Улавливание углерода в почве: что может сделать сельское хозяйство

Не думайте, что я размещаю для Вас подобные статьи только для “общего развития”. Они имеют прямой выход в лесокультурную практику и я уже не раз писал об этом. К сожалению, пока у власти люди в центре интересов которых не лес, а быстрые деньги и собственная карьера вряд ли что-либо измениться. М.П.

В почве в три раза больше углерода, чем в атмосфере. Реми Кардинаэль

Он там, под нашими ногами. В нашей повседневной жизни мы почти не обращаем на него внимания, однако это не что иное, как самый большой запас углерода в наземных экосистемах. На самом деле этот рейтинг относится не к лесам и не к атмосфере, а скорее к почвам. Около 2400 миллиардов тонн углерода находится в первых двух метрах под землей, что в три раза больше, чем в атмосфере.

Во времена изменения климата и абсолютной необходимости сокращения выбросов парниковых газов такая впечатляющая способность почв хранить углерод заставляет нас задуматься. Хотя почвы сами по себе, конечно, не смогут радикально снизить концентрацию парниковых газов в атмосфере, ответственных за глобальное потепление, тем не менее они могут сыграть существенную роль, сохраняя значительные запасы подземного углерода, в том числе за счет восстановления деградированных земель, в частности благодаря определенным сельскохозяйственным практикам, которые позволяют улавливать больше углерода под землей.

Как углерод попадает в почву

Все начинается с фотосинтеза: во время него растения фиксируют атмосферный углекислый газ (CO2) в хлоропластах — небольших клеточных органеллах, богатых хлорофиллом. CO2 связывается с молекулами воды (H20) благодаря солнечной энергии и таким образом производит углеводы (молекулы, богатые углеродом) и кислород (O2). Часть этого углерода, захваченного растением, поступает непосредственно в почву через корни растений, как через корневую экссудацию (выделение, просачивание чего-либо изнутри на поверхность М.П.), так и через обновление тонких корней.

Углерод также может попадать в почву при падении мертвых листьев с растений или при оставлении на поле пожнивных остатков. После падения эти богатые углеродом мертвые листья покрывают землю, разлагаются, поглощаются бактериями, грибами или дождевыми червями и в конечном итоге превращаются в органические вещества в почве. Ускорить этот процесс переноса углерода в почву могут животные, например грибные термиты, которые переносят растительные остатки в свои термитники, где симбиоз с грибами позволяет сделать их более усвояемыми для самих термитов.

Некоторые регионы и экосистемы имеют очень значительные запасы углерода в почве. Так обстоит дело, например, с бореальными регионами, где огромные запасы сохранились в вечной мерзлоте, но сейчас им угрожает глобальное потепление. В тропических регионах наблюдаемые большие запасы также объясняются значительной продуктивностью экосистем, особенно лесов, а также очень глубокими почвами.

Основной проблемой для всех этих богатых углеродом экосистем, таких как леса, водно-болотные угодья, мангровые заросли или даже постоянные луга, является сохранение этих запасов, а не их увеличение, поскольку этот углерод считается невосстановимым в человеческом масштабе. Это требует прекращения вырубки лесов и превращения экосистем в обрабатываемые земли. В среднем 25% почвенного углерода теряется, когда леса или водно-болотные угодья превращаются в пахотные земли, а иногда и больше. На сельскохозяйственных землях определенные методы позволяют улавливать больше углерода в почве. Обобщение их использования является одной из целей инициативы под названием «4 на 1000», представленной на COP21.

Какие методы ведения сельского хозяйства увеличивают запасы углерода в почве?

Многие методы позволяют увеличить запасы углерода в сельскохозяйственных почвах, например, агролесоводство, промежуточные покровные культуры или даже органические удобрения. Среди часто предлагаемых решений три появляются регулярно. Первый – это нулевая или сокращенная обработка почвы. Этот метод заключается в посеве сельскохозяйственных культур без предварительной обработки и вспашки всего поля. Эта практика позволяет уменьшить эрозию почвы, замедлить разложение органического вещества за счет снижения насыщения почвы кислородом и сохранить ее биоразнообразие (особенно дождевых червей).

