Научно-обоснованная система мониторинга потоков париковых газов при различных технологиях введения в оборот залежных земель

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-17-20049

НазваниеНаучно-обоснованная система мониторинга потоков париковых газов при различных технологиях введения в оборот залежных земель

Руководитель Бобренко Игорь Александрович, Доктор сельскохозяйственных наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина" , Омская обл

Конкурс №66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-711 - Геоэкология и природопользование

Ключевые слова Сельское хозяйство, залежные земли, дистанционное зондирование Земли, беспилотные летательные аппараты, мониторинг, плодородие, технология, углеродный баланс, эмиссия, секвестрация, биогеоценозы, природная зона

Код ГРНТИ87.35.91

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Актуальность.В настоящее время глобальное изменение климата, в основном, связывается с увеличением концентраций парниковых газов в атмосфере в результате антропогенной деятельности (IPCC, 2007). Заметный вклад в это увеличение вносит отрасль сельскохозяйственного землепользования. Обеспокоенность мировой общественности проблемой изменения климата выразилась в принятии ряда международных соглашений. Так в 1992г. 154 странами была подписана рамочная Конвенция ООН об изменении климата (РКИК), а 16 февраля 2005г. вступил в силу Киотский протокол (UNFCCC, 1992; Киотский протокол, 1998). Согласно РКИК, все страны, включенные в приложение I (члены Организации экономического сотрудничества и развития и страны с переходной экономикой), обязаны предоставлять ежегодную отчетность по антропогенным выбросам парниковых газов на их территории (UNFCCC, 1992). Перед Россией также стоит задача подготовки ежегодной отчетности и контроля антропогенных выбросов парниковых газов. Таким образом, очевидна необходимость обоснования, разработки методологии и создания системы мониторинга эмиссий и стоков парниковых газов. Одной из современных задач сельского хозяйства является увеличение площади посевов за счет введения в оборот потенциально плодородных залежных земель, но практически не изучен вопрос сохранения плодородия почв при различных технологиях их освоения. Учитывая высокую степень неопределенности оценок биогенных эмиссий парниковых газов система мониторинга должна быть разработана и для оценки различных залежных земель в зависимости от природной зоны, почвенного покрова и рельефа, а также технологий их введения в оборот. Это позволит уточнить общие оценки вклада залежных земель в депонирование и баланс углерода. Разработанная система мониторинга по оценке различных залежных земель и технологии введения их в оборот в различных природных зонах позволит принимать решения по управлению депонированием и балансом углерода. Научная новизна. В условиях изменений структуры землепользования России и других стран актуальной является задача изучения баланса парниковых. Фундаментальной научной задачей является разработка системы мониторинга эмиссии и стоков парниковых газов на залежных землях на основе категориально-системного подхода с использованием методов ДЗЗ. Научная новизна проекта заключается в том, что будет разработана система мониторинга эмиссии и стоков парниковых газов на залежных землях на основе категориально-системного подхода с использованием методов ДЗЗ. Система мониторинга при изменении структуры земель сельскохозяйственного назначения будет способствовать управлению депонированием и балансом углерода. Полученные в ходе выполнения диссертационной работы результаты способствуют развитию научных знаний о глобальном цикле углерода в биосфере и возможностям наземных экосистем по поглощению атмосферного СО2. Реализация проекта позволит получить новые данные по пространственно-временной динамики биогеохимического цикла углерода в зависимости от абиотических факторов окружающей среды при помощи моделей оборота органического углерода, разработать принципы управления отдельными его секторами: стоком, эмиссией и запасами в резервуарах при переходе на «углеродное» земледелие.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бобренко И.А, Гоман Н.В., Нежевляк О.В., Бобренко Е.Г., Коржова Л.В. Monitoring carbon dioxide fluxes during fallow land conversion in the Subtaiga zone Ural Environmental Science Forum “Sustainable Development of Industrial Region” (UESF-2023), Volume 389, 04004, (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202338904004

2. Игорь Бобренко, Наталья Гоман, Ольга Нежевляк, Елена Бобренко, Виктор Кормин Investigation of the intensity of carbon dioxide emissions by steppe soil when introducing fallow lands into circulation XVI International Scientific and Practical Conference “State and Prospects for the Development of Agribusiness - INTERAGROMASH 2023”, Volume 413, 01004, (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202341301004

3. Игорь Бобренко, Наталья Гоман , Ольга Нежевляк, Елена Бобренко, Ирина Троценко The influence of technology for introducing fallow lands into circulation in the forest-steppe on the beneficial soil influence of dioxide II Международного научного форума по устойчивому развитию и инновациям (WFSDI 2023) (год публикации - 2024)

4. Юлия Азаренко Saline fertility of fallow land massifs in the steppe zone of the Omsk Priirtyshye region nternational Scientific Conference “Fundamental and Applied Scientific Research in the Development of Agriculture in the Far East” (AFE-2023), 462, 02037, Creative Commons Attribution License 4.0 (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202346202037

5. Юлия Азаренко , Жанна Алексеева, Сергей Зиненко Assessment of fallow grey forest soils fertility in sub-taiga zone of Omsk Priirtyshye International Scientific Conference “Fundamental and Applied Scientific Research in the Development of Agriculture in the Far East” (AFE-2023), 462, 03042, Creative Commons Attribution License 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202346203042

6. Азаренко Ю.А. Оценка запасов депонированного углерода в залежных почвах Омского Прииртышья Международная научно-практическая конференция «Роль аграрной науки в обеспечении продовольственной безопасности», 2024. С. 7-14 (год публикации - 2024)

7. Бобренко И.А., Гоман Н.В., Дрофа О.В., Бобренко Е.Г., Троценко И.А. The effect of technologies for introducing deposits into circulation on the amount of CO2 emission from meadow-chernozem solonetzes E3S Web of Conferences (год публикации - 2024)

8. Бобренко И.А., Дрофа О.В., Гоман Н.В., Бобренко Е.Г., Коржова Л.В., Кадермас И.Г. Сезонная динамика эмиссии диоксида углерода при различных технологиях введения залежей в оборот в зависимости от природной зоны Западной Сибири Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии, № 7. 2024. - С.35-42 (год публикации - 2024)

9. Азаренко Ю.А., Зиненко С.Е. Агроэкологическое состояние постагрогенных и введенных в пашню серых лесных почв Омского Прииртышья ВЕСТНИК КУРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ АКАДЕМИИ, № 4. С. 25-32. (год публикации - 2024)

10. Бобренко И.А., Дрофа О.В., Гоман Н.В., Бобренко Е.Г., Коржова Л.В., Кадермас И.Г., Троценко И.А Сезонная динамика эмиссии диоксида углерода разновозрастными залежами в зависимости от природной зоны Западной Сибири Вестник Омского государственного аграрного университета, №4(56), 2024 (год публикации - 2024)

11. Бобренко И.А., Шаяхметов М.Р., Кадермас И.Г, Дрофа О.В, Азаренко Ю.А. Система мониторинга эмиссии и стока диоксида углерода на залежных землях (РИД) Результат интеллектуальной деятельности , 624120400140-6 (год публикации - 2024)

12. Кадермас И.Г., Бобренко И.А., Гоман Н.В., Дрофа О.В. Особенности влияния возраста залежных земель и технологии введения их в оборот на эмиссию углекислого газа в подтаежной зоне Омской области Экологические чтения - 2024. Сборник материалов ХV Национальной научно-практической конференции (с международным участием). Омск, С. 139-146 (год публикации - 2024)

13. Кадермас И.Г., Коржова Л.В., Азаренко Ю.А., Шаяхметов М.Р., Долгова А.Ю., Яроцкий П.А. Изменение климата как фактор эмиссии углекислого газа на территории Омской области "Экологические чтения – 2024" Материалы ХV Национальной научно-практической конференции (с международным участием), Омск, С. 153-160 (год публикации - 2024)

