Assessment of Greenhouse Gas Emissions and Carbon Reserves with Zero Processing of Chernozem in the Conditions of the Forest-Steppe Zone of the Middle Volga Region

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The transition from conventional soil treatment technology to zero treatment technology contributes to an increase in carbon sequestration (Sorg) in the form of carbon dioxide (CO2) from the atmosphere into the soil and, as a result, a reduction in the adverse effects of the greenhouse effect on the ecological state of the environment. The effectiveness of the application of zero tillage is to a greater or lesser extent due to specific agro-climatic conditions, crop rotation systems, fertilizers and plant protection, soil quality and stability. The influence of zero tillage on the dynamics of sorghum reserves and greenhouse gas emissions (CO2, N2O, CH4) in the agro-climatic conditions of crop production (LLC “Orlovka AIC”, Samara region) was investigated. The study was conducted on agrochernozem heavy loam in September–November 2021 in conditions of an abnormally arid growing season and high summer temperatures. On plots with zero tillage, plant residues were received: 268–1720 kg С/ha, 3–66 kg N, 0.2–7.7 kg P and 12–44 kg K/ha. Based on the results obtained, recommendations are proposed for further improving the efficiency of zero tillage technology due, firstly, to reducing its adverse effect on the density of soil composition, and, secondly, taking into account the influence of underlying parent rocks and relief on water erosion of soil and redistribution of granulometric fractions of soil in the agricultural landscape, which will allow using this technology according to principles of adaptive landscape farming.

About the authors

L. V. Orlova

National Movement of Saving Agriculture

Author for correspondence.
Email: orlova.rmrl@gmail.com
Russia, 443099, Samara, Kuibyshev ul. 88

N. M. Trots

Samara State Agrarian University

Email: orlova.rmrl@gmail.com
Russia, 446442, Ust-Kinelsky settlement, Kinel, Uchebnaya ul. 2

V. I. Platonov

Samara National Research University named after akad. S.P. Korolev

Email: orlova.rmrl@gmail.com
Russia, 443086, Samara, Moskovskoe shosse 34

E. V. Balashov

Agrophysical Institute

Email: orlova.rmrl@gmail.com
Russia, 195220, St. Petersburg, Grazhdansky prosp. 14

S. V. Sushko

Agrophysical Institute

Email: orlova.rmrl@gmail.com
Russia, 195220, St. Petersburg, Grazhdansky prosp. 14

I. N. Kolesnichenko

Samara National Research University named after akad. S.P. Korolev

Email: orlova.rmrl@gmail.com
Russia, 443086, Samara, Moskovskoe shosse 34

S. V. Orlov

LLС “Orlovka-Agro-Innovation Center”

Email: orlova.rmrl@gmail.com
Russia, 446472, Samara region, Pokhvistnevsky district, d. Stary Amanak village, ul. Tsentralnaya 42E

E. V. Kruglov

Samara State Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation

Email: orlova.rmrl@gmail.com
Russia, 443079, Samara, ul. Gagarina 20

References

  1. Национальный доклад “Глобальный климат и почвенный покров России: опустынивание и деградация земель, институциональные, инфраструктурные, технологические меры адаптации (сельское и лесное хозяйство)” / Под ред. Р.С.-Х. Эдельгериева. Т. 2. М.: Изд-во МБА, 2019. 476 с.
  2. Haque M.M., Biswas J.C., Salahin N., Alam M.K., Akhter S., Akhtar S., Maniruzzaman M., Hossain M.S. Tillage systems influence on greenhouse gas emission factor and global warming potential under rice-mustard-rice cropping system // Arch. Agron. Soil Sci. 2022. P. 1–16.
  3. Huang Y., Ren W., Wang L., Hui D., Grove J.H., Yang X., Tao B., Goff B. Greenhouse gas emissions and crop yield in no-tillage systems: A meta-analysis // Agricult. Ecosyst. Environ. 2018. V. 268. P. 144–153.
  4. Virk A.L., Liu W.S., Chen Z., Yves N., Bohoussou D., Cheema M.A., Khan T.S., Zhao X., Zhang H.L. Effects of different tillage systems and cropping sequences on soil physicochemical properties and greenhouse gas emissions // Agricult. Ecosyst. Environ. 2022. V. 335. N. 108010.
  5. Jarecki M.K., Lal R. Crop management for soil carbon sequestration // Critic. Rev. Plant Sci. 2003. V. 22(6). P. 471–502.
  6. Lal R., Follett R.F., Stewart B.A., Kimble J.M. Soil carbon sequestration to mitigate climate change and advance food security // Soil Sci. 2007. V. 172(12). P. 943–956.
  7. Lessmann M., Ros G.H., Young M.D., de Vries W. Global variation in soil carbon sequestration potential through improved cropland management // Global Change Biol. 2022. V. 28(3). P. 1162–1177.
  8. Padarian J., Minasny B., McBratney A., Smith P. Soil carbon sequestration potential in global croplands // Peer. J. 2022. V.10. e13740.
  9. Paustian K., Six J., Elliott E.T., Hunt H.W. Management options for reducing CO2 emissions from agricultural soils // Biogeochemistry. 2000. V. 48(1). P. 147–163.
  10. Zhao J., Liu Z., Lai H., Yang D., Li X. Optimizing residue and tillage management practices to improve soil carbon sequestration in a wheat–peanut rotation system // J. Environ. Manag. 2022. V. 306. N. 114468.
  11. Lal R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security // Science. 2004. V. 304(5677). P. 1623–1627.
  12. Balashov E., Buchkina N. Impact of short-and long-term agricultural use of chernozem on its quality indicators // Inter. Agrophys. 2011. V. 25(1). P. 1–5.
  13. López-Garrido R., Madejón E., Murillo J.M., Moreno F. Soil quality alteration by mouldboard ploughing in a commercial farm devoted to no-tillage under Mediterranean conditions // Agricult. Ecosyst. Environ. 2011. V. 140(1–2), P. 182–190.
  14. de Oliveira L.E.Z., de Souza Nunes R., de Sousa D.M.G., de Figueiredo C.C. Dynamics of residual phosphorus forms under different tillage systems in a Brazilian Oxisol // Geoderma. 2020. V. 367. 114254.
  15. Xu J., Han H., Ning T., Li Z., Lal R. Long-term effects of tillage and straw management on soil organic carbon, crop yield, and yield stability in a wheat-maize system // Field Crop. Res. 2019. V. 233. P. 33–40.
  16. Castellini M., Fornaro F., Garofalo P., Giglio L., Rinaldi M., Ventrella D., Vitti C., Vonella A.V. Effects of no-tillage and conventional tillage on physical and hydraulic properties of fine textured soils under winter wheat // Water. 2019. V. 11(3). P. 484.
  17. Ogle S.M., Alsaker C., Baldock J., Bernoux M., Breidt F.J., McConkey B., Regina K., Vazquez-Amabile G.G. Climate and soil characteristics determine where no-till management can store carbon in soils and mitigate greenhouse gas emissions // Sci. Rep. 2019. V. 9(1). P. 1–8.
  18. Paustian K., Six J., Elliott E.T., Hunt H.W. Management options for reducing CO2 emissions from agricultural soils // