробиома, наполненного множеством видов мезо- и микрофауны и других форм биоты (Toensmeier, 2016).
Почвы сформировались в результате очень длительного процесса, начавшегося с разрушения материнской породы под воздействием физических и химических сил, за которым последовало воздействие биосферы и обитающих в этом материале флоры и фауны, что в конечном итоге привело к образованию того, что мы называем почвами. Механическое изменение не было частью этого окончательного биологического процесса. Напротив, механическое изменение почв разрушает среду обитания живых организмов, населяющих почву, и вместе с этим их функции по поддержанию здоровья почв. Механическая обработка почвы была введена для того, чтобы открыть поверхность почвы и внести семена сельскохозяйственных культур в почву на более крупных участках земли, чем это было возможно с помощью посадочной палки, и она использовалась для подавления нежелательных растений и помощи сельскохозяйственным культурам в конкуренции с ними.
Многие факторы имеют решающее значение для обеспечения здоровых и устойчивых почв, в том числе долгосрочное хранение углерода, агрегация, структура и аэрация почвы, оптимальная ризосфера.
Функции, биоразнообразие почвы, способствующие динамике взаимодействия насекомых и антагонистов вредителей для естественного управления вредителями, подавлению сорняков, созданию оптимальных условий питания и влажности, а также управлению pH почвы. Как традиционные, так и интенсивные методы обработки почвы влияют на эти факторы: в результате деградации почвы обычно происходит ее утрата (эрозия), истощение органического вещества, утрата структуры, изменение pH (подкисление), ухудшение функций почвы и нарушение жизни и биоразнообразия в целом (Baveye et al., 2020). В настоящее время более 50 % сельскохозяйственных земель подвержены умеренной или сильной деградации, и почти все обрабатываемые земли находятся в процессе деградации (Friedrich, 2020).
Интенсификация методов обработки почвы, продвигаемая в основном как часть современного сельского хозяйства «зеленой революции», была дополнена крупномасштабными монокультурами, высоким уровнем применения азотных удобрений и пестицидов, максимизацией урожайности за счет увеличения использования ресурсов для поддержки западного рациона питания, основанного на зерновых и животных белках, что стало одним из самых значительных воздействий человечества на окружающую среду и здоровье человека, и на сегодняшний день результаты не были благоприятными для планеты (Lal et al., 2007). Но первым эффектом обработки почвы является значительное сокращение биоразнообразия почвы. Последними живыми формами, остающимися в обработанных сельскохозяйственных почвах, являются бактерии — при условии, что они находят органическое вещество для разложения — и растительные патогены, живущие на сельскохозяйственных культурах.
Здоровье почвы и «живые почвы»
Многие «почвенные» процессы и свойства на самом деле являются биологическими процессами и свойствами. «Живая почва» включает в себя джунгли видимых и невидимых существ, работающих под ногами и выполняющих бесчисленные важные функции (Brussaard, 1999; Wall and Nielsen, 2012; Bardgett and van der Putten, 2014). Биоразнообразие является элементом устойчивости и необходимо для функций и услуг природы, как для стабильности экосистем и биосферы, так и для непосредственного вклада в жизнь людей, например, в виде качественных продуктов питания, биомассы, энергии (Nielsen et al., 2011; Balvanera et al., 2014; Diaz et al., 2015; Forest et al., 2017).
Следовательно, необходимо перейти от концепции плодородия почвы к концепции здоровья почвы. Здоровье почвы — это метафора, определяемая как способность почвы функционировать в качестве жизненно важной живой системы в пределах экосистемы и границ землепользования, поддерживать продуктивность растений и животных, сохранять или улучшать качество воды и воздуха, а также способствовать здоровью растений и животных (Doran et al., 1996; Doran and Zeiss, 2000; Karlen, 2012).
Важность связи между почвой и здоровьем человека также признавалась с самого начала цивилизации (Magdoff, 2001; Brevik, 2014; Brevik и Sauer 2015; Oliver и Gregory, 2015; Wall et al., 2015; Kemper и Lal, 2017). Рассмотрение почвы как «живой» экосистемы с характеристиками «здоровья» помогает изменить наше понимание экологии почвы и способов ее улучшения для развития сельскохозяйственного производства без ухудшения качества окружающей среды. Наука о здоровье почвы в сельском хозяйстве постепенно развивается (Derpsch et al. 2024) в ответ на потребность в информации для решения множества сложных проблем, включая изменение климата, парниковые газы, углеродного цикла, эрозии почв и деградации земель, болезней и вредителей сельскохозяйственных культур, истощения и загрязнения водных ресурсов, утраты биоразнообразия и, в конечном итоге, некоторых неинфекционных заболеваний человека (ФАО, 2008; Eagle et al., 2012; Stirling et al., 2016; Montgomery et al., 2022).
