Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Составлены базы данных по технологиям производства продукции растениеводства и животноводства, характеристикам почвенного и растительного покрова в трех хозяйствах: Чувашском конном заводе (Республика Чувашия), КФХ Гусева Е.А. (Рязанская область) и СПК «Амосовский» (Курская область). Измерена эмиссия СО2 и СН4 из почв и сельскохозяйственных объектов в этих трех хозяйствах параллельно с гидротермическими параметра среды, а также продолжен длительный мониторинг дыхания почвы на Курской биосферной станции Института географии РАН, являющейся тестовым полигоном. С целью использования в качестве входной информации для имитационных моделей оценено содержание Сорг и Nобщ в фитомассе и почве, а также фракции РОМ (дискретного органического вещества). Среди четырех углеродных калькуляторов, использованных для оценки эмиссии парниковых газов (ПГ) от животноводства на уровне хозяйства, наиболее удобным и эффективным был признан Cool Farm Tool. Тогда как в AgRE-Calc и Farm Carbon Calculator недостаточно полно представлены технологические особенности выращивания животных. Ex-Act мало пригоден для сектора животноводства, поскольку базируется на изменении землепользования. Farm Carbon Calculator, AgRE-Calc и Ex-Act существенно завышают интенсивность поглощения ПГ лесами. Для проведения машинных экспериментов с целью оценки снижения эмиссии ПГ были рассмотрены такие сценарии как перевод на пастбищное содержание, изменение рациона или постепенное сокращение поголовья домашних животных. По оценкам калькуляторов, полный выпас является одним из наиболее эффективных способов снижения эмиссии ПГ – при этом навоз остается на полях, и нет трат на производство дополнительных кормов. По расчетам Cool Farm Tool, в этом случае эмиссия снижается на 2,45 т СО2-экв./гол. год для коров и на 0,84 т СО2-экв./гол. год для лошадей. Farm Carbon Calculator оценивает уменьшение в 0,53 т СО2-экв./гол. год для коров и 0,42 т СО2-экв./гол. год для лошадей. С другой стороны, такое решение ведет к экстенсивному хозяйствованию и опасности перевыпаса. Вторым вариантом снижения эмиссии ПГ является сокращение рациона, что параллельно позволит уменьшить затраты на производство кормов. По расчетам Cool Farm Tool исключение из рациона зеленых кормов при стойловом содержании позволит снизить эмиссию на 0,14 т СО2-экв./гол. год, а исключение силоса приведет к ее снижению на 0,96 т СО2-экв./гол. год. AgRE-Calc оценивает снижение потока ПГ на 0,05 т СО2-экв./гол. год от исключения любого типа кормов. Тем не менее, подобные шаги приведут к ухудшению сбалансированности рациона. Таким образом, для уменьшения эмиссии ПГ от животноводства придется неизбежно снижать численность домашних животных. Вследствие несовпадения оценок между калькуляторами их необходимо применять комплексно. Построены предварительные регрессионные уравнения для определения массы послеуборочных корневых и пожнивных остатков озимой пшеницы. Оценено соотношение фракций растений: зерна, мякины, стеблей, листьев, стерни и корней для озимой и яровой пшеницы, ячменя, овса и сои. Отмечена закономерность, согласно которой географическое положение и тип почвы оказывают преимущественное влияние по сравнению с антропогенным фактором на объем надземной фитомассы травянистых экосистем и содержание в ней и в почве Сорг и Nобщ. Несмотря на окультуривание и постоянное внесение удобрений на пашни, сенокосы и пастбища, в более северных регионах на серых лесных почвах (в Чувашии и Рязанской области) накапливается меньше этих элементов и развивается меньшая растительная биомасса, чем южнее на типичных черноземах (в Курской области). Эмиссия СО2 из почвы природных и антропогенных экосистем и объектов сельского хозяйства возрастает в ряду: сильнодеградированные пастбища < залежи разных возрастов < слабодеградированные пастбища < места содержания животных (левады и выгоны) < компостные кучи. Эмиссия СО2 от объектов животноводства достигает 0,207-0,308 г С м-2 ч-1, а от компостных куч − 1,172-7,351 г С м-2 ч-1. Поток углерода в атмосферу от трех типов экосистем – пашен (полей сельскохозяйственных культур), сенокосов и лесов (хвойных и широколиственных) – отличается высокой вариабельностью и широкой дисперсией и зависит от их ботанического состава (типа возделываемых растений, состава древесных пород) и типа почвы под фитоценозами. Установлена преимущественная корреляционная зависимость эмиссии СО2 из почвы от содержания в ней органического углерода, тогда как температурные условия не оказывали значимого влияния на поток этого ПГ в атмосферу. Основным источником метана на анализируемых сельскохозяйственных предприятиях признаны компостные кучи, поток от которых составляет 0,00004-0,02979 г С-СН4 м-2 сут-1. Проведена успешная верификация двух имитационных моделей углеродного цикла − RothC и DNDC на основе данных мониторинговых измерений эмиссии СО2 из почв агроценозов на Курской биосферной станции по трем статистическим критериям. Рассчитано дыхание почвы под озимой пшеницей, подсолнечником, ячменем, соей, кукурузой и картофелем за 2017-2020 гг., которое в среднем составляет 5929 ± 392 кг С га-1 год-1 по оценке DNDC и 5444 ± 111 кг С га-1 год-1 − RothC. Разработана и зарегистрирована программа для ЭВМ «Конвертер данных метеовышки Davis Instruments Vantage Pro 2» − Web-приложение на языке Python для автоматизированного расчета среднесуточных значений по 48 срочным с последующим преобразованием полученных результатов в файл Excel. Калькулятор находится в открытом доступе и выложен на хостинге (https://www.igras-tools.ru/).

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Во второй год проекта продолжены работы в трех хозяйствах Курской, Рязанской областей и Чувашии, а также на Курской биосферной станции, включены данные длительного опыта Фаленской селекционной станции. Интенсивность эмиссии СО2 из почвы зависит от типа экосистем и особенностей землепользования. По данным измерений за два полевых сезона в трех регионах биотопы ранжированы по возрастанию в них дыхания почвы: пашни < пастбища ≤ сенокосы ≤ залежи = леса < левады < компостные кучи. Для пашен и лесов прослеживается широтная закономерность, согласно которой эмиссия СО2 из почвы усиливается с севера на юг. Интересен вывод о том, что потоки углерода на залежах и в лесах статистически равны. Дыхание почвы сенокосов и пастбищ отличается широкой дисперсией и зависит от интенсивности их использования, ботанического состава и типа почвы, тогда как географическое положение не играет значимой роли. Объекты животноводства – мощнейшие источники СО2 для атмосферы: его эмиссия из левад и выгонов составляет 0,418-1,572 г С-СО2 м-2 ч-1, а из компостных куч достигает 1,952-9,270 г С-СО2 м-2 ч-1. Сезонный ход дыхания почвы соответствует ходу температуры. Травянистые сообщества отличаются наибольшей его годовой амплитудой. По результатам корреляционно-регрессионного анализа, интенсивность дыхания преимущественно зависит от температуры почвы на глубине 10 см, содержания в ней органического углерода (Сорг) и общего азота. В трех регионах климатические и агрохимические факторы объясняют 45,9-89,2% дисперсии эмиссии СО2 в различных типах экосистем. Основными источниками закиси азота и метана для атмосферы являются объекты животноводства – места содержания животных (0,0112-0,1528 мг N-N2O м-2 ч-1 и 0,1285-50,8177 мг С-СН4 м-2 ч-1) и компостные кучи (0,1865-1,4870 мг N-N2O м-2 ч-1 и 1,0993-783,5087 мг С-СН4 м-2 ч-1). Сенокосы, залежи и леса выступают слабыми поглотителями обоих газов (0,0001-0,0091 мг N-N2O м-2 ч-1 и 0,0002-0,1182 мг С-СН4 м-2 ч-1). Пастбища поглощают N2O, но могут быть источниками СН4 при интенсивном выпасе. Пашни являются поглотителями СН4, но при внесении удобрений становятся источниками N2O. Активная эмиссия этого газа идет в агроценозах сои (0,0068-0,6017 мг N-N2O м-2 ч-1). Содержание в почве Сорг и азота тесно коррелирует между собой, а также подчиняется широтной закономерности – в южных регионах оно выше, чем в северных независимо от типа землепользования. Отмечается повышенное содержание этих элементов в почвах сенокосов и пастбищ. Для дисперсного органического вещества не обнаружено зависимостей от географических или агрохимических факторов и особенностей землепользования. Включена третья имитационная модель − T&P в модификации Райха-Хашимото, оценивающая климатообусловленное дыхание почвы. Она была настроена на несколько типов местных экосистем: аграрных (соя, подсолнечник, ячмень) и природных (луговая степь, молодая залежь, ясеневый лес) на типичных черноземах Курской области. Были увеличены не только коэффициенты дыхания почвы при 0℃ (в 1,10–1,54 раза), но и его температурная чувствительность (коэффициенты температурной функции повышены в 1,08–1,41 раза), а также отклик на выпадение осадков (коэффициенты зависимости от осадков в знаменателе изменены в 0,87–0,99 раза). Согласно прогнозу, при сохранении современного темпа потепления климата эмиссия СО2 из типичных черноземов в лесостепной зоне увеличится на 0,3–3,8%. С учетом новых данных мониторинговых измерений дыхания почвы на Курской биосферной станции проведена успешная верификация и дополнительная настройка используемых углеродных моделей DNDC и RothC для озимой пшеницы, ячменя, кукурузы, сои, подсолнечника, картофеля. В дальнейшем три модели (DNDC, RothC, Т&Р) были использованы для воспроизведения дыхания почвы, динамики Сорг, фотосинтеза и чистого экосистемного обмена в агроэкосистемах Курской области за 1990-2021 гг. Оценены их корреляции с агроклиматическими параметрами. По результатам расчетов возможны не только потери Сорг из почвы (RothC, 294-414 и DNDC, 190-423 кг С га-1 год-1), но и его накопление при возделывании озимой пшеницы (270 кг С га-1 год-1, DNDC). В масштабе области это эквивалентно потерям на уровне 156 - 303 т С год-1 и накоплению 113,15 т С год-1. Диапазоны воспроизводимой эмиссии СО2 из почвы достаточно широки (т С га-1 год-1): 8,0-10,5 по Т&Р, 4,9-5,5 по RothC и 3,4-8,4 по DNDC. Интенсивность фотосинтеза шести рассматриваемых культур составляет 6,5-10,9 т С га-1 год-1 (DNDC). По результатам оценки чистого экосистемного обмена DNDC, агроценозы в период произрастания культур выступают поглотителями СО2 в размере 0,5-1,1 т С га-1 год-1, а все агроэкосистемы области могут поглотить из атмосферы 1062,6 т С год-1. С помощью модельных экспериментов оценено влияние постоянных и спорадических факторов на дыхание почвы под шестью упомянутыми культурами. При изменении запасов Сорг на каждые 10%, оно сдвигается на 16-35% (DNDC) или 8,1–9,2% (RothC). При изменении температуры на ту же величину эмиссия меняется на 9,7–11,2% (RothC). Модель Т&Р оценивает отклик эмиссии СО2 из почвы в 6,8–8,2% и 4,3–4,5% на 10%-е изменение температуры и осадков, соответственно. Современное увеличение концентрации СО2 в атмосфере на 3 ppm в год способствует усилению дыхания почвы на 0,2-1,0% (DNDC). Оценки изменений потока углерода из почвы в результате ежегодной смены культур в рамках севооборота разнятся: от 0,2-22,0% (RothC) до 3,0-3,8 раз (DNDC) по сравнению с чистым паром. Выпадение ливневых осадков усиливает эмиссию СО2 из почвы в 2,5-5,0 раз по сравнению с предыдущим днем. Уборка культур может приводить как к снижению дыхания почвы на 11-50% у зерновых, так и к ее повышению на 23-96% у широкорядных культур. Но вклад двух последних факторов в годовой поток углерода из почвы не превышает 0,1-2,0% (DNDC). По результатам отбора в действующих хозяйствах проб основных сельскохозяйственных культур – озимой и яровой пшеницы, ячменя, овса и сои – рассчитано соотношение корней, стерни, стеблей, листьев, мякины и зерна. На долю зерна приходится 22-43%, а вместе с мякиной продуктивная часть занимает 1/2-1/3 массы растений. На побочную продукцию – стебли и листья − приходится 30-45% у зерновых культур и более 50% у сои. Стерня составляет 1/6-1/10 массы растения и восполняет пул углерода в почве в размере (кг С/га): 419 у яровой, 405 у озимой пшеницы, 281 у овса, 232 у сои, 135 у ячменя. Доля корней, находящихся в верхнем горизонте, не превышает 10% от массы растения. Они привносят в пахотный слой почвы (кг С/га): 569 у озимой, 508 у яровой пшеницы, 503 у ячменя, 488 у овса и 204 у сои. Для озимой пшеницы построены уравнения для определения массы стерни и корней по урожайности основной продукции. Развитие фитомассы сенокосов и пастбищ обратно пропорционально интенсивности их использования. При этом на пастбищах отмечается повышенное по сравнению с сенокосами содержание азота в надземных частях растений. На примере длительного полевого опыта Фаленской селекционной станции показано, что в условиях решающего влияния климатических факторов в зоне рискованного земледелия, погодные условия фазы кущения-колошения обуславливают 49-74% дисперсии урожайности яровой пшеницы, причем отмечены ее положительные корреляции с осадками и отрицательные с температурой воздуха. Антропогенный фактор в виде известкования и внесения удобрений не только повышает продуктивность культуры на 30-50%, но и снижает ее климатообусловленную дисперсию на 7-10%. Также внесение удобрений в большей степени определяет содержание протеина в зерне, тогда как повышение температуры и увеличение количества осадков отрицательно влияют на его накопление. Создан интернет-сайт, куда выложен разработанный конвертер данных для расчета среднесуточных значений метеовышки Davis Instruments Vantage Pro 2 (http://www.igras-tools.ru/result). Представлены возможности визуализации на графиках среднесуточных значений по 37 измеряемым параметрам, скачивания рисунков и итоговых файлов excel, а также сохранения расчетов в архиве.