Россия
Россия
УДК 631.82 Минеральные удобрения в целом. Искусственные удобрения в целом
УДК 631.86 Органические и биологические удобрения в целом
Цель исследования – анализ внесения минеральных и органических удобрений для пашни в условиях Республики Хакасия за период 1966–2022 гг. Объектом исследования является многолетняя динамика минеральных и органических удобрений. Расчеты выполнены согласно методике, изложенной в Приказе Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации «Об утверждении методик количественного определения объемов выбросов парниковых газов и поглощений парниковых газов» от 27.05.2022. Приводятся данные по внесению углерода в составе удобрений за период с 1966 по 2022 г. Площадь пашни сократилась с 732,0 тыс. га в 1966 г. до 559,6 тыс. га в 2022 г. Исторический минимум и максимум наблюдали соответственно для площади пашни в 2004 г. (407 тыс. га) и 1962–1988 гг. (732 тыс. га), для органических и минеральных удобрений в 2004 г. (644,1 т) и 1989 г. (37 830,6 т). В 2022 г. общее количество внесенных удобрений составило для органических удобрений 65,1 т, для минеральных – 3 620,6 т. Диапазон значений углерода в удобрениях составил 91,5–25 743,6 т. Наблюдалось снижение количества углерода, поступающего с удобрениями (с 9002,2 до 1133,1 т). В 2022 г. проведен анализ валовых значений поступления углерода с растительными остатками. В 2022 г. с растительными остатками внесено в пашню 1 501,8 т С • год–1. Из них большая часть внесена с пшеницей. Составлены методические рекомендации для улучшения аналитической отчетности по углероду в агроценозах, включая поддержку хозяйств, осуществляющих мероприятия по накоплению углерода в почве. Предложено создать модуль углеродного баланса агроэкосистем в базе данных по секвестрации углерода. Предлагаемые решения позволят осуществлять мониторинг углеродного баланса агроэкосистем в Республике Хакасия.
минеральные удобрения, органические удобрения, пашня, секвестрация углерода, углерод, чернозем, углеродный баланс агроэкосистем
Введение. Обязательный регулярный мониторинг питательных веществ в значительной степени способствует сохранению плодородия почв. Подробный баланс свободных и связанных элементов питания растений (минеральные и органические состояния) позволяет иметь представление о количественных уровнях элементов в почве в зависимости от поступления и расходования. Снижение количества биогенных элементов, в т. ч. и углерода, способствует снижению устойчивости агроландшафтов и, как следствие, уменьшению урожайности сельскохозяйственных культур и ухудшению его качества.
Республика Хакасия расположена в юго-западной части Восточной Сибири в левобережной части бассейна реки Енисей, на территориях Саяно-Алтайского нагорья и Хакасско-Минусинской котловины. Площадь территории – 61 569 км2.
Климат резко континентальный, с сухим жарким летом и холодной малоснежной зимой. Среднегодовое количество осадков около 300 мм/год в степной зоне, где расположены сельскохозяйственные угодья. В Хакасии преобладают юго-западные ветры. Сильные ветры характерны для весеннего периода, нередко они приводят к возникновению пыльных бурь. Территория республики относится к зоне рискованного земледелия.
В 2021 г. площадь земель сельскохозяйственного назначения составила 1871,9 тыс. га (30,4 % земельного фонда республики), включая 649,8 тыс. га пашни, 825,8 тыс. га пастбищ и 39,7 тыс. га залежей. Почвенный покров развит в соответствие с геоморфологическими и климатическими особенностями процессов почвообразования. В Хакасии площади пашни приходится: на черноземы – 80,11 % (из них 51,85 % обыкновенные черноземы, южных, выщелоченных и оподзоленных соответственно по 20,68; 7,34 и 0,24 %); на каштановые и темно-каштановые почвы – 13,05 %, а луговых черноземных – всего 2,56 % [1].
Согласно государственному докладу «О состоянии окружающей среды Республики Хакасия в 2021 году» среднегодовой суммарный баланс элементов питания в земледелии республики за время наблюдений (1966–2021 гг.) складывался отрицательно, причем величина дефицита его тесно связана с уровнем химизации и использования органических удобрений. Наименьшего значения (–15,9 кг/га) он достиг в годы максимальной интенсификации сельскохозяйственного производства в 1986–1990 гг. [1].