Обработка почвы
Сельское хозяйство, основанное на обработке почвы, в значительной степени способствовало расширению сельскохозяйственных угодий, деградации окружающей среды и утрате экосистемных услуг (Montgomery, 2007a; Kassam, 2020, 2021). Около 70 процентов свободной ото льда поверхности Земли представляет собой пригодную для проживания землю. Планетарные границы изменения земельных систем явно превышены на глобальном уровне (Richardson et al., 2023), и сельское хозяйство играет важную роль в этом превышении: Из пригодных для проживания земель сельское хозяйство занимает 50 %, причем 77 % сельскохозяйственных земель используются под пастбища и выпасы для животноводства, а 23 % — под пахотные земли для производства продуктов питания для людей и животных (Ritchie and Roser, 2020).
На протяжении тысячелетий возделывание почвы было наиболее распространенной практикой землепользования в сельском хозяйстве (Lal, et al., 2007; Montgomery, 2007a). Она особенно интенсифицировалась после внедрения инверсионной обработки почвы в XVII веке. Обработка почвы приводит к мгновенному изменению почвенной среды, открывая физические пространства между почвенными агрегатами, разрушая агрегаты, позволяя увеличить концентрацию кислорода и обмен парниковыми газами между почвой и атмосферой, а также вызывая немедленное абиотическое окисление свежевышедших поверхностей, содержащих органический углерод (Homyak et al., 2016). Эта механическая практика является одной из основных причин биотического нарушения почвенной среды, которое серьезно нарушает и повреждает биологические компоненты почвы, включая микробиомы и грибы, а также все другие компоненты, влияющие на здоровье почвы. Механическая обработка почвы разрушает макропоры и в то же время крупную почвенную фауну, такую как дождевые черви и другие роющие и поверхностные организмы, которые создают макропоры, в результате чего снижается инфильтрация и проникновение корней (Kladivko, 2001; Kemper et al., 2011). Обработка почвы нарушает сети гифов грибов и нарушает баланс между грибами и бактериями в почве (Bailey et al., 2002), поэтому в обработанных почвах меньше грибковой активности и меньше запасов углерода, чем в почвах, поддерживаемых под естественной растительностью или в системах нулевой обработки; Six et al. (2006) обнаружили, что в большинстве сельскохозяйственных почв преобладает бактериальная активность. Обработка почвы создает эффект приготовления для некоторых микроартропод и микробов (Кузяков, 2010), а также разрушает структуру сети гиф микоризных грибов. Чтобы накопить больше углерода и азота в почве для последующих культур, необходимо максимально увеличить соотношение грибов и бактерий, что означает практически полное отсутствие воздействия на почву, поскольку любая обработка разрушает деликатную грибную сеть.
Экологические последствия инверсионной обработки почвы с помощью отвального плуга в некоторых случаях, по-видимому, сохранялись в течение длительного времени после прекращения вспашки. Например, Исбелл и др. (2019) обнаружили, что почти через 100 лет после прекращения сельскохозяйственной деятельности восстановление местного растительного разнообразия было лишь неполным, а продуктивность растений не восстановилась в значительной степени. Через 91 год после прекращения сельскохозяйственной деятельности, несмотря на появление многих местных видов, на ранее вспаханных полях все еще наблюдалось только три четверти растительного разнообразия и половина продуктивности растений по сравнению с соседней экосистемой, которая никогда не подвергалась вспашке.
Обработка почвы и органический углерод в почве
Преобразование естественных почв в сельскохозяйственные угодья обычно приводит к снижению уровня органического углерода в почве (SOC) (Bauer and Black, 1994; Derpsch and Moriya, 1998; Derpsch et al., 2006; Sá, 2015, 2020). Во-первых, физическое разрушение и перемешивание почвы усиливает аэрацию и разложение, делая органическое вещество почвы (ОВП) более доступным для микроорганизмов (Six et al., 1998).
