21/02/2025
0Сельскохозяйственные почвы могут задерживать парниковые газы, но могут и выбрасывать их в атмосферу. Malshkoff/Shutterstock
Сельскохозяйственные почвы играют амбивалентную климатическую роль: они могут выступать в качестве поглотителей углерода или, напротив, быть источником парниковых газов. Чтобы понять, при каких условиях сельское хозяйство может стать союзником в климатическом переходе, необходимо рассмотреть структуру почвы и, в частности, размер составляющих ее агрегатов. Большое значение имеют методы ведения сельского хозяйства, такие как вспашка, прямой посев или покрытие бобовыми культурами между посевами.
Сельское хозяйство должно сыграть ключевую роль в «Зеленом пакте» Европейского союза, целью которого является достижение углеродной нейтральности к 2050 году. Этот вопрос тем более важен, что сельскохозяйственный салон пройдет с 22 февраля по 2 марта 2024 года.
Следует сказать, что сельскохозяйственные почвы имеют двойственный характер: они могут быть как источником парниковых газов, так и, напротив, поглотителями, которые задерживают их в почве, а не в атмосфере, не позволяя им вносить вклад в изменение климата.
Итак, лучшие союзники или подземная угроза? Чтобы понять это, нам нужно взглянуть на структуру почвы и, в частности, на агрегаты, которые отражают организацию почвенных частиц.
Микробные обитатели почвыТо, что лежит под нашими ногами, не является компактным блоком, твердым, однородным субстратом. Почва состоит из частиц разного размера, которые соединяются друг с другом, оставляя между собой промежутки, заполненные воздухом или водой. Эти частицы разного размера называются агрегатами. Это неоднородные наборы частиц, которые прочно прилипают друг к другу, как показано на рисунке ниже.
Как образуются агрегаты частиц в почве. Предоставлено автором
Эти агрегаты образуют среду, населенную микроорганизмами. Среди них есть микробы, которые в результате своей деятельности производят парниковые газы (ПГ), такие как метан (CH₄) и закись азота (N₂O).
Чтобы понять, откуда берутся молекулы, которые микробы превращают в парниковые газы, нужно вспомнить, что растения поглощают углекислый газ (CO2) из воздуха, чтобы произвести вещество (листья, стебли, древесину…). Часть этого вещества попадает в почву в виде отмерших листьев, стеблей или корней.
В зависимости от конкретного случая, эти остатки могут либо стабилизироваться в агрегатах, где они недоступны для микроорганизмов из-за физического барьера, образованного самими агрегатами вокруг органического вещества, либо служить пищей для микроорганизмов, а затем выбрасываться в атмосферу в качестве парникового газа.
Поэтому почвы могут выступать в качестве поглотителей углерода. Удерживая углерод в органических веществах почвы, они способствуют снижению концентрации CO2 в атмосфере.
Именно баланс между парниковыми газами, выделяемыми почвами, и газами, задерживаемыми почвами, позволит нам оценить благотворное или пагубное влияние почвы – и, соответственно, методов ведения сельского хозяйства – на изменение климата.
Исследование призванное объяснить откуда в почве берутся парниковые газы
Мы провели исследование, чтобы понять, где в почве образуются парниковые газы. В частности, мы изучили, как обработка почвы и растительный покров влияют на почвенные агрегаты.
Для этого исследование опиралось на предыдущие работы, в частности на полевой эксперимент, проводившийся в течение почти 30 лет на юге Бразилии. В ходе эксперимента сравнивались вспаханные и невспаханные участки, а также участки с бобовым покровом в период промежуточного выращивания и без него.
Размер почвенных агрегатов определяет их способность удерживать углерод или высвобождать парниковые газы. Shutterstock
Были взяты образцы этих почв, и почвенные агрегаты были разделены на три класса в зависимости от их размера:
-
- крупные макроагрегаты (от 2 до 9,5 мм),
- мелкие макроагрегаты (от 2 до 0,25 мм),
- микроагрегаты (менее 0,25 мм).
Затем мы оценили выбросы метана (CH4) и закиси азота (N2O) из каждого класса почвенных агрегатов за шестимесячный период в лаборатории, а также накопление органического углерода в почве (SOC), чтобы определить, компенсирует ли это выбросы или нет.
Наши результаты показывают, что наиболее интенсивная микробная активность происходила в крупных макроагрегатах, особенно в тех, которые наблюдались на необрабатываемых участках, связанных с бобовыми покровными культурами. Именно в этих макроагрегатах наблюдались самые высокие выбросы парниковых газов, особенно закиси азота – мощного парникового газа.
Краткое представление результатов
Производство парниковых газов в почве более интенсивно в макроагрегатах, чем в микроагрегатах. Предоставлено автором
Уровень этих выбросов коррелировал с концентрацией нитратов и растворенного органического углерода в макроагрегатах, что позволяет предположить, что процесс, ответственный за выбросы закиси азота, – это денитрификация. Этот процесс представляет собой преобразование нитрата в закись азота гетеротрофными почвенными бактериями, которым для осуществления этого преобразования необходим источник растворимого углерода.
Однако выбросы закиси азота из этих макроагрегатов полностью компенсируются, с одной стороны, накоплением органического углерода, а с другой – фиксацией метана, производимого бактериями. Таким образом, метан фиксируется в почве благодаря явлению окисления, известному как метанотрофия: бактерии потребляют CH4, а не производят его.
В результате на глобальном уровне макроагрегаты в этих образцах задерживают больше парниковых газов, чем выделяют.
Преимущества отказа от вспашки или использования безотвальной подготовки почвы)
На уровне отдельных участков наиболее интересный баланс выброса/поглощения парниковых газов показали образцы с участков, которые не подвергались вспашке (no-till). На каждый килограмм органического вещества, накопленного в почве при использовании технологии no-till, приходится 69,4 мг CO2eq по сравнению с 57,1 мг на вспаханных участках.
Разница между этими двумя методами заключается в макроагрегатах, которые без вспашки не распадаются на более мелкие агрегаты. Поэтому между крупными агрегатами больше пространства (пористости), что позволяет лучше насыщать кислородом промежутки и, следовательно, легче окислять метан (CH4) и меньше денитрифицировать. Присутствие кислорода в почве – главный враг бактерий, вырабатывающих метан и закись азота: это анаэробные бактерии, которым необходима бескислородная среда. В результате из таких почв выделяется меньше метана и закиси азота.
С другой стороны, когда преобладают микроагрегаты, углеродный баланс становится менее привлекательным: хотя выбросы закиси азота ниже, потребление метана ограничено, а накопление органического углерода меньше. В результате меньше парниковых газов задерживается или выводится, и баланс становится менее благоприятным.
Благоприятный эффект no-till еще больше усиливается благодаря наличию бобовых растений в промежуточном посеве, которые увеличивают количество органического вещества в почве и, следовательно, количество накопленного углерода.
Каждый килограмм органического вещества, накопленного под бобовым покровом, соответствует хранению 74,7 мг CO2-экв, по сравнению с 51,8 мг CO2-экв для почв без бобового покрова.
Эти результаты показывают, что увеличение количества органического вещества в почве с помощью систем no-till и бобового покрова помогает компенсировать выбросы парниковых газов из почвы. Это говорит о том, что почвенные макроагрегаты могут выступать в качестве поглотителя атмосферного углерода.
