Углерод играет важнейшую роль в сохранении здоровья почвы. я расскажу о свойствах углерода, живой почве и ее здоровье, об углеродном цикле, о влиянии вспашки, биоразнообразии и о том, как ресурсосберегающие технологии могут гармонизировать углеродный цикл.
Взаимосвязь всего живого
Продовольственная безопасность человечества полностью зависит от сельского хозяйства. И залог нашей продовольственной безопасности — углерод и живая почва. Углерод входит в состав всех живых организмов. Углерод — структура и топливо всего живого, как сказал ноутиллерБрайнЙоргенсен из Северной Дакоты, и мы должны осознавать, какую роль он играет в сельскохозяйственной практике.
Рассмотрим взаимосвязанные факты: устойчивое развитие человечества зависит от сельского хозяйства — сельское хозяйство зависит от погоды и климата — климат определяется углеродным циклом — понимание природы и углеродного цикла поможет более эффективно управлять сельскохозяйственной практикой.
Сила природы заключается в населяющих ее микроорганизмах. Именно они метаболизируют органические и неорганические вещества и обеспечивают круговорот веществ в природе. Это наша самая главная химическая фабрика. Природа — наш друг и источник всех ресурсов.
В почве начинаются все пищевые цепочки, поэтому для гармонии с природой мы должны научиться жить в гармонии с нашей почвой. Мы питаемся 3 раза в сутки, и 99,7% калорий получаем именно из почвы.
Почва обладает рядом биологических, химических и физических свойств. В ней постоянно протекают различные процессы, топливом для которых служит именно углерод, а баланс углеродного цикла и почвенной микробиоты — ключ к здоровью почвы и полноценной пище.
Очень важную роль играет связь углерода на всех уровнях организации живого. Углерод обеспечивает здоровье растений, а здоровье растений определяет пищевую ценность продуктов, которые, в свою очередь, влияют на здоровье человека. Здоровье людей связано со здоровьем экосистем и, соответственно, со здоровьем всей нашей планеты.
Основа сельского хозяйства
Сегодня существует путаница в терминологии относительно «секвестрации» и «депонирования» углерода. Основная разница заключается в периоде, в течение которого углерод будет находиться в земле. Долговременная задержка углерода почвой переводит его в пассивное состояние, что не дает микроорганизмам использовать его по назначению. Основная цель грамотного углеродного цикла — баланс между секвестрацией углерода из атмосфе-ры в форме парниковых газов и его активизация почвенными микроорганизмами. Только так возможно обеспечить устойчивое функционирование почвенной экосистемы.
Чтобы грамотно управлять углеродом, мы должны четко понимать его цикл. Все начинается с фотосинтеза, когда растения улавливают углекислый газ и с помощью солнечного света и воды преобразуют его в углеводы, которые мы с пищей используем в качестве энергии в процессе клеточного дыхания. Мы выделяем углекислый газ, который растения снова могут использовать для фотосинтеза. То есть основой этой цепи являются растения. Это звучит довольно понятно, но, к сожалению, все не так просто, как кажется.
Процесс преобразования солнечного света в энергию, которую мы потребляем с пищей, проходит целый ряд стадий. Синтезированные углеводы транспортируется в стебли, затем в корни, после чего в форме корневых экссудатов становятся доступны микроорганизмам, которые обеспечивают его рециркуляцию и здоровье почвы. Мы получаем от этой системы все самое ценное, что у нас есть, и в процессе дыхания выделяем углекислый газ, который возвращается в атмосферу.
Углерод — структурная основа всего живого. Именно углерод—каркас, хребет, несущая ось всех органических молекул на земле. Для меня углерод — основа всего сельского хозяйства. Именно атмосферный углерод растения улавливают во время фотосинтеза, он становится источником нашей энергии, нашего здоровья, и он также поступает к микроорганизмам. Эти микроорганизмы формируют биомассу на поверхности почвы, которая защищает ее от эрозии, укрепляет ее структуру и повышает плодородие.