Во-вторых, и что, возможно, более важно, сельское хозяйство призвано извлекать из экосистемы как можно больше урожая биомассы, поэтому поступление углерода в сельскохозяйственных системах обычно намного ниже, чем в предыдущих природных условиях (Janzen 2005; Lal et al., 2011).
Изменение землепользования и почвенного покрова привело к значительной потере углерода в виде CO2 из почв во всем мире, но достоверные оценки того, сколько углерода было потеряно из почв, дать сложно (Smith et al., 2019; Lal et al., 2007; Reicosky and Lindstrom, 1993; Reicosky, 1997a & b; Reicosky and Archer, 2007; Sá et al., 2020a & b). Скорость и степень сокращения запасов SOC значительно варьируются по всему миру в связи с различиями в свойствах почв, климате, типе преобразования землепользования и, что важно, конкретными методами управления той или иной формой землепользования. Потери SOC в сельскохозяйственных почвах могут достигать 30–60 Мг/га в зависимости от исходного запаса, климата, землепользования и систем управления (Lal, 2001).
Обработка почвы привела к снижению SOC на 25–75 %, поскольку многие почвы были введены в сельскохозяйственное производство более 100 лет назад (Schlesinger, 1986; Lal et al., 2007; Lal, 2013; Sanderman et al., 2017). Метаанализ доступной литературы, проведенный Sanderman et al. (2017), показал, что среднее значение потери SOC составляет 26 % для верхнего слоя почвы толщиной 30 см и 16 % для верхнего слоя толщиной 100 см. Однако для этих двух слоев были зарегистрированы значения в диапазоне от −36 до 78 % и от −25 до 61 % соответственно. Далее они утверждают, что масштабирование этих ограниченных точечных измерений для расчета совокупной потери SOC для сельскохозяйственных земель мира соответствует оценкам от 40 Пг углерода до более 500 Пг углерода (Lal, 2001). Верхняя оценка потери SOC примерно соответствует совокупным выбросам CO2 от сжигания ископаемого топлива и производства цемента с 1750 года по настоящее время (≈450 Пг углерода).
Хорошо задокументированные примеры того, как интенсивная обработка почвы плугом с отвалом повлияла на системы сельскохозяйственного производства и SOC, иллюстрируются долгосрочными тенденциями изменения содержания углерода в почве на участках Морроу в Шампейне, Иллинойс (Odell et al., 1982, 1984;) и на экспериментальной станции Санборн Филд Университета Миссури, США (Wagner, 1989; Brown, 1993). Более чем столетние полевые эксперименты показали, что, независимо от системы земледелия, участки, подвергающиеся постоянной обработке, непрерывно теряют органическое вещество почвы (Odell et al., 1982, 1984; Wagner, 1989). Оба участка, на которых использовались отвальные плуги и дисковые бороны, демонстрировали схожие тенденции снижения содержания органического углерода в почве на протяжении многих лет.
Исследования, связанные с системой земледелия и севооборотом, с учетом различий в местоположении, обусловленных различиями в типе почвы и климате. На участках Морроу при севообороте «кукуруза-овес-сено» потеря углерода составила 35 %, а при непрерывном выращивании кукурузы — 59 %. На участках Санборн Филд при непрерывном выращивании пшеницы с внесением 6 тонн навоза в год потеря углерода составила 47 %, а при непрерывном выращивании кукурузы — 70 %. В обоих местах были отмечены существенные различия в потере углерода в зависимости от севооборота. Большая часть потерь может быть объяснена интенсивной инверсионной обработкой почвы и переходом от многолетних видов к однолетним агрономическим видам с меньшим поступлением углерода. В свою очередь, Stockfisch et al. (1999) наблюдали, что стратификация и накопление SOM в результате длительной минимальной обработки почвы (20 лет) были полностью утрачены в результате одной обработки почвы отвалом. Shahidi et al. (2014) обнаружили ускоренные выбросы CO2 после изменения метода обработки почвы после ~30 лет без обработки, что указывает на длительное влияние на последующее разложение SOM. Необходимо понимать системы обработки почвы и выращивания сельскохозяйственных культур в сельскохозяйственном производстве, а также различные механизмы, приводящие к потере углерода, поскольку потеря углерода может быть связана с формированием почвы, качеством почвы, здоровьем почвы, хранением углерода, производством сельскохозяйственных культур и, в конечном итоге, многими другими видами экосистемных услуг (Palm et al., 2014; Kassam et al., 2013, 2020; Reicosky, 2021) и деградацией окружающей среды (Paustian et al., 1997).
