Агрогеохимические технологии управления потоками CO2 в агроэкосистемах. Сообщение 1. Факторы управления микробным звеном агрогеохимического круговорота

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В обзоре рассмотрено применение агрогеохимических технологий, направленных на восстановление агрогеохимических циклов в сельскохозяйственных экосистемах, прежде всего в микробном звене, регулирующем потоки CO2. Показаны факторы управления этим микробным звеном при внесении как минеральных, так и органических удобрений. Рассмотрены процессы минерализации органических веществ почвы и методы регулирования сопряженной углерод- и азотминерализующей способности почв. Рассмотрены изменения продуктивности сельскохозяйственных экосистем в условиях повышения концентрации углекислого газа в атмосфере и в почвенном воздухе. Показаны различные агротехнологические приемы, в том числе применение нулевой обработки почвы, органических удобрений различной природы, а также различных мелиорантов, в том числе фосфогипса. На основании многочисленных данных сделан вывод о том, что агроэкосистемы в большинстве случаев являются чистым источником СО2, а секвестрация происходит только при переводе сельскохозяйственных угодий в залежь. Оценены методы, направленные на снижение потоков СО2 при использовании удобрений в цикле “производство–внесение”. Показано, что существующая практика внедрения сельскохозяйственных низкоуглеродных технологий (agricultural low carbon technologies – ALCT) пока не может свидетельствовать об их применимости для обеспечения как продовольственной, так и экологической безопасности.

Об авторах

В. Н. Башкин

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Email: vladimirbashkin@yandex.ru
Россия, 142290, Московская обл, Пущино, ул. Институтская, 2