На латинском «углерод» —«carbon». И именно с этой буквы «С» начинается слово «conservation», что значит «сохранение». Как для человека главной опорой является его позвоночник, так и для сельского хозяйства такой опорой служит углерод.
Атом углерода может связываться со множеством атомов, формируя огромное разнообразие органических соединений. Углерод может соединяться и сам с собой, формируя одинарные, двойные и тройные связи. Но важнее то, что он взаимодействует с водородом, кислородом, азотом и многими другими элементами, формируя сложные молекулы.
Именно из этих элементарных блоков состоит все живое на земле, формируя биоразнообразие нашей планеты.
Безумие вспашки
Говоря о практике ведения сельского хозяйства, мы должны понимать, какое воздействие на почву оказывает вспашка. В течение последних 50 лет во всем мире проводилась интенсификация сельского хозяйства и механизация процессов вспашки земли, что негативно сказалось на состоянии почвы.
При этом еще 70 лет назад известный сто-ронник почвозащитного земледелия Эд Фолкнер в своей книге «Безумие
вспашки» писал о том, что «научного обоснования целесообразности вспашки земли не существует».
В течение последних лет было создано множество различных видов плугов и другого специализированного оборудования, но мы только сейчас стали понимать, какое негативное влияние это может иметь на нашу почву.
Я считаю, что вспашка оказывает двойное разрушающее действие на почвенную экосистему и углеродный цикл. С одной стороны, при вспашке мы теряем углерод почвы. С другой стороны, при сжигании машинного топлива в атмосферу выделяются парниковые газы.
Все это ухудшает состояние почвы, загрязняет воздух, приводит к эрозии и потере органического вещества.
Существуют фактические доказательства того, как быстро мы теряем почвенной углерод на фоне интенсификации сельского хозяйства.
На графике представлена динамика потери почвенного углерода из почвы в штатах Иллинойс и Миссури за последние 110 лет. По оси «х» отмечено время, по оси «у» — содержание углерода в почве. В верхней части графика мы видим динамику потери почвенного углерода в Центральном Иллинойсе, где различные виды посевных культур представлены белыми фигурами. Очевидно, что наибольший спад наблюдается при посадке монокультуры кукурузы, а наименьший — при использовании севооборотов с овсом и травой. Такая же тенденция и в штате Миссури, где наибольшие потери наблюдались при посадке монокультуры кукурузы.
Причины потерь почвенного углерода
Потерю почвенного углерода можно визуально представить как ведро, из которого забирают землю, в результате чего онопустеет и, соответственно, для восполнения потерь его нужно снова наполнить. На слайде также видно, что наибольшие потери углерода 59% для штата Иллинойс и 70% для штата Миссури связаны с посадками монокультур, в то время как при посадке миксов кукурузы, овса и травы, а также при использовании навозных удобрений потери значительно снижались. Сегодня мы оказались в ситуации, когда запасы почвенного углерода значительно истощились, и единственный способ вернуть здоровье почвы — вернуть углерод из атмосферы. И наилучший выход в данном случае, по моему мнению, — использование практик почвозащитных технологий.
Почему происходит потеря углерода из почвы?
На сегодняшний день существует целый ряд объяснений:
1) Во-первых, мы теряем углерод при сборе урожая в частях растений.
2) Во-вторых, как я уже отмечал, значительное негативное влияние оказывает вспашка отвальным плугом и бороной.
3) В-третьих, наблюдается переход от многолетних культур, которые могли удерживать под землей до 90% биомассы, к одногодичным культурам, которые удерживают всего 20%.
4) В-четвертых, на фоне роста использования неорганических азотистых удобрений происходит интенсификация процессов минерализации органического вещества.
5) Активный дренаж на среднем западе США с целью повышения аэрации растений также приводит к вымыванию органического слоя.
Однако, по моему мнению, именно вспашка оказывает максимально негативное влияние на деградацию почв и потерю углерода. Интенсивная вспашка не просто разрушает почву, но и делает ее беззащитной для хищников.