Исследования показали, что непосредственное высвобождение CO2 происходит просто из-за нарушения почвы (Reicosky и Lindstrom, 1993; Ellert и Janzen, 1999; Rochette и Angers, 1999). За почвообрабатывающим орудием возникало невидимое облако CO2; объем газа был прямо пропорционален объему нарушенной почвы и сохранялся в течение длительного времени после окончания почвообработки. Ruis et al. (2022) обнаружили, что после 38–40 лет управления в системе возделывания кукурузы и сои без орошения потоки CO2 уменьшались в следующем порядке: отвальный плуг > долотный плуг ≈ дисковая борона > нулевая обработка почвы, что указывает на то, что с уменьшением интенсивности обработки почвы потоки CO2 уменьшались. В долгосрочной перспективе можно ожидать более частого и интенсивного насыщения почвы кислородом и ускорения минерализации органического углерода почвы из измельченных комков и агрегатов.
Omonode et al., (2007) оценили краткосрочное воздействие бороздодельного и отвального плугов на потоки CO2 и CH4 в почве по сравнению с нулевой обработкой почвы и определили, как взаимодействие между обработкой почвы и севооборотом влияет на сезонные выбросы газов при непрерывном выращивании кукурузы и севообороте кукуруза-соя. На выбросы CO2 и CH4 значительное влияние оказывала обработка почвы, но не севооборот в краткосрочной перспективе после обработки почвы, а также севооборот в течение вегетационного периода. Средние выбросы CO2 были на 16 % выше при непрерывном выращивании кукурузы, чем при севообороте кукурузы в течение двух вегетационных периодов. После 30 лет постоянной обработки почвы и севооборота кукурузы и сои с урожайностью выше средней в Среднем Западе США, непрерывная безотвальная обработка почвы при севообороте кукурузы и сои была признана системой с наименьшими выбросами углерода из почвы в атмосферу.
Обработка почвы и деградация земель
Несмотря на большие географические и почвенные различия в разных частях мира (Guo и Gifford, 2002; Don et al., 2011; Wei et al., 2014), существует общая деградация, вызванная обработкой почвы, в результате потери органического углерода в почве, разрушением структуры почвы и сети биопор, что приводит к ограничению порового пространства, аэрации и глубины укоренения, снижению скорости инфильтрации и биоразнообразия, а также уменьшению водоудерживающей способности и глубины хранения воды. Поскольку органический углерод является основным структурным элементом и источником энергии для всех форм жизни на Земле, особенно в почве, такие деградированные почвы в земледелии приводят к созданию производственных условий, которые являются неоптимальными с точки зрения достижимого потенциала урожайности и все более уязвимыми к экстремальным изменениям климата, а также к капризам международных рынков (Kassam et al., 2020a). Например, в последние годы пыльные бури были зарегистрированы в некоторых частях Европы, например, в Германии и Украине, а также в США, например, в Иллинойсе, где деградированный верхний слой почвы из-за интенсивной обработки подвержен сильной ветровой эрозии в засушливые периоды (Reicosky et al., 2023). В Украине, которая является житницей, эрозия почвы, как ветровая, так и водная, в результате чрезмерной обработки почвы носит массовый характер на плодородных черноземах, которые имеют высокий уровень SOC (Menshov and Kruglov, 2023). Аналогичные проблемы существуют в Западной Азии (Bashur et al., 2021) и в Китае (Li and He, 2021). Монтгомери (2007b) обнаружил, что скорость эрозии на вспаханных сельскохозяйственных полях в среднем на 1–2 порядка выше, чем скорость эрозии почвы под естественной растительностью и в результате долгосрочной геологической эрозии.
Обработка почвы также измельчает ее поверхность, создавая условия, при которых почва покрывается поверхностной коркой, что приводит к увеличению стока и снижению эффективности осадков или орошения. Вспашка также может приводить к образованию в почве плотных и твердых слоев, которые недоступны для корней сельскохозяйственных культур, что повышает риск дефицита воды в корневой зоне и водного стресса у сельскохозяйственных культур.