С другой стороны, органическое вещество почв является главным и экологически безопасным поглотителем углекислого газа из атмосферы. Баланс содержания углерода и азота является важнейшим критерием эффективности ведения земледелия с учетом переориентации сельского хозяйства на углеродонейтральность [2]. При модельных расчетах поглощения и выделения парниковых газов важно учитывать, сколько и какое время запасается углерод в фитомассе растений. Расчетные данные необходимы для вычисления углеродонейтральности региона [3].
Цель исследования – произвести обобщенный анализ многолетней динамики внесения минеральных и органических удобрений на пашне в Республике Хакасия за период 1966–2022 гг. с позиций накопления углерода в почве.
Задачи: охарактеризовать величину внесения минеральных и органических удобрений в пашню Хакасии в длительном временном лаге (1966–2022 гг.); проанализировать поступления углерода в почву с удобрениями и растительными остатками.
Объект и методы. Объектом исследования является многолетняя динамика минеральных и органических удобрений. В качестве исходных данных урожайности зерновых и других культур были собраны данные из отчетов Министерства сельского хозяйства Республики Хакасия (URL: http://mcxpx.ru).
Количество углерода определяли расчетным методом согласно Приказу Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации «Об утверждении методик количественного определения объемов выбросов парниковых газов и поглощений парниковых газов» от 27.05.2022 г. [3]:
,
где 
– поступление С с органическими и минеральными удобрениями, т С · год–1; 
– внесение органических удобрений в почвы в расчете на фактический вес по видам органических удобрений i, т органических удобрений по видам ∙ год–1; 
– содержание углерода в сыром веществе разных видов органических удобрений, подготовленных к внесению в почвы, т С/т органического удобрения; 
– внесение минеральных удобрений в почвы по видам минеральных удобрений j, т действующего вещества минеральных удобрений по видам ∙ год–1; 
– содержание углерода в разных видах минеральных удобрений, т С/т действующего вещества минеральных удобрений.
Был сделан ряд допущений, в целом различия между количеством питательных элементов в стандартных удобрениях не превышают 10–15 %, в качестве основного органического удобрения в Хакасии применяется подстилочный навоз, основной тип почв – чернозем.
Массу углерода, поступающего в почвы с пожнивными остатками (Саb) и корневыми остатками (Cun) растений, рассчитывали по формулам [3]
,
,
где 
– масса углерода, поступающего в почвы с пожнивными остатками и корневыми остатками (Cun) культурных растений определенного вида i, кг С · год–1; 
– поступление С с органическими и минеральными удобрениями, т С · год–1; 
– урожайность основной продукции данной культуры, ц сухого вещества ∙ га–1; 
– соответствующие коэффициенты для расчета массы пожнивных (или корневых) остатков данной сельскохозяйственной культуры при определенном уровне урожайности; 
– содержание углерода в биомассе данной культуры, кг С/кг сухой массы–1; 
– посевная площадь данного вида растений, га.
После расчетов значения переводились в тонны (т).
Статистическая обработка материалов включала расчет среднего арифметического и ошибки среднего арифметического.
Результаты и их обсуждение. По данным Министерства сельского хозяйства Республики Хакасия, в основном выращивают пшеницу, ячмень и овес, гречиху, овощи (картофель, морковь, свеклу), однолетние и многолетние травы (рис. 1).
Рис. 1. Структура пашни в Республике Хакасия в 2022 г., тыс. га
Данные по внесению минеральных и органических удобрений в Республике Хакасия с 1966 по 2022 г. представлены в таблице. Площадь пашни сократилась с 732,0 тыс. га в 1966 г. до 559,6 тыс. га в 2022 г. Исторический минимум и максимум зафиксированы соответственно для площади пашни в 2004 г. (407 тыс. га) и в период с 1962 по 1988 г. включительно (732 тыс. га). В среднем площадь пашни в наблюдаемый период составила 629,4 ± 13,7 тыс. га.