Часто можно увидеть стаю чаек, напавшую на почву после того, как ее обработал плуг. Фактически почва становится бесплатной кормушкой для хищников. Ту же самую ситуацию мы можем наблюдать и в Миннесоте. Чайки налетели на вспаханную землю всего через 20 минут после обработки земли. У них, наверняка, есть какой-то радар, который позволяет им засечь такие изменения. Таким образом, вспашка, с одной стороны, непосредственно разрушает почву, а с другой, она привлекает хищников, которые только усугубляют процесс.
Почва — живая экосистема, и когда мы вспахиваем землю, мы оказываем на нее такое же влияние, как на нас оказывают землетрясения, пожары, ураганы, торнадо, падения астероидов, цунами — и все это разом. Мне кажется, мало кто из людей сильно обрадовался, сохранил бодрость духа и желание продуктивно трудиться, если бы такая катастрофа обрушивалась на нас регулярно. Поэтому нам нужно понять, что на самом деле происходит под землей и как наша деятельность влияет на почвенную экосистему.
Структура почвы
Негативное влияние на здоровье почвы оказывает и эрозия, поскольку структура напрямую влияет на функцию. Очень много говорят о важности почвенных агрегатов и их стабильности, однако я думаю, что мы должны называть их не «агрегатами», а «самородками», потому что у нас под землей находится настоящее сокровище, настоящий сундук с золотом. И очень важную роль здесь играют микроорганизмы, которые обеспечивают циркуляцию углерода, физические свойства почвы и функционирование водного цикла. Какую же роль играет структура почвы для ее здоровья? Она обеспечивает:
- место обитания почвенных организмов
- аэрацию почвы
- оптимальную водную инфильтрацию
- уменьшение поверхностной эрозии
- уменьшение водной эрозии
- стабилизацию биопор
- здоровье корней
- депонирование углерода
- сохранение и доступность воды
- эффективный водный цикл
- оптимальный обмен микроэлементов
- баланс экосистемных услуг.
Основы здоровья почвы
Сравнить влияние обычных методов ведения сельского хозяйства и ресурсосберегающих технологий можно на примере анализа водного цикла. Мы видим, что при использовании традиционных методов увеличивается испарение воды, в то время как транспирация снижается. Снижается и инфильтрация, при этом увеличивается водная эрозия. Вместе с тем использование технологий ПРЗ делает воду более доступной растениям, способствует ее сохранению и формирует биопоры. Мы должны учитывать именно эти маленькие детали, потому что именно они формируют большую картину.
Возвращаясь к углероду, мы должны осознавать, какую важную роль в его цикле играют растения. Именно растения в процессе фотосинтеза улавливают углерод и используют его как источник энергии и структурную основу, а также депонируют его в почве. Мы должны понимать, что абсолютно все растения, независимо от их размера, могут улавливать углерод из атмосферы. Это относится и к травянистым растениям, и к двухметровой кукурузе, и к гигантской секвойе. Понимание этих свойств поможет нам грамотно управлять углеродным циклом и способствовать сохранению здоровья почвы.
Не меньшую роль для здоровья почвы играет биоразнообразие, которое можно обеспечить, используя миксы покровных культур. Они работают по принципу «синергии», когда суммарный эффект превосходит эффект отдельно взятых элементов. То есть, складывая один и один, мы получаем три. Применение этого принципа синергии способствует оптимальному использованию почвенных ресурсов.
Ранняя посадка способствует более длительной секвестрации углерода. Отношение C:N позволяет контролировать скорость разложения органического вещества. Применение миксов покровных культур для стимулирования биоразнообразия напрямую связано с углеродным циклом, который обеспечивает здоровье почвы на всех уровнях. Не вдаваясь в детали, можно сделать следующий вывод: восстановление здоровья почвы основано на синергетическом принципе минимального возделывания земли (снижение потерь углерода) и максимального биоразнообразия (повышение секвестрации углерода). Именно это мы должны осознать, если хотим восстановить плодородие почвы и оптимизировать аграрную практику.