Обработка почвы для выращивания сельскохозяйственных культур и борьбы с сорняками, наряду с чрезмерным использованием агрохимикатов и ископаемого топлива для интенсификации высокопроизводительного сельского хозяйства, является одной из основных причин деградации почвы, земель и окружающей среды. Это также верно для традиционного сельского хозяйства с низким уровнем обработки почвы (Kassam, 2020; Friedrich, 2020). Кроме того, земледелие с обработкой почвы является одной из «причин» изменения климата, поскольку управление земельными ресурсами на основе обработки почвы (в рамках выбросов парниковых газов, связанных с климатом, в сельскохозяйственном секторе) вносит наибольший вклад в это явление. Таким образом, непреднамеренные последствия земледелия с обработкой почвы способствовали «климатической проблеме», и теперь только сельское хозяйство, ориентированное на углерод (C), в сочетании с улучшенным управлением водными ресурсами, может способствовать «решению климатической проблемы».
3. Смена парадигмы: отказ от земледелия с обработкой почвы
Системы землепользования в сельском хозяйстве до сих пор основывались на использовании и зачастую добыче природных ресурсов, а в последнее время, после «зеленой революции», их дополняли синтетическими удобрениями. Эта парадигма оказалась неустойчивой, и поэтому необходимо перейти к другой, основанной на природе модели ведения сельского хозяйства (Derpsch et al., 2024).
Необходимый сдвиг парадигмы должен быть направлен на перепозиционирование мирового сельского хозяйства с его нынешней роли в единственный в мире фактор, оказывающий наибольшее влияние на глобальные изменения окружающей среды и климата, превратиться в ключевой фактор глобального перехода к устойчивому миру в пределах нашего ограниченного безопасного пространства на планете Земля (Willet et al., 2019) и в пределах планетарных границ (Richardson 2023). В контексте быстро растущих глобальных экологических изменений устойчивая интенсификация сельского хозяйства должна быть сосредоточена на искоренении голода и бедности, одновременно способствуя благополучию человека (Rockström, et al., 2017; Gerten et al, 2020). Сельское хозяйство должно быть устойчивым и регенеративным, используя принципы здоровья почвы и агроэкосистем для значительного улучшения земледелия, которое соответствует функциям нетронутой природы.
Будущая продовольственная безопасность требует сельскохозяйственной политики, которая поддерживает устойчивое управление земельными ресурсами, копирующее и/или согласованное с природным способом управления углеродом, водой, азотом, фосфором и загрязняющими веществами, — это означает максимально приближенное к голоценовому режиму функционирование этих важнейших процессов, ограниченных планетарными рамками.
Эти политики, хотя и принимают во внимание глобальную перспективу, должны также учитывать интересы людей на индивидуальном уровне: половина пригодных для проживания земель Земли (около 5,1 млрд га) активно управляется фермерами и скотоводами/пастухами. Следовательно, именно решения по управлению земельными ресурсами, принимаемые множеством крупных и мелких землепользователей, а также применяемые ими технологии прямо и косвенно влияют на здоровье почв и агроэкосистем и имеют решающее значение для непрерывного предоставления глобальных экосистемных услуг. Именно их решения приводят к усугублению изменения климата и деградации среды обитания как для людей, так и для других видов (Palm et al., 2014; Kassam et al., 2020a; Kassam and Kassam, 2020; Reicosky, 2021). Другими словами, последствия решений по управлению сельским хозяйством выходят далеко за рамки одной планетарной границы для изменения землепользования (и даже за пределы границы для биогеохимических потоков и воды) — в конечном итоге они существенно влияют на две основные границы: изменение климата и целостность биосферы.
Существует несколько основных вопросов, связанных со здоровьем почвы, которые необходимо учитывать при таком сдвиге парадигмы:
- Здоровая почва — это биологическая система, которая требует регулярного поступления энергии, питательных веществ, воды хорошего качества, аэрации и минимального воздействия, чтобы поддерживать среду обитания и функции почвенного микробиома.
- Понимание и поддержание биоразнообразия в почвах необходимо для обеспечения того, чтобы методы управления поддерживали экосистемные услуги (Lal, 1991; Lal, 2015c; Brussaard et al., 1997, 2012; Pereira et al., 2012; Costello et al., 2013; Pascual et al., 2015).