Вторая пропагандируемая практика – это постоянное покрытие почвы либо мульчей из пожнивных остатков, оставленных на поле, либо живым растительным покровом между различными культурами. Этот почвенный покров защищает их от эрозии, особенно водной, позволяет фиксировать углерод, принося пользу почвенной фауне (бактериям, грибам, дождевым червям и т. д.).

Отбор проб почвы в Зимбабве с сельскохозяйственного участка с остатками кукурузы (мульчей), нанесенными на поверхность после сбора урожая. Фото Реми Кардинаэль

Третий метод, который продвигается, — это диверсификация сельскохозяйственных культур либо в севообороте, либо в ассоциации. Такая диверсификация позволяет ограничить развитие вредителей и болезней растений, а также повысить продуктивность возделываемых участков, в частности, благодаря предшествующему воздействию посевов. Например, бобовые культуры (горох, фасоль, арахис, фасоль, люцерна и т. д.) в севообороте фиксируют азот из воздуха и делают его доступным в почве для следующего урожая, тем самым способствуя его росту. Более высокая продуктивность сельскохозяйственных культур позволяет удерживать больше углерода на участке и, следовательно, больше углерода в почве, особенно через корни сельскохозяйственных культур.

Севооборот в Камбодже: маниока слева, кукуруза справа. Посевы чередуются на каждом участке из года в год. Фото Вира Ленг.

Эти три практики соответствуют трем столпам того, что мы называем «ресурсосберегающим сельским хозяйством». Эти методы становятся действительно эффективными в увеличении содержания углерода в почве в сочетании. Практикуемые в одиночку, они иногда оказывают незначительное влияние или вообще не оказывают никакого эффекта. В частности, это касается только нулевой обработки почвы, которая может оказать положительное влияние на содержание углерода в почве в определенных контекстах, но не в других. Научному сообществу потребовалось время, чтобы осознать это, поскольку первоначально работа была сосредоточена в основном на первых сантиметрах почвы, которые под воздействием нулевой обработки почвы фактически имели более высокое содержание углерода.

Но иногда это сопровождалось снижением содержания углерода в почве в более глубоких слоях по сравнению с пахотными системами, где углерод почвы гомогенизируется на глубине 20 или 30 см. Таким образом, в некоторых случаях нулевая обработка почвы влияет главным образом на перераспределение углерода в профиле почвы, не обязательно приводя к чистому увеличению запасов в целом, что необходимо, когда мы заинтересованы в смягчении последствий изменения климата. Недавний анализ работы, проведенной в странах Африки к югу от Сахары, показывает, что только сочетание трех основных направлений ресурсосберегающего сельского хозяйства может значительно увеличить запасы углерода в почве, при этом сокращение обработки почвы само по себе неэффективно.

Какие результаты в Зимбабве и Камбодже?

Чтобы полностью понять преимущества этих трех практик в сочетании, крайне важно проводить долгосрочные эксперименты. В среднем требуется от 5 до 10 лет, чтобы можно было обнаружить существенные изменения в запасах углерода в почве.

В Камбодже CIRAD и Министерство сельского хозяйства Камбоджи четырнадцать лет назад начали эксперименты по системам, основанным на маниоке, культуре, занимающей почти 700 000 гектаров страны и предназначенной в основном для экспорта, для производства муки на корм животным.

За счет комбинирования беспахотной обработки и прямого посева, постоянного мульчирования почвы растительными остатками и севооборота с кукурузой, удалось добиться значительного увеличения содержания углерода в почвах: скорость его накопленияа составила около 0,7–0,8 тонн углерода на гектар в год на глубине до 40 см. Жаркий и влажный климат региона обеспечивает постоянный почвенный покров с очень продуктивным растительным покровом, включая бобовые (кроталария, вигна) и травы (просо) между выращиванием маниоки и кукурузы.