Список литературы

  1. Звягинцев Д.Г., Добровольская Т.Г., Бабьева И.П., Чернов И.М. Развитие представлений о структуре микробных сообществ почв // Почвоведение. 1999. № 1. С. 134–144.
  2. Кудеяров В.Н., Заварзин Г.А., Благодатский С.А., Борисов А.Б., Воронин П.Ю. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России. М.: Наука, 2007. 315 с.
  3. Семенов А.М., Семенов В.М., Ван Бругген А.Х.К. Диагностика здоровья и качества почвы // Агрохимия. 2011. № 12. С. 4–20.
  4. Smith K.A., Ball T., Conen F., Dobbie K.E., Massheder J., Rey A. Exchange of greenhouse gases between soil and atmosphere: Interactions of soil physical factors and biological processes // Europ. J. Soil Sci. 2003. V. 54. P. 779–791.
  5. Кудеяров В.Н. Агрогеохимические циклы углерода и азота в современном земледелии России // Агрохимия, 2019. № 12. С. 3–15. https://doi.org/10.1134/S000218811912007X
  6. Mueller N.D., Gerber J.S., Johnston M., Ray D.K., Ramankutty N., Foley J.A. Closing yield gaps through nutrient and water management // Nature. 2012. V. 490. P. 254–257.
  7. Le Quéré C., Moriarty R., Andrew R.M., Peters G.P., Ciais P., Friedlingstein P. Global carbon budget 2014 // Earth Syst. Sci. Data Discuss. 2014. V. 7. C. 521–610.
  8. Kurganova I., Lopes de Gerenyu V., Kuzyakov Y. Large scale carbon sequestration in post-agrogenic ecosystems in Russia and Kazakhstan // Catena. 2015. V. 133. P. 461–466.
  9. Udvardi M., Below F.E., Castellano M.J., Eagle A.J., Giller K.E., Ladha J.K. A research road map for responsible use of agricultural nitrogen // Front. Sustain. Food Syst. 2021. V. 5 / 660155. https://doi.org/10.3389/fsufs.2021.660155
  10. Башкин В.Н., Галиулина Р.А. Повышение эффективности использования азота: проблемы и пути решения. Сообщение. 2. Биологические подходы // Агрохимия. 2022. № 9. С. 97–110. https://doi.org/10.31857/S0002188122090034
  11. Благодатская Е.В., Семенов М.В., Якушев А.В. Активность и биомасса почвенных микроорганизмов в изменяющихся условиях окружающей среды. М.: Товарищ-во научн. изд. КМК, 2016. 243 с.
  12. Заварзин Г.А., Кудеяров В.Н. Почва как основной источник углекислоты и резервуар органического углерода на территории России // Вестн. РАН. 2006. № 1. С. 14–29.
  13. Кудеяров В.Н. Роль почв в круговороте углерода // Почвоведение. 2005. № 8. С. 915–923.
  14. Кудеяров В.Н. Современное состояние углеродного баланса и способность почв России к поглощению углерода // Почвоведение. 2015. № 9. С. 1049–1060.
  15. Кудеяров В.Н. Почвенное дыхание и биогенный сток углекислого газа на территории России: аналитический обзор // Почвоведение. 2018. № 6. С. 643–658.
  16. Курганова И.Н., Кудеяров В.Н. Экосистемы России и глобальный углеродный бюджет // Наука в России. 2012. № 5. С. 25–32.
  17. Hernandez-Ramirez G., Sauer T.J., Chendev Y.G., Gennadiev A.N. Nonlinear turnover rates of soil carbon following cultivation of native grasslands and subsequent afforestation of croplands // Soil. 2021. V. 7. P. 415–431.
  18. Bashkin V.N. Modern biogeochemistry: Environmental risk assessment. 2d ed. Dordrecht: Springer Publishers, 2006. P. 444.
  19. Bashkin V.N. Modern biogeochemistry: Environmental risk assessment. 2d ed. Beijing: Chemical Industry Press, 2009. P. 268.
  20. Околелова А.А. Экологические принципы сохранения почвенного покрова. Волгоград: РПК “Политехник”, 2006. С. 96.
  21. Федоров Ю.А., Сухоруков В.В., Трубник Р.Г. Обзор: эмиссия и поглощение парниковых газов почвами // Экол. пробл. Антропогенная трансформация природной среды. 2021. № 1. С. 6–34. https://doi.org/10.17072/2410-8553-2021-1-6-34
  22. Семенов В.М., Кузнецова Т.В., Розанова Л.Н., Кудеяров В.Н. Продуцирование почвой СО2 и его эмиссия при минерализации азотсодержащих компонентов // Почвоведение. 1995. № 10. С. 79–85
  23. Семенов В.М. Функции углерода в минерализационно-иммобилизационном обороте азота в почве // Агрохимия. 2020. № 6. С. 78–96. https://doi.org/10.31857/S0002188120060101
  24. Кузнецова Т.В., Семенов А.В., Ходжаева А.К., Иванникова Л.А., Семенов В.М. Накопление азота в микробной биомассе серой лесной почвы при разложении растительных остатков // Агрохимия. 2003. № 10. С. 3–12.
  25. Curtis P.S., Wang X. A meta-analysis of elevated CO2 effects on woody plant mass, form, and physiology // Oecologia. 1998. V. 113. P. 299–313.
  26. Rogers H.H., Peterson C.M., McCrimmon J.N., Cure J.D. Response of plant roots to elevated atmospheric carbon dioxide // Plant Cell Environ. 1992. V. 15. P. 749–752.
  27. Kudeyarov V.N., Biel K., Blagodatsky S.A., Semenov V.M., Dem’yanova E.G., Dorodnikov M.V. Fertilizing effect of the increasing CO2 concentration in the atmosphere // Euras. Soil Sci. 2006. V. 39. P. 6–14.
  28. Chen C., Park T., Wang X., Piao S., Xu B., Chaturvedi R.K. China and India lead in greening of the world through land-use management // Nat. Sustain. 2019. V. 2. P. 122–129.