- Органическое вещество почвы является ограниченным, но важным природным ресурсом, и его необходимо использовать, улучшать и восстанавливать с помощью систем землепользования и управления, которые создают положительный баланс углерода в почве/экосистеме (Reicosky и Forcella, 1998; Jackson et al., 2017; Chenu et al., 2019; Wiesmeier et al., 2019; Baveye et al., 2020). Это достигается за счет уменьшения потерь углерода (например, в результате эрозии и разложения/минерализации) и увеличения поступления углерода (например, биомассы сельскохозяйственных культур, включая корни и корневые выделения, разнообразных покровных культур и навоза).
- Органический углерод по своей природе динамичен; атом углерода, захваченный в процессе фотосинтеза и попадающий в почву в виде растительной биомассы, вероятно, вновь появится в атмосфере в виде CO2 в течение нескольких месяцев, лет или даже, возможно, столетий и может перемещаться на большие расстояния. Только около трети свежей биомассы сельскохозяйственных культур остается в почве через год (Angers и Chenu, 1997; Jenkinson и Rayner, 1977; Voroney et al., 1989); и только 5–20 % остается в почве через 2 года (Buyanovsky and Wagner, 1977; Broder and Wagner, 1988). Reicosky and Janzen (2018) предполагают, что только небольшая часть первоначального входа углерода «стабилизируется», однако этот углерод не закрепляется навсегда, а остается уязвимым для медленного, постепенного высвобождения в течение десятилетий и столетий, оставляя очень небольшую часть углерода в виде трудноразлагаемого гумуса, что является общим термином для группы углеродных соединений, которые чрезвычайно устойчивы к разложению (Lehmann and Kleber, 2015). В результате SOM подвержен постоянному разложению и трансформации под воздействием микробиологической активности и не может рассматриваться как постоянный «хранилище» углерода. Его лучше представлять как углерод, «протекающий» через систему «почва-растение-атмосфера» и в конечном итоге возвращающийся в атмосферу в виде CO2 (Janzen, 2006, 2015; Reicoskyи Janzen, 2018).
Развитие девственных и плодородных почв в результате этих процессов было длительным процессом (см. раздел 2), и поэтому восстановление почвенных экосистем, создающих эти почвы, также занимает много времени; больше, чем длится жизнь человека, и определенно слишком много, чтобы восстановление произошло до следующей обработки почвы в типичных условиях ведения сельского хозяйства.
Таким образом, не существует устойчивого сельского хозяйства с какой-либо формой механической обработки почвы (Derpsch, 2003; Lal, et al., 2007; Montgomery, 2007a, b). Также невозможно для фермера с многолетним опытом и знаниями в области обработки почвы мгновенно или всего за один сезон преобразовать и наладить на ферме оптимальное и устойчивое сельское хозяйство, ориентированное на углерод и не требующее обработки почвы. Это связано с тем, что развитие такой системы земледелия является многомерным регенеративным процессом, зависящим от времени и включающим биологические, физические, химические и гидрологические свойства в функционально деградированной агроэкосистеме. Однако, как только начинается запланированный переход к альтернативной парадигме, имеется достаточно научных и эмпирических доказательств того, что регенерация и выгоды начинают накапливаться почти сразу в первый сезон, постепенно улучшаясь в течение нескольких десятилетий (Derpsch, 2008).
Критерии и подход, которые мы предлагаем для смены парадигмы в направлении устойчивой интенсификации сельского хозяйства, объединяют двойные и взаимозависимые цели использования устойчивых концепций для удовлетворения растущих потребностей человека, одновременно способствуя устойчивости почв и агроэкосистем, а также устойчивости ландшафтов, биосферы и всей системы Земли (Gerten et al., 2020; Rockström et al., 2017, 2020).
Сохраняющее земледелие (СЗ) является основой такой устойчивой трансформации систем сельскохозяйственного производства и управления агроэкосистемами. Поэтому неудивительно, что СЗ прямо или косвенно связано с несколькими экологическими конвенциями ООН, а именно с Рамочной конвенцией ООН об изменении климата, Конвенцией ООН по борьбе с опустыниванием и Конвенцией ООН о биологическом разнообразии. Оно прямо или косвенно способствует достижению большинства глобальных целей в области устойчивого развития, установленных Организацией Объединенных Наций.