Для минеральных удобрений минимумы и максимумы зафиксированы соответственно в 2004 (644,1 т) и 1989 гг. (37 830,6 т). В 2022 г. количество внесенных минеральных удобрений составило 3620,6 т, что сопоставимо с максимумом в наблюдаемом периоде. С органическими удобрениями ситуация отличается: минимум наблюдали в 2014 г. (нет данных о внесении органических удобрений), максимум – также в 1989 г. (1905 т). В 2022 г. количество внесенных органических удобрений составило 65,1 т, что намного ниже вышеуказанного максимума.
Общая сумма внесенных за весь период наблюдений составила для азотных удобрений – 271 211,1 т, для фосфорных – 192 255,3 и для калийных – 57 143,0 т. Между различными годами отмечены значительные отличия.
Расчетные запасы углерода в удобрениях, внесенных в пашню, представлены на рисунке 2.
Рис. 2. Запасы углерода в удобрениях (Республика Хакасия, 1966–2022 гг.)
|
64 |
 |
Внесение минеральных и органических удобрений в Республике Хакасия (1966–2022 гг.)
|
Год |
Минеральные удобрения, т д. в. |
Органические удобрения |
Площадь пашни, тыс. га |
|||||||
|
Удобренная площадь |
Всего |
N |
P |
K |
кг/га пашни |
|||||
|
тыс. га |
кг/га |
тыс. т |
т/га пашни |
|||||||
|
1966–1970 |
98,0 |
32,0 |
3201,8 |
2177,4 |
914,0 |
110,4 |
4,4 |
799,8 |
1,1 |
732,0 |
|
1971–1975 |
226,0 |
45,2 |
8190,0 |
4606,6 |
2482,2 |
1101,2 |
11,2 |
1085,8 |
1,5 |
732,0 |
|
1976–1980 |
226,8 |
67,8 |
15429,8 |
7700,2 |
5778,6 |
1951,0 |
21,1 |
1025,4 |
1,4 |
732,0 |
|
1981–1985 |
335,4 |
64,2 |
21555,6 |
11246,6 |
7777,6 |
2531,4 |
29,5 |
1254,2 |
1,7 |
732,0 |
|
1986–1990 |
717,4 |
43,4 |
31460,4 |
15354,4 |
12914,0 |
3192,0 |
43,6 |
1760,4 |
2,4 |
722,4 |
|
1991–1995 |
313,2 |
41,2 |
13472,8 |
6182,0 |
5892,6 |
1398,2 |
19,9 |
759,4 |
1,1 |
649,4 |
|
1996–2000 |
63,8 |
41,8 |
2540,4 |
1643,2 |
861,8 |
35,4 |
4,2 |
87,2 |
0,3 |
598,4 |
|
2001–2005 |
23,3 |
39,7 |
905,4 |
478,8 |
351,5 |
75,1 |
1,8 |
6,7 |
0,0 |
482,2 |
|
2006–2010 |
40,1 |
38,3 |
1533,3 |
808,5 |
490,0 |
234,8 |
3,1 |
70,9 |
0,3 |
516,6 |
|
2011–2015 |
67,5 |
40,6 |
2805,3 |
2024,3 |
406,9 |
374,2 |
8,0 |
91,8 |
0,3 |
495,1 |
|
2016–2020 |
51,3 |
35 |
1785,8 |
1158,6 |
382,5 |
244,7 |
7,5 |
31,0 |
0,1 |
559,2 |
|
2021 |
58,8 |
44,0 |
2586,1 |
1769,4 |
455,3 |
361,4 |
4,6 |
61,4 |
0,11 |
559,6 |
|
2022 |
63,2 |
57,2 |
3620,6 |
2538,5 |
542,3 |
539,7 |
6,5 |
65,1 |
0,12 |
559,6 |
Как видно из рисунка 2, запасы углерода в органических удобрениях (92 %) преобладали над минеральными удобрениями (7 %). Всего за наблюдаемый период внесено 395 871,9 т, из них органических – 33 623,0 и 362 248,8 т.
В целом с 1966 по 1990 г. внесение углерода с удобрениями имело выраженный положительный тренд с 10 000 до 25 000 т, большинство удобрений являлись органическими (в основном подстилочный навоз). С 1990 г. наблюдалось снижение внесения углерода с удобрениями до 1999 г. Пониженные значения запасов углерода наблюдали до 2005 г., а после начался рост внесения удобрений и соответственно углерода, но он не достиг уровня 1993 г. или начала наблюдаемого периода 1966 г.