14. Бобренко И.А., Гоман Н.В., Дрофа О.В., Кадермас И.Г. Dynamics of СО2 emission when introducing fallow lands into circulation BIO Web of Conferences, AGRICULTURAL SCIENCE 2024, BIO Web of Conferences 141, 02020 (2024) (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1051/bioconf/202414102020

15. Бобренко И. А., Кадермас И.Г., Бобренко Е.Г., Гоман Н.В., Дрофа О.В. Carbon dioxide emission estimation in different zones of the south of Western Siberia BIO Web of Conferences, 130, 04027 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1051/bioconf/202413004027

16. Азаренко Ю. А. Современное состояние залежных почв солонцовых комплексов лесостепи Омского Прииртышья Известия Оренбургского государственного аграрного университета, № 5 (109). С. 16-23 (год публикации - 2024)
doi: 10.37670/2073-0853-2024-109-5-16-23

17. Азаренко Ю.А. Содержание и запасы углерода органического вещества в залежных и пахотных почвах Омского Прииртышья Вестник Омского государственного аграрного университета, № 4 (56), 2024 (год публикации - 2024)

18. Азаренко Ю.А., Аксенова Ю.В. Оценка плодородия постагрогенных солонцов степной зоны Омского Прииртышья Земледелие, Земледелие. 2024. № 6. С. 31-34. (год публикации - 2024)
DOI: 10.24412/0044-3913-2024-6-31-34

19. Бобренко И. А., Гоман Н. В. , Дрофа О. В., Бобренко Е. Г. , Кадермас И. Г., Троценко И. А. , Коржова Л. В. Мониторинг потоков диоксида углерода на разновозрастных залежах в различных природно-климатических зонах юга Западной Сибири Экобиотех , Т.7. № 2. С. 129-140. (год публикации - 2024)
http://doi.org/10.31163/2618-964X-2024-7-2-129-140