При этом углерод круглый год фиксируется посредством фотосинтеза, и развивается очень глубокая корневая система, позволяющая увеличить запасы углерода за пределами первых слоев почвы. Это накопление дополнительного углерода в почве будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто новое равновесие в системе. Предполагается, что этот тест будет продолжаться долгое время, чтобы оценить, сколько десятилетий такая система может хранить углерод. Как только баланс будет достигнут, проблемой станет сохранение этих запасов углерода путем поддержания надлежащих методов управления почвенными ресурсами. Правильное управление почвой требует управления на протяжении времени, а не рывками.

Прямой посев кукурузы под растительный покров в Камбодже. Промежуточный покров разрушается механически, и кукуруза высевается непосредственно, без вспашки и обработки почвы, таким образом почва оказывается постоянно укрытой и защищенной от эрозии. Фото Вира Ленг

В Зимбабве, с семимесячным засушливым сезоном и пятимесячным сезоном дождей, мы также хотели измерить эффективность этих комбинированных практик в долгосрочной перспективе. Для этого мы использовали результаты опытов, десять лет назад организованных нашими коллегами из Международного центра улучшения кукурузы и пшеницы в системе с низкими затратами, где кукуруза является основной культурой. Нам удалось измерить запасы углерода в почве при различных практиках, отдельно или в сочетании: поля с обработкой, поля без обработки, с остатками кукурузы или без нее (мульча), а также с севооборотом с вигной, бобовыми культурами или без него.

Результаты еще раз показывают, что обработка почвы сама по себе не может дать многого, она даже вызывает небольшую потерю углерода в почве по сравнению с обработкой почвы. На данном участке это объясняется большим уплотнением почвы при ее необработке, поэтому корни с трудом развиваются. Кроме того, дождь хуже проникает в почву и стекает с земли, что вызывает водный стресс у кукурузы. В конечном итоге кукуруза в этих системах развивается гораздо хуже, поэтому через корни в почву поступает меньше углерода, что приводит к потере углерода в почве.

С другой стороны, поля без обработки почвы с мульчированием пожнивными остатками кукурузы предыдущего сезона и севооборотом позволяют увеличить запасы углерода, однако эффект ограничивается поверхностным горизонтом. При явном росте запасов углерода, его потерь в глубоких горизонтах почвы вообще не наблюдается.

Извлечение керна из почвы в Зимбабве в ходе долгосрочного испытания почвосберегающего сельского хозяйства для количественного определения запасов органического углерода. Фото Реми Кардинаэль.

Каковы препятствия на пути развития этих практик?

Хотя эти результаты являются многообещающими, перечисленные  методы не всегда легко реализовать. В Зимбабве, например, появляется серьезное препятствие. Сельскохозяйственные системы представляют собой смешанные системы растениеводства и животноводства с низкими затратами (незначительное внесение минеральных удобрений, небольшая механизация или ее отсутствие). Во время сбора урожая вручную собирают только початки кукурузы, а стебли кукурузы оставляют стоять в поле. Они будут служить пищей для скота в засушливый сезон, когда коровы приходят пастись прямо на поля после того, как во время сезона дождей забрели в леса и общественные места.

Поэтому существует конкуренция за использование остатков кукурузы для кормления скота или покрытия почвы. Некоторые фермеры устанавливают заборы, чтобы скот не приходил и не поедал остатки в засушливый сезон, за что приходится платить. Другие собирают их и хранят высоко, в защищенном от животных месте, а по мере приближения сезона дождей добавляют мульчу. Это требует дополнительной организации, времени и энергии. В обоих случаях для скота также необходимо найти альтернативный источник корма.

Таким образом, на этих землях, как и на других, интерес к этим методам у  фермеров заключается не в связывании углерода в почве и его влиянии на смягчение последствий изменения климата. Эти методы особенно популярны из-за их положительного воздействия на плодородие почвы и, как следствие, урожайность сельскохозяйственных культур за счет снижения риска эрозии, улучшения доступности питательных веществ, а также за счет того, что они позволяют адаптироваться к изменению климата, например, за счет лучшего сохранения воды. Эти выгоды имеют решающее значение и часто являются приоритетом для фермеров стран Глобального Юга, которые входят в число наиболее пострадавших от изменения климата.