В период с 1966 по 1993 г. в перерасчете на площадь пашни преобладали органические удобрения (0,548 т/га), что в 5 раза больше, чем количество внесенных минеральных удобрений (0,107 т/га) за этот же период. С 1994 по 2022 г. проявлялась обратная закономерность. Количество внесенного углерода в пашни с минеральными удобрениями составило 0,102 т/га, тогда как органического удобрения было внесено в среднем 0,046 т/га. Если доля минерального удобрения в период с 1966 по 1993 г. составляла 17,1 %, то с 1994 по 2022 г. – 73,8 %. Причины этого очевидны – экономические (стоимость удобрений) и организационные (необходимость развития логистики для целей внесения органических удобрений) факторы.
Размах данных по углероду в минеральных удобрениях составил 40,5–2 750,2 т, для органических 0–22 993,4 т. В 2022 г. общее количество внесенных удобрений было равно 3 685,7 т, в них содержалось 1133,1 т углерода, из них 347,3 т в минеральных и 785,8 т в органических удобрениях.
Таким образом, отмечено снижение количества углерода, поступающего с удобрениями, в особенности с органическими. Оценки могут быть уточнены за счет учета точного состава удобрений, используемых в хозяйствах Хакасии, так как для расчетов использовались усредненные значения показателей.
Удобрения оказывают положительное влияние на рост растений и увеличивают количество растительных остатков после уборки урожая. При этом изменяется и углеродный баланс экосистем. В связи с этим был проведен анализ валовых значений поступления углерода с растительными остатками в 2022 г. (рис. 3–5).
Рис. 3. Поступление углерода с остатками зерновых и зернобобовых растений
(Республика Хакасия, 2022 г.)
Рис. 4. Поступление углерода с остатками овощных и масличных культур
(Республика Хакасия, 2022 г.)
Рис. 5. Поступление углерода с остатками силосных растений и трав
(Республика Хакасия, 2022 г.)
Из рисунков 3–5 видно, что наибольшее количество углерода в почву привносили пшеница, овес, лен-кудряш и подсолнечник, а также многолетние травы. В целом с пожнивными остатками по всем культурам в пашни республики внесено 533,0 т С · год–1 (35 %), с корнями – 968,8 т С · год–1 (65 %). Стоит отметить, что данные по однолетним и многолетним травам рассчитаны по минимальным значениям.
Оптимальным способом повышения углерода почвы с растительными остатками без увеличения посевных площадей является повышение урожайности культур (соблюдение агротехники, внесение достаточного количества удобрений, обеспечение растений водой). Повысить поток углерода в почву можно, используя рациональные севообороты (с включением зерновых (ячменя, пшеницы) и овощных культур, таких как картофель, свекла, капуста и морковь, и других культур).
В литературе описываются разные точки зрения на внесение углерода с удобрениями на разных типах почв. В ряде работ утверждается, что фиксируется увеличение скорости разложения органического вещества в результате использования больших доз органических удобрений, так как происходит существенное ускорение процессов, связанных с биологической активностью почвы [2, 4]. Другие исследования выявили, что использование минеральных удобрений (в большей степени азотосодержащих) приводит к снижению количества гумуса в различных типах почв [5, 6].
При этом отмечается внесение минеральных удобрений, что способствует увеличению надземной и подземной массы растений, это влияет на положительный баланс гумуса [7]. По мнению ряда исследователей, ежегодное внесение в пахотный слой от 40 до 60 кг/га азота может обеспечить бездефицитный баланс гумуса [2, 8].
В основном авторы ориентируются на длительные исследования. Например в Поволжье проведены многолетние (42 года) полевые опыты по уменьшению количества углерода из пахотного горизонта на почвах, где не применялись органические и минеральные удобрения. Анализируемый слой составил от 0 до 40 см, где потери находились на уровне 0,17 %, что примерно составило 8,45 т/га. Использование комплексных минеральных удобрений в дозах действующего вещества N34Р18К8 и N39Р16К8 способствовало уменьшению потерь углерода до 20–22 % в сравнении с контрольным вариантом, где вообще не применялись минеральные удобрения. Однако использование повышенных доз азота в комплексных удобрениях (N57Р15К8) фиксировалось до 60 % потерь углерода в сравнении с контрольным вариантом. Этот процесс повышения потерь углерода можно объяснить тем, что повышение микробиологической активности почвы и, как следствие, усиление процесса минерализации гумуса напрямую связаны с количеством доступного минерального азота. Снижение интенсивности потерь углерода на контроле и при невысоких дозах азота в шестую-седьмую ротации связано с улучшением гидротермических условий гумусообразования осеннего периода и заменой зернопаропропашного севооборота на зернопаровой [9].
Особенности агрогенной трансформации и состав органического вещества в различных типах почв юга Средней Сибири (в пределах Красноярского края, Хакасии и Тывы) достаточно хорошо изучены. Уровень минерализируемого (трансформируемого) пула органического вещества на черноземах вышеперечисленных территорий находится на уровне 19–28 т С/га, основными составными частями которого являются подвижный гумус с растительными остатками и значительная величина микробной биомассы. Использование культур в зернопаропропашном севообороте позволяет обогащать почву – 3,32 т С/га в год, а для зернотравяного – 3,89 т С/га в год, за счет высокого количества растительных остатков. За счет высокоразвитых корневых систем растений севооборота уровень годичных запасов растительных остатков может составлять от 40 до 70 %. Повышение величины минерализуемого пула органического вещества и ускорение процессов его разложения возможны в результате дополнительного поступления сидеральных культур и соломенной резки, которую получают в процессе уборки зерновых культур. Наблюдалось существенное понижение величины содержания подвижных соединений гумуса в почвах Хакасии (0,23 т С/га в год), это примерно 7 % его затрат на формирование чистой первичной продукции, при этом компенсация только на 34 % за счет новообразованного гумуса. Таким образом, снижение накопления углерода в почвах Хакасии имеет подтверждение в литературе [1, 7].
Также было выяснено, что смешанная органоминеральная система обеспечивает дополнительную секвестрацию СО2 до 5,3–6,6 т СО2 ∙ га–1 ∙ год–1 [2]. В Республике Хакасия не требуется известкование в связи со слабощелочной реакцией распространенных в степной зоне черноземов.
Существенная роль на данной территории отводится использованию зернотравянных севооборотов при научно обоснованной системе внесения удобрений. Важным аспектом является внесение навоза с азотными удобрениями в дозе 30 кг/га (без учета поступления биологического азота) и 60 кг/га азотных удобрений (с учетом биологического азота), позволяющее получать урожайность на уровне 50 ц /га, что в 1,5–2,0 раза выше по сравнению с передовыми сельхозпредприятиями. В Хакасии в 2022 г. средние дозы азотных удобрений значительно меньше этого количества (6,5 кг/га пашни). Следует отметить, что внесение удобрений влияет и на эмиссию N-N2O из почвы – органические удобрения снижают эмиссионный фактор (до 0,07), полные дозы навоза КРС и NPK повышают до 2,14 %. Для достоверного расчета секвестрации углерода нужно учитывать ее за полную ротацию севооборота, а также дополнительный приход С в случае запашки соломы в поле [2].
Заключение. В научной литературе вопросы влияния различных удобрений на плодородие почв обсуждается уже достаточно долго. Очевидно, что для повышения секвестрации углерода в почве необходимо увеличить внесение удобрений в почву, как органических, так и минеральных, в особенности азотных. Хорошим решением будет использование помета, который содержит 19,11 % сырого вещества против 12,07 % в подстилочном навозе. Рядом с сельскохозяйственными угодьями Хакасии расположены 3 птицефабрики – Шушенская и Усть-Абаканская, также есть источники навоза КРС и лошадей. Экологически безопасно будет расширение посадок многолетних сидератов. В Хакасии хорошо повышают плодородие почвы посевы эспарцета песчаного, часто применялся донник лекарственный. Исследования в Республике Хакасия Государственной агрохимической службой «Хакасская» и Научно-исследовательским институтом аграрных проблем Хакасии использование донника желтого в качестве основной сидеральной культуры способствует накоплению органического вещества на уровне от 18 до 34 т/га, в зависимости от почвенно-климатической зоны возделывания, что может составлять 160–400 кг NPK [1].
