В мировом информационном пространстве все больше внимания уделяется теме содержания и удержания в почве углерода в контексте достижения климатической (углеродной) нейтральности, поскольку ряд мировых ученых и политиков считает, что современное потепление климата напрямую связано с эмиссией углекислого газа в атмосферу, который усиливает парниковый эффект. По мнению ряда отечественных ученых в России доля углекислого газа при современных интенсивных системах возделывания сельскохозяйственных культур, при минерализации гумуса составляет 80% от общей эмиссии, в том числе от сжигаемого природного топлива. Вместе с тем процессы накопления углерода в почве и влияния на урожайность сельхозкультур пока остаются недостаточно изучены. С практической точки зрения интересно узнать:
- Как углерод влияет на плодородие почвы?
- Что влияет на его накопление и удержание?
- Как связаны углерод и рост урожайности сельхозкультур?
- Методы трансформации углеродного земледелия в агрономическую практику для пользы дела – удешевления себестоимости растениеводческой продукции и оздоровления почв.
Специально для читателей портала «ГлавАгроном» на эти вопросы ответил наш эксперт – директор НПО «Биоцентр» Александр Харченко.
Связь почвенного углерода и органического вещества
В последние годы в мире активно пропагандируется тема уменьшения выбросов углерода (углекислого газа) в атмосферу, поскольку есть мнение, что именно он влияет на изменение климата. Обещают даже платить из международных фондов 20-25$ на гектар тем аграриям, которые будут внедрять и использовать передовые почвосберегающие технологии. Рассмотрим биологический метод улавливания углерода из атмосферы и его «консервации» в почве с помощью растений и почвенной биоты как наиболее перспективный и полезный для аграриев. В чем его суть?
«Принято считать, что слишком много углерода в атмосфере – плохо, а слишком много углерода в почве – хорошо. Но если с первой частью этого заявления все более-менее понятно, то со второй – много вопросов. Происходит это потому, что большинство апологетов стратегии накопления углерода в почве представляют этот процесс утрированно: достаточно «добавить» углерода в почву, и все проблемы с плодородием почвы, гумусом и глобальными климатическими проблемами будут исчерпаны»,
Александр Харченко - директор НПО «Биоцентр»
Ученый пояснил, что углерод как один из элементов таблицы Менделеева приобретает свое значение для сельскохозяйственного производства и решения климатических проблем только в том случае, если оценивается его роль в составе органического вещества почвы.
Растения не питаются чистым углеродом
Если бы решение проблем плодородия зависело исключительно от использования углерода в качестве химического элемента, проблемы давно были бы решены простым внесением молотого угля или графита в землю.
Растения не питаются чистым углеродом, и процент его содержания в почве не является прямым показателем уровня плодородия. Углерод напрямую не влияет на урожайность. Однако значение почвенного углерода огромно, если оценить его во взаимосвязи с процессом почвообразования и представления о плодородии как результате этого процесса. Главную роль в нем играет органическое вещество почвы. Точнее, та его часть, которая называется лабильным гумусом.
Значительная часть лабильного гумуса представлена живыми обитателями почвы как микроорганизмами, так и более сложноорганизованными существами, интенсивно взаимодействующими с живыми растениямидруг с другом и неживой природой. Почва не является скоплением минеральных элементов – это живая система, в структуре которой вразличных формах присутствует углерод.
Понимание того, как происходит процесс образования, сохранения и функционирования органического вещества почвы, открывает трехмерную картину круговорота углерода в природе:
- из атмосферы в почву,
- в самой почве,
- из почвы в атмосферу.
Роль фотосинтеза в углеродном цикле
Секвестрация углерода – это, как правило, процесс трансформации углерода в воздухе (углекислый газ или СО2) в почвенный углерод. Углекислый газ поглощается растениями в процессе фотосинтеза, а также впитывается живыми растениями. Когда растение отмирает, углерод, находившийся в листьях, стебле, а также корнях, попадает в почву и становится почвенным органическим веществом.
Секвестрация углерода – это процесс, посредством которого атмосферный углерод улавливается и хранится в течение длительного времени в почве. Лучшим и единственным эффективным способом секвестрации углерода является перевод атмосферного углекислого газа в органическое вещество растениями, то есть фотосинтез.