  29. Simionescu M., Bilan Y., Gędek S., Streimikiene D. The effects of greenhouse gas emissions on cereal production in the European Union // Sustainability. 2019. V. 11. P. 3433.
  30. Liu Y., Wang C., He N., Wen X., Gao Y., Li S. A global synthesis of the rate and temperature sensitivity of soil nitrogen mineralization: Latitudinal patterns and mechanisms // Glob. Chang. Biol. 2017. V. 23. P. 455–464.
  31. Miller K.S., Geisseler D. Temperature sensitivity of nitrogen mineralization in agricultural soils // Biol. Fertil. Soils. 2018. V. 54. P. 853–860.
  32. Miller K., Aegerter B.J., Clark N.E., Leinfelder-Miles M., Miyao E.M., Smith R. Relationship between soil properties and nitrogen mineralization in undisturbed soil cores from California agroecosystems // Commun. Soil Sci. Plant Anal. 2019. V. 50. P. 77–92.
  33. Gardner J.B., Drinkwater L.E. The fate of nitrogen in grain cropping systems: A meta–analysis of 15N field experiments // Ecol. Appl. 2009. V. 19. P. 2167–2184.
  34. Башкин В.Н. Увеличение эффективности использования азота: оценка азотминерализующей способности почв // Рос. сел.-хоз. наука. 2022. № 3. С. 45–50.
  35. Bashkin V.N. Increasing the efficiency of nitrogen use: Assessing the nitrogen-mineralizing capability of soils // Rus. Agric. Sci. 2022. V. 48. P. 283–289.
  36. Башкин В.Н. Оценка величин азотминерализующей способности в различных почвенно-экологических регионах // Использование и охрана природн. ресурсов в России. 2022. № 3. С. 117–122.
  37. Кудеяров В.Н. Цикл азота в почве и эффективность удобрений. М.: Наука, 1989. С. 278.
  38. Кузнецов В.Б., Иванникова Л.А., Семин В.Ю., Надежкин С.М., Семенов В.М. Влияние длительного применения удобрений на биологическое качество органического вещества почвы выщелоченного чернозема // Агрохимия. 2007. № 11. С. 21–31.
  39. Шарков И.Н., Антипина П.В. Некоторые аспекты углерод-секвестрирующей способности пахотных почв // Почва и окруж. среда. 2022. Т. 5 (2). е175. https://doi.org/10.31251/pos.v5i2.175
  40. Курганова И.Н., Телеснина И.М., Лопес де Гереню В.О., Личко В.И., Овсепян Л.А. Изменения запасов углерода, микробной и ферментативной реактивности агродерно-подзолов южной тайги в ходе постагрогенной эволюции // Почвоведение. 2022. № 7. С. 825–843. https://doi.org/10.31857/S003189X22070073
  41. Poblete-Grant P., Cartes P., Pontigo S., Biron P., Mora M.D., Rumpel C. Phosphorus fertiliser source determines the allocation of root-derived organic carbon to soil organic matter fractions // Soil Biol. Biochem. 2022. V. 167. P. 108614.
  42. Bossolani J.W., Crusciol C.A., Garcia A., Moretti L.G., Portugal J.R., Rodrigues V.A. Long-term lime and phosphogypsum amended-soils alleviates the field drought effects on carbon and antioxidative metabolism of maize by improving soil fertility and root growth // Front Plant Sci. 2021. V. 12. P. 650296.
  43. Mahmoud E., Ghoneim A., El Baroudy A., Abd El-Kader N., Aldhumri S.A., Othman S. Effects of phosphogypsum and water treatment residual application on key chemical and biological properties of clay soil and maize yield // Soil Use Manag. 2021. V. 37. P. 494–503.
  44. Lei L., Gu J., Wang X., Song Z., Wang J., Yu J. Microbial succession and molecular ecological networks response to the addition of superphosphate and phosphogypsum during swine manure composting // J. Environ. Manag. 2021. V. 279. P. 111560.
  45. Раскрытие компанией “Фосагро” информации, связанной с изменением климата. Отчет ПАО “ФосАгро” за 2020 год. 2021. С. 43. Доступно: www.phosagro.ru
  46. Интегрированный годовой отчет ПАО “ФосАгро” за 2021 год, 2022. С. 360. Доступно: www.phosagro.ru
  47. Кудеяров В.Н., Хакимов Ф.И., Деева Н.Ф. Оценка дыхания почв в России // Почвоведение. 1995. № 1. С. 33–42.
  48. Xu B., Xu R. Assessing the carbon intensity of the heavy industry in China: Using a nonparametric econometric model // Environ. Impact Assess. Rev. 2023. V. 98. P. 106925.
  49. Xu B., Lin B. Investigating drivers of CO2 emission in China’s heavy industry: A quantile regression analysis // Energy. 2020. V. 206. P. 118159.
  50. Henryson K., Meurer K.H., Bolinder M.A., Kätterer T., Tidåker P. Higher carbon sequestration on Swedish dairy farms compared with other farm types as revealed by national soil inventories // Carbon Manag. 2022. V. 13. P. 266–278.
  51. He P., Zhang J., Li W. The role of agricultural green production technologies in improving low-carbon efficiency in China: Necessary but not effective // J. Environ. Manage. 2021. V. 293. P. 112837.
  52. Yang X., Zhou X., Deng X. Modeling farmers’ adoption of low-carbon agricultural technology in Jianghan Plain, China: An examination of the theory of planned behavior // Technol. Forecast. Soc. Change. 2022. V. 180. P. 121726.
  53. Li W., Ruiz-Menjivar J., Zhang L., Zhang J. Climate change perceptions and the adoption of low-carbon agricultural technologies: Evidence from rice production systems in the Yangtze River Basin // Sci. Total. Environ. 2021. V. 759. P. 143554.