Требуется стратегическое решение вопросов обеспечения Хакасии удобрениями собственного производства. Основные предложения описаны в Госдокладе по состоянию окружающей среды Республики Хакасия. Высокие цены на специализированную технику, запасные части, горючесмазочные материалы и введение с 1 марта 2023 г. Федерального закона от 14.07.2022 № 248-ФЗ «О побочных продуктах животноводства и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» значительно усложнит использование сидеральных паров и введение залежных земель, а также применение органических удобрений в сельскохозяйственном производстве. Необходимо создание единой системы интенсификации биологизации земледелия для Хакасии. Система должна включать оптимизацию структуры посевных площадей, освоение севооборотов, расширение посевов бобовых однолетних и многолетних трав и зернобобовых культур, использование на удобрение всех видов навоза и помета, компостов, соломы, сидератов [1].
Многолетняя динамика количества удобрений и углерода в них коррелируют. Запасы углерода в органических удобрениях (92 %) преобладали над минеральными удобрениями (7 %). Всего за период с 1966 по 2022 г. внесено 395 871,9 т удобрений, из них органических – 33 623,0 и 362 248,8 т.
В 2022 г. с растительными остатками внесено в пашню 1501,8 т С · год–1, из них наибольшее количество углерода в почву привносили пшеница, овес, лен-кудряш и подсолнечник, а также многолетние травы.
Таким образом, внесение удобрений оказывает положительное влияние на продуктивность культур, сохранение плодородия почвы и на секвестрацию углерода в агроэкосистемах. Для уточнения оценок внесения углерода с удобрениями и в целом для перехода на систему учета углеродного баланса агроценозов в региональном масштабе рекомендуются следующие меры:
– разработать модуль для расчетов углеродного баланса агроэкосистем в базе данных по секвестрации углерода (совместная разработка ФГБОУ ВО «Хакасского государственного университета» и Института биофизики СО РАН);
– включить раздел об углеродном балансе агроэкосистем в аналитические отчеты Министерства сельского хозяйства Республики Хакасия;
– развивать систему стимулирования для хозяйств, ведущих деятельность по накоплению углерода в почве, через внесение удобрений и посев сидератов.
Предлагаемые решения позволят осуществлять мониторинг углеродного баланса экосистем, что необходимо для рационального использования эколого-ландшафтных ресурсов Хакасии.
1. Государственный доклад о состоянии окружающей среды Республики Хакасия в 2021 году / редкол. В.Ю. Лебедев [и др.]. Абакан, 2022. 187 с.
2. Углерод-секвестрирующая оценка различных систем удобрения и определение эмиссии N2O длительном полевом опыте / В.Г. Сычев [и др.] // Плодородие. 2022. № 6. С. 73–77.
3. Об утверждении методик количественного определения объемов выбросов парниковых газов и поглощений парниковых газов: приказ Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации от 27.05.2022. URL: https://minjust.consultant.ru/ documents/32279 (дата обращения 19.08.2023 г.).
4. Васбиева М.Т. Влияние длительного применения органических и минеральных удобрений на динамику содержания органического углерода и азотный режим дерново-подзолистой почвы // Почвоведение. 2019. № 11. С. 1365–1372.
5. Назарюк В.М., Калимуллина Ф.Р. Продуктивность растений и баланс углерода в агроэкосистемах при использовании минеральных удобрений и растительных остатков // Проблемы агрохимии и экологии. 2018. № 4. С. 9–14.
6. Взаимодействие циклов углерода и азота в основных типах почв при длительном применении различных систем удобрения / В.Г. Сычев [и др.] // Проблемы агрохимии и экологии. 2018. № 4. С. 68–77.
7. Чупрова В.В. Запасы, состав и трансформация органического вещества в пахотных почвах Средней Сибири // Бюллетень почвенного института им. В.В. Докучаева. 2017. С. 96–115.
8. Гамзиков Г.П., Кулагина М.Н. Влияние длительного систематического применения удобрений на органическое вещество почв // Почвоведение. 1990. № 4. С. 57–67.
9. Изменение содержания общего углерода и азота в черноземе южном при длительном применении удобрений в Поволжье / Л.Б. Сайфуллина [и др.] // Плодородие. 2016. № 4. С. 19–21.