«Более эффективной технологии пока что не придумано. Углерод, благодаря фотосинтезу, превращается в сахара и включается в живые процессы. Зная, как они осуществляются, можно управлять секвестрацией углерода. Мы должны четко представлять, как участвуют в углеродном цикле обитатели почвы, ее биомасса. В круговороте углерода живые почвенные организмы играют важную роль»,
Александр Харченко - директор НПО «Биоцентр»
Если по каким-то причинам в данный момент живой биомассе не нужны для жизнедеятельности углеродистые соединения, получаемые в результате фотосинтеза в большом количестве, она переводит их в нейтральные стойкие органические соединения, в своеобразную кладовую, из которой при необходимости возможно обратное извлечение углерода.
Углерод, в различных формах участвующий в почвообразовании, сохраняется почвенной биотой как в виде ее биомассы, так и в виде соединений, которыми она может питаться, но при определенных условиях может интенсивно покидать почву.
«Углерод, извлекаемый из органических соединений почвы, вступив в реакцию с кислородом, превращается в углекислый газ. Этот процесс называется минерализацией органического вещества. Еще в 80-х годах прошлого века известный русский ученый, доктор биологических наук Анатолий Семёнович Керженцев (1936 – 2018) из научной школы почвоведа В.А. Ковды (1904 —1991), работавший в Институте фундаментальных проблем биологии Российской академии наук (ИФПБ РАН) в городе Пущино, совместно с другими учеными изучал проблематику связывания и удержания углерода в почве. Было установлено, что в условиях реального аграрного производства в почве удерживается не более 20% поступающего в нее углерода»,
Александр Харченко - директор НПО «Биоцентр»
Как удержать углерод в почве?
Ученых заинтересовало: за счет каких приемов возможно удерживать углерода больше? В экспериментах были задействованы варианты с многовидовыми посевами и другие. А. Керженцев с коллегами сумел добиться феноменального результата: в ходе экспериментов ученые вышли на практики, где углерод удерживался в почве на уровне 80% . К сожалению, результаты экспериментов забыты, разработки по этой тематике сейчас практически не ведутся.
«С увеличением фотосинтеза и ускорением оттока сахаров из растений в почву успешно решается несколько задач: за счет наращивания новой биомассы из атмосферы удаляются излишние объемы СО2, повышается урожайность сельхозкультур, создаются условия для длительного запасания (депонирования) углерода почвой. Фотосинтез в растениях при отсутствии лимитирующих факторов протекает с избытком, превышающим в разы саму потребность растений»,
Александр Харченко - директор НПО «Биоцентр»
Если есть какие-то ограничивающие факторы, например, применяется аммиачная селитра, , запускающая ряд специфических физиологических процессов в зеленой части растения, отток сахаров из растения в почву ухудшается вплоть до его полной остановки.
Технологию усиления фотосинтеза предлагает НПО Биоцентр
Фотосинтез – процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород как побочный продукт фотосинтеза.
Как рассказал Александр Харченко, специалисты НПО «Биоцентр» разработали и предлагают технологию усиления фотосинтеза в сельскохозяйственных растениях, которая обеспечивает более интенсивный отток сахаров, а также технологии связывания углерода в живой массе обитателей почвы.
Её эффективность оценивается прежде всего экономикой хозяйств, где она применялась. Для ее реализации на практике применяется несколько микробиологических препаратов в определенной последовательности в рамках разработанной учеными системы Адаптивного биологизированного земледелия, а также препаратов, увеличивающих площадь листовой пластинки и усиливающие отток сахаров и транспортные способности самого растения. Руководитель компании уверен, что система позволяет получить значительное и даже кратное увеличение урожайности любых сельскохозяйственных культур.
Плодородие и углерод – прямая связь
Для реально работающего сельского хозяйства углерод должен представлять интерес как элемент, участвующий в процессе плодородия. Необходимо понимать, что плодородие – это не статическое состояние почвы, не данность, а динамический процесс на стыке углеродного цикла и цикла азота.