Корневые системы и углерод
Я бы хотел особое внимание уделить корневым системам. Находясь под землей, они зачастую ускользают не только от нашего взгляда, но и от нашего внимания. При этом роль их нельзя недооценить. Различные виды корневых систем отличаются по морфологии, глубине и, соответственно, по-разному влияют на свойства почвы, что необходимо учитывать в практике.
Сегодня мы все больше понимаем, какую важную роль играют корневые системы для углеродного цикла и здоровья почвенной экосистемы в целом. Корни выделяют особые экссудаты, которые стимулируют деятельность микроорганизмов и, соответственно, способствуют циркуляции углерода. Кроме того, появляются доказательства того, что корни способны депонировать до 2,5 раз больше углерода, чем наземные части растений.
Именно поэтому, выбирая миксы покровных культур, мы должны учитывать вид корневой системы и глубину роста корней. Это поможет более эффективно сохранять органическое вещество почвы. Хотя мы до конца не можем смоделировать, что происходит под землей, важность корневых систем для углеродного цикла становится все более очевидной, и мы не можем этого не учитывать.
Экосистемные услуги
Почва — живая экосистема, и мы должны понять, по каким законам она живет. Сегодня все чаще говорят об «экосистемных услугах», представляющих собой совокупность процессов в почве, которые «стоят на службе» у человека. Идею этих услуг зачастую представляют ввиде лестницы, где каждая новая «видимая» ступень есть ре-зультат процессов более низкой «невидимой» ступени. А фундамент всей этой лестницы — углерод.
В любой экосистеме активно взаимодействуют геологические, гидрологические, климатические, экологические и антропогенные процессы. Поэтому для того чтобы адекватно реагировать на изменения в экосистемах, нам нужно учитывать это взаимодействие и применять системный подход. Здесь я бы хотел процитировать слова известного почвововедаРаттана Лала, обладателя Всемирной продовольственной премии 2020 года: «Органическое вещество почвы и создает, и регулирует все экосистемные услуги, которые обеспечивают жизнь на нашей планете».
Научное сообщество выделяет четыре вида экосистемных услуг: обеспечение, поддержка и регуляция всех процессов нашей жизнедеятельности. И отдельно выделяетсякультурологическая функция, потому что если бы мы не ели три раза в день, вряд ли бы у нас хватало сил творить великие произведения искусства. Мы бы просто не существовали.
И во всех этих услугах очень важную роль играет углерод. В связи с этим именно сельское хозяйство оказывает огромное влияние на поддержание экосистемных услуг, что мы должны учитывать в своей практике.
Ведущую роль для функционирования этих услуг играют методы ресурсосберегающего земледелия, которое основано на трех принципах: минимальное воздействие на почву, постоянный покров и биодиверсификация. Углерод в данном случае также находится в центре нашего внимания как ключевой элемент всех этих звеньев.
Практики ПРЗ
Углерод является и регулятором, и топливом большинства биологических процессов почвы. Он входит в состав всех органических веществ, а также регулирует циркуляцию калия, фосфора, азота и других микроэлементов, необходимых почвенным микроорганизмам. Благодаря углероду микроэлементы также становятся доступны растениям в той форме, в которой они могут их оптимально усваивать. Таким образом, для сбалансированного функционирования всех экосистемных услуг нам необходимо грамотно регулировать углеродный цикл.
Важно понимать, какую роль в жизнедеятельности почвы играют растительные остатки. Массовая доля углерода в них составляет 45%, а в органическом веществе почвы — до 58%. Это разница в 13% приходится на другие микро и макроэлементы, которыедолжны возвращаться в почву, чтобы быть доступны другим растениям. Поэтому грамотное управление растительными остатками позволит нам более эффективно и гармонично использовать природные ресурсы почвы.
Теоретические принципы динамики углерода довольно просты: нужно увеличить поступление и снизить потери, которые большей частью происходят на фоне деятельности микроорганизмов. Для этого нужна комплексная система ресурсосберегающего земледелия.