  54. Xu B., Lin B. Factors affecting CO2 emissions in China’s agriculture sector: Evidence from geographically weighted regression model // Energy Policy. 2017. V. 106. P. 404–414.
  55. Xu B., Xu R. Assessing the role of environmental regulations in improving energy efficiency and reducing CO2 emissions: Evidence from the logistics industry // Environ. Impact Assess Rev. 2022. V. 96. P. 106831.
  56. Xu B., Chen W., Zhang G., Wang J., Ping W., Luo L. How to achieve green growth in China’s agricultural sector // J. Clean. Prod. 2020. V. 271. P. 122770.
  57. Naher U.A., Biswas J.C., Maniruzzaman M., Khan F.H., Sarkar M.I., Jahan A. Bio-organic fertilizer: A green technology to reduce synthetic N and P fertilizer for rice production // Front Plant Sci. 2021. V. 12. P. 602052.
  58. dos Santos Nascimento G., de Souza T.A., da Silva L.J., Santos D. Soil physico-chemical properties, biomass production, and root density in a green manure farming system from tropical ecosystem, North-eastern Brazil // J. Soils Sediments. 2021. V. 21. P. 2203–2211.
  59. Singh J.S., Kumar A., Rai A.N., Singh D.P. Cyanobacteria: A precious bio-resource in agriculture, ecosystem, and environmental sustainability // Front Microbiol. 2016. V. 7. P. 529.
  60. Singh N., Agarwal S., Jain A., Khan S. 3-Dimensional cross linked hydrophilic polymeric network “hydrogels”: An agriculture boom // Agric. Water Manag. 2021. V. 253. P. 106939.
  61. Pizzeghello D., Bellin L., Nardi S., Francioso O., Squartini A., Concheri G. Wood-based compost affects soil fertility and the content of available forms of nutrients in vineyard and field–scale agroecosystems // Agronomy. 2021. V. 11. P. 518.
  62. Songjuan G.A., Weidong C.A., Guopeng Z.H. Bacterial communities in paddy soils changed by milk vetch as green manure: A study conducted across six provinces in South China // Pedosphere. 2021. V. 31. P. 521–530.
  63. Toma Y., Takechi Y., Inoue A., Nakaya N., Hosoya K., Yamashita Y. Early mid-season drainage can mitigate greenhouse gas emission from organic rice farming with green manure application // Soil Sci. Plant Nutr. 2021. V. 67. P. 482–492.
  64. Ferrara R.M., Carozzi M., Decuq C., Loubet B., Finco A., Marzuoli R. Ammonia, nitrous oxide, carbon dioxide, and water vapor fluxes after green manuring of faba bean under Mediterranean climate // Agric. Ecosyst. Environ. 2021. V. 315. P. 107439.
  65. Song H.J., Lee J.H., Canatoy R.C., Lee J.G., Kim P.J. Strong mitigation of greenhouse gas emission impact via aerobic short pre-digestion of green manure amended soils during rice cropping // Sci. Total Environ. 2021. V. 761. P. 143193.
  66. Mao H., Zhou L., Ying R., Pan D. Time Preferences and green agricultural technology adoption: Field evidence from rice farmers in China // Land Use Policy. 2021. V. 109. P. 105627.
  67. Sánchez-Monedero M.A., Cayuela M.L., Sánchez-García M., Vandecasteele B., D’Hose T., López G. Agronomic evaluation of biochar, compost and biochar-blended compost across different cropping systems: Perspective from the European project FERTIPLUS // Agronomy. 2019. V. 9. P. 225.
  68. Fellet G., Pilotto L., Marchiol L., Braidot E. Tools for nano-enabled agriculture: Fertilizers based on calcium phosphate, silicon, and chitosan nanostructures // Agronomy. 2021. V. 11. P. 1239.
  69. Peltoniemi K., Velmala S., Fritze H., Lemola R., Pennanen T. Long-term impacts of organic and conventional farming on the soil microbiome in boreal arable soil // Eur. J. Soil Biol. 2021. V. 104. P. 103314.
  70. Harindintwali J.D., Zhou J., Muhoza B., Wang F., Herzberger A., Yu X. Integrated ecos-trategies towards sustainable carbon and nitrogen cycling in agriculture // J. Environ. Manag. 2021. V. 293. P. 112856.
  71. Durrer A., Gumiere T., Zagatto M.R., Feiler H.P., Silva A.M., Longaresi R.H. Organic farming practices change the soil bacteria community, improving soil quality and maize crop yields // Peer J. 2021. V. 9. P. e11985.
  72. Liu Z., Rong Q., Zhou W., Liang G. Effects of inorganic and organic amendment on soil chemical properties, enzyme activities, microbial community and soil quality in yellow clayey soil // PloS One. 2017. V. 12. P. e0172767.
  73. Prescott C.E., Rui Y., Cotrufo M.F., Grayston S.J. Managing plant surplus carbon to generate soil organic matter in regenerative agriculture // J. Soil Water Conserv. 2021. V. 76. P. 99A–104A.
  74. Bashkin V., Alekseev A., Levin B., Mescherova E. Biogeochemical technologies for managing CO2 flows in agroecosystems // Adv. Environ. Eng. Res. 2023. V. 4 (1). P. 012. https://doi.org/10.21926/aeer.2301012

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2.

Скачать (49KB)
Метаданные
3.

Скачать (75KB)
Метаданные
4.

Скачать (93KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2023