«Часто наблюдается путаница, связанная с привычными понятиями. Вот, говорят: гумус – это источник плодородия. Чем больше гумуса, тем плодородней почва. Правильнее говорить, что гумус – не источник, а результат плодородия. Это часть почвенного образования, где хранится неиспользованный, непонадобившийся для функционирования почвенной биоты энергетический запас в виде органических соединений. К этому отложенному запасу почвенная биомасса обращается, когда в почве необходимо восстановить разорванные биологические цепочки, например, при пахоте и других способах обработки почвы. Поэтому при механической обработке почвы происходит интенсивное «срабатывание» органического вещества – интенсивная потеря гумуса»,
Александр Харченко - директор НПО «Биоцентр»
В нормально функционирующей биоте почвы, где организмы связаны сложным жизненным процессом, питание обеспечивается для всех обитателей почвы преимущественно за счет продуктов фотосинтеза, поставляемых растениями в виде прижизненных корневых выделений – экссудатов корней растений. Также подъедаются остатки отмерших частей растения и масса самой отмирающей биоты, поскольку средний срок обновления живой биомассы почвы составляет 14 дней.
«В подпитке из «кладовых» живые обитатели в нормально функционирующей почве не нуждаются. Но это на целине, либо на почвах, способных очень быстро преодолевать последствия механической обработки или другого вмешательства. В реальных условиях сельскохозяйственной деятельности возврат к нормально функционирующей биоте лежит через преодоление последствий вмешательства, то есть через интенсивное восстановление утраченных в почве биологических связей»,
Александр Харченко - директор НПО «Биоцентр»
Восстановление биологических цепочек на разных почвах после грубого вмешательства земледела с помощью плуга и других орудий для механической обработки почвы по времени происходит по-разному. Для воронежских черноземов может понадобиться короткий промежуток времени в несколько недель, а на саратовских черноземах на это может не хватить и года.
Микробиологические препараты для восстановления почвы
Методы быстрого восстановления биологических цепочек и усиление депонирования углерода в земледелии очень важны. Для этого существует ряд агротехнологических приемов, но в современном сельском хозяйстве наиболее эффективным является применение микробиологии с использованием микробных медиаторных препаратов. Хоть напрямую они не принимают участия в почвообразовании, но помогают почвенной биоте восстановить необходимые для запуска этого процесса связи.
«Есть архаичные препараты, которые сейчас применяются в органическом биодинамическом сельском хозяйстве – препарат № 500 или роговый компост. В современном органическом сельском хозяйстве Австралии, благодаря усилиям Алекса Подолински (1925-2019), он применяется на 1 миллионе гектаров. Есть современные микробные препараты, полученные в результате работы биотехнологов. Один из известных препаратов – препарат «Кюссей» (перевод с яп. – армия спасения), разработанный японским ученым Теруо Хига, успешно используемый с середины 80-х гг. как в органическом, так и конвенциональном сельском хозяйстве»,
Александр Харченко - директор НПО «Биоцентр»
Александр Генрихович пояснил, что на основе последнего были созданы агротехнологии, с помощью которых в период 1995-2000 гг. Северная Корея решила проблему голода в стране, удвоив урожайность всех сельскохозяйственных культурбез интенсификации сельскохозяйственного производства, при дефиците минеральных удобрений, которые прежде в неограниченном количестве поставлялись в эту страну из СССР. НПО Биоцентр в своих технологиях системы Адаптивного биологизированного земледелия использует «Кюссей», а также ряд своих собственных сложных микробных ассоциаций, которые разработаны и запущены в промышленное производство.
Ученый считает, что в нынешних экономических условиях работать с медиаторными препаратами более эффективно и бюджетно, чем использовать просто органические удобрения или покровные культуры. Действенность органических удобрений никто под сомнение не ставит, но реалии нашей экономики диктуют поиск и применение совершенно иных приемов.
«Самые минимальные расходы – порядка 500 руб. на га (на посев смеси промежуточных культур) и 2000 руб. (на закупку семян самих культур) – не идут ни в какое сравнение с расходами на покупку и применение стимиксов-фитостимов (400-500 руб. на га). Нашей компанией создано уже 4 композита, которые превышают все известные способы восстановления биологических цепочек в почве. Когда мы знаем, как работают природные механизмы растений и почвы, мы всегда сможем усилить их действие»,
Александр Харченко - директор НПО «Биоцентр»
Современные сорта и гибриды и почвенный углерод
Повышение урожайности сельхозкультур – это способ секвестрации углерода, но мы также знаем, что применение аммиачной селитры значительно снижает интенсивность фотосинтеза. Известно также, что современные сорта и гибриды сельскохозяйственных культур обладают высоким потенциалом урожайности, но углерод в почве они секвестрируют в незначительных объемах или не накапливают вовсе.
«Так устроена генетика новых сортов и гибридов. Селекционеры, выводя эти сорта, постарались, чтобы все продукты фотосинтеза шли на формирование урожая. Мы сейчас имеем дело с поколением сельскохозяйственных растений-«жадин», которые стараются ни с кем не делиться при жизни. Технологии, альтернативные интенсивным, позволяют получать более высокие урожаи, не снижая, а, наоборот, усиливая и стимулируя фотосинтез за счет расширения листовой пластинки, стимулирования оттока сахаров из листа и снятия блокирующего фотосинтез эффекта, который провоцирует нитратный азот»,
Александр Харченко - директор НПО «Биоцентр»
Благодаря этим технологиям уменьшаются потери углерода из почвы при обработке за счет «сшивания» природных биологических цепочек в почве. Эти природоподобные технологии действуют и давно перешли рубеж экспериментального применения. Они внедрены в хозяйствах от Крыма до Красноярского края.
Например, в ОАО «ПТИЦЕФАБРИКА «ЗАРЯ» на 7000 га пашни (Емельяновский район Красноярского края), используя эти технологии с 2018 года, получают урожай яровой пшеницы отечественной селекции на уровне 70-90 ц/га. Лучшее поле яровой пшеницы в 2022 году дало 108 ц/га при заявленном потенциале сортов пшеницы в 51-54 ц/га. Для сравнения в соседних хозяйствах урожайность составляет 18 ц/га. Почувствуйте, что называется, разницу.
Почвозащитные технологии в углеродном земледелии
Применение в растениеводстве прогрессивных методов обработки почвы – strip-till, no-till и mini-till – не гарантия, что они обеспечивают связывание углерода в почве в больших объемах, чем при классическом земледелии. Если урожайность при этих технологиях низкая, то и секвестрация углерода будет происходить в минимальных объемах. И, наоборот, чем выше урожайность, тем больше углерода будет секвестрировано.
«В ряде хозяйств, работающих на пахотных землях и получающих высокие урожаи, приходилось наблюдать, что в следующих благоприятных сезонах урожайность становилась еще выше. За счет того, что в почву поступало большое количество биомассы в виде растительных остатков. Да, коэффициент потерь на пахоте высокий, но он компенсируется высокими урожаями и большими объемами поступающего в почву органического вещества»,
Александр Харченко - директор НПО «Биоцентр»
«Именно поэтому главное, что должно нас интересовать – это математика баланса накопления и потерь углерода, а не сами объемы потерь и накопления, потому что при любой технологии – классической, минимальной, нулевой – есть накопление, и есть потери. Важно, в какую сторону баланс. Выбор технологии здесь должен определяться по наиболее положительному балансу. Либо это ноу-тилл при небольших, но малозатратных урожаях, либо минималка или пахота, но с очень высокими урожаями, но, конечно, лучше ноу-тилл при высоких урожаях»,
Александр Харченко - директор НПО «Биоцентр»
В сельскохозяйственном производстве на первом плане – производственный процесс, и основная задача агрария – не секвестрировать или депонировать углерод, а в том, чтобы его как можно больше поступало с высоким урожаем . Поступает углерода много, значит, и связать его в почве, и депонировать можно будет в больших объемах. Здесь прямая зависимость. Скажем, при урожайности 60-80 ц с га по классической технологии депонировать углерода в почве возможно гораздо больше, чем при нулевой технологии с низкой урожайностью. Нетронутая плугом почва – еще не аргумент в пользу лучшего депонирования углерода.
Углеродное земледелие может помочь хозяйству заработать
Таким образом знания, накопленные в области почвоведения, биологии, биохимии и других областях как иностранными, так и российскими учеными, а также технологии по управлению процессами секвестрации и депонирования углерода вполне реально направить в практическое русло сельскохозяйственной деятельность. Конечно, при условии экономической целесообразности, уверен ученый.
Но при трансформации знаний в сугубо практическую плоскость мы должны решать не абстрактную (как вообще удержать углерод в почве), а вполне конкретные задачи:
- максимально накопить органическое вещество почвы
- и получить максимально возможный урожай с хорошей рентабельностью.
Только при таком подходе не на словах, а на деле возможно решить проблемы, связанные с внесением в почву и консервацией в ней углерода. И при этом еще и хорошо зарабатывать. В этом уверен наш собеседник – директор НПО «Биоцентр» Александр Харченко.
Светлана ДАРЕНСКИХ, «ГлавАгроном»