Сегодня мы оказались в ситуации тотального дисбаланса, и виной этому во многом традиционная вспашка. Из-за интенсификации сельского хозяйства мы теряем почвенный углерод, который попадает в атмосферу. В результате у нас дефицит углерода в почве и переизбыток углерода в атмосфере в форме парниковых газов. Чтобы изменить ситуацию, нам нужно использовать практики ПРЗ, которые помогут восстановить баланс. Именно сельское хозяйство во многом стало причиной этого дисбаланса, но оно же может все изменить.
При соединении углерода и кислорода образуется углекислый газ, который и стал сегодня причиной изменения климата. Но он же может помочь и в борьбе с ним, ведь именно углекислый газ взаимодействует с водой в процессе фотосинтеза, в результате чего образуется глюкоза. При этом мы должны отличать угле-кислый газ, который образуется при сгорании топлива, и при сельскохозяйственной практике, поскольку к их управлению нужен принципиально разный подход. Традиционные методы ведения сельского хозяйства приводят к потере почвенного углерода и его выделению в атмосферу. При этом использование практик ПРЗ может стать инструментом борьбы с изменением климата, если мы будем грамотно использовать его основные принципы. Ответом на сложившуюся ситуацию может стать принятие практики углеродоцентрического сельского хозяйства, поскольку углерод — биотопливо всех процессов в живой природе.
В самом центре колеса
Три основных принципа практик ПРЗ можно символически представить в виде тройки лошадей. Первая — это постоянный покров почвы растительными остатками, что невозможно без отказа от вспашки и использования покровных культур и биоразнообразия, которые можно представить как двух других лошадей. Таким образом, чтобы практики почвозащитного ресурсосберегающего земледелия могли что-то реально изменить, необходимо, чтобы все три принципа применялись одновременно.
Углерод можно представить и как главное передаточное колесо между основными принципами ПРЗ. Именно благодаря ему мы имеем доступ ко всем перечисленнымэкосистемным услугам. И если мы примем новую парадигму ведения сельского хозяйства, мы сможем снизить негативное воздействие на окружающую среду и повысить продуктивность нашей сельскохозяйственной практики.
Углерод — центр крутящего колеса, а практики ПРЗ — его ось. Все экосистемные услуги — это оси колеса. Я попытался показать на слайде как можно больше этих спиц, но в качестве главных я бы выделил: пищу, волокна, топливо и корм. Мы также не должны забывать и о водном цикле, круговороте питательных веществ, о почвенных микроорганизмах и о целом ряде других функций. Я считаю, что применение практик ПРЗ позволит нам грамотно управлять углеродным циклом, а следовательно, повысить эффективностьэкосистемных услуг.
Наши главные союзники
Важно понимать, что использование практик ПРЗ также выгодно и с экономической точки зрения. Мы на 50% снижаем расходы на топливо, на оборудование, на рабочую силу, ремонт, удобрения и пестициды. Кроме того, на 30% более эффективным становится управление водными ресурсами. Это неофициальные данные от фермеров, но это может быть более достоверно, чем данные отвлеченных исследований.
С другой стороны, существует и экологическая выгода использования методов ПРЗ.
Снижается негативное воздействие:
- эрозии и стоков;
- загрязнения атмосферы;
- парниковых выбросов;
- деградации почв;
- изменения климата;
Происходит регенерация почв. В США постоянно вводят новые налоги на экологические программы, однако при использовании методов ПРЗ можно избавить налогоплательщиков от этого бремени и решить сразу две проблемы. С одной стороны, мы снижаем расходы, а с другой — восстанавливаем почвенный потенциал и ее плодородие.
Таким образом, мы должны понимать, что наши почвы — наши биологические союзники, в которых происходит непрерывный круговорот углерода и микроэлементов, необходимых для сбалансированного функционирования экосистемных услуг. Мы должны четко осознать, что главная причина деградации почвы — вспашка, а главное средство для восстановления ее плодородия — углерод.
Мы живем в целостном мире, который мы должны сохранять, оберегать и питать. И самым эффективным средством для этого могут стать почвозащитные технологии и углеродоцентричные принципы сельского хозяйства.