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
A system for monitoring greenhouse gases on fallow lands has been developed based on previously obtained data in three natural and climatic zones in the south of Western Siberia. The monitoring system includes 3 subsystems: ground monitoring, remote monitoring and integration of remote and ground observation data. The ground monitoring subsystem includes a ground monitoring unit for carbon pools and a ground monitoring unit for greenhouse gas fluxes. The remote monitoring subsystem includes an aviation monitoring unit for terrestrial ecosystems and a satellite monitoring unit for terrestrial ecosystems. The subsystem for integrating remote and ground-based observation data includes a data analysis and visualization unit, a modeling and forecasting unit. Выявлены основные причины трендов эмиссий и стоков диоксида углерода при различных типах залежных земель и технологиях введения их в сельскохозяйственный оборот. При сравнении интенсивности эмиссии СО2 залежными землями в зависимости от природно-климатической зоны можно отметить, что в теплое время в среднем за 2 года максимальный уровень - в подтаёжной зоне (в среднем за май-сентябрь 46,7 СО2/м-2 ∙ сутки-1), затем следует величина потоков в лесостепной зоне (22,1), минимальный наблюдался в степной зоне (20,8). При этом максимум величины потоков отмечался в подтаежной зоне в июле-августе, в лесостепной и степной – июне-июле. Отмечалось влияние возраста залежных земель на уровень почвенной эмиссии СО2. Для более молодых залежей характерна большая величина почвенной эмиссии СО2 по сравнению с более возрастными, так в подтаежной зоне средне сезонная эмиссия залежами 5-10 лет в 1,30-1,51 раза выше, чем залежами возраста 20-30 лет, в лесостепной зоне соответственно в 1,46-1,51, степной – 1,48-1,63 раза. Технологии введения залежных земель в оборот оказывают существенное влияние на эмиссию СО2. По сравнению с контролем она увеличилась в первый год введения залежей в оборот при агротехнической технологии (обработка почвы) в 1,44 раза в подтаежной зоне, в 1,31 раза в лесостепной, 1,62 раза в степной. При комбинированной (обработка почвы + обработка гербицидами) соответственно в 1,27; 1,08; 1,33 раза. Во второй год введении залежей в оборот (осуществлялся посев яровой пшеницы) по сравнению с залежью она увеличилась при агротехнической технологии (с предпосевной обработкой почвы) в 1,35 раза в подтаежной зоне, в 1,27 раза в лесостепной, 1,17 раза в степной. При комбинированной (прямой посев) соответственно в 1,18; 1,08; 1,09 раза. Агротехническая технология введения залежных земель в оборот способствовала большей эмиссии диоксида углерода (чем комбинированная), вероятно из-за большей интенсивности обработок почвы как в первый, так и во второй год освоения залежей (в 2022 и 2023 гг. соответственно) при введении залежи в оборот при данной технологии и повышенной аэрации, и микробиологической активности в связи с этим в пахотном слое. При агротехнической технологии экологический след больше как из-за повышенных затрат на проведение обработок, так и из-за повышенной эмиссии СО2. На основе полученных данных эмиссии из почвы на ключевых участках в подтаежной, лесостепной и степной зонах были разработаны нормативы почвенной эмиссии диоксида углерода, метана и закиси азота на залежных землях в зависимости от возраста и применяемой технологии, модели почвенной эмиссии парниковых газов в зависимости от возраста залежи и применяемой технологии ее ввода в оборот в зависимости от влажности и температуры почвы. Это дает с одной стороны возможность оценить данные мониторинга в конкретный год, с другой моделировать и прогнозировать величины эмиссии газов в зависимости от известных условий в регионе. Получены данные мониторинга климатически активных газов на основе данных дистанционного зондирования Земли со спутника Sentinel 5. В целом тренды спутниковых данных соответствуют данным наземного мониторинга. Проведен подбор и анализ вегетационных индексов для мониторинга состояния биомассы растений на ключевых участках, введенных в сельскохозяйственный оборот: NDVI (нарастание биомассы), NDWI (влагообеспеченность), MSI (стресс растений), GLI (хлорофильный индекс). Данные индексы показали наибольшие корреляционные зависимости с климатическими данными каждой изучаемой природно-климатической зоны, при изменении температуры и влагообеспеченности зависимость сохраняется. При использовании платформы Аgrosignal по всем ключевым участкам произведен сбор данных за период вегетации. Наиболее сильные корреляционные связи были установлены между индексами NDVI и NDWI, а также NDWI и MSI. Анализ состояния посевов на основе временных рядов указал на наиболее благоприятные условия для развития сельскохозяйственной культуры на ключевом участке лесостепной зоны. Исходя из полученных данных, разработана шкала оценки густоты растительности. Проведена количественная оценка пулов углерода в почвах и растительности залежей, определено поглощение СО2 разными типами почв залежей и при введении их в сельскохозяйственный оборот, установлены изменения поглощения СО2 агроценозами по сравнению с залежами. Оценена углеродпротекторная емкость почв и степень насыщенности их углеродом. На основе балансовых расчетов поглощения углерода растительностью, количества поступления его с растительными остатками, коэффициентов гумификации, проведена оценка секвестрации углерода почвами залежей и пашни. Проанализированы параметры плодородия, выявлены тренды изменения его показателей (содержания Сорг, элементов питания, реакции среды) при переводе их из залежей в оборот при разных технологиях. Разрабатывались модели сохранения органического углерода как показателя почвенного плодородия при вводе в сельскохозяйственный оборот залежных земель. Была проведена корректировка разработанных математических моделей эмиссии, секвестирования и депонирования углерода.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Анализ данных экологического мониторинга динамики потоков климатически активных газов на введенных в сельскохозяйственный оборот залежных землях позволит провести расчеты их эмиссии и стока, с применением различных технологий, и обосновать введение их в структуру землепользования. Разработанная система мониторинга по оценке различных залежных земель и технологии введения их в оборот в различных природных зонах позволит принимать решения по управлению балансом углерода парниковых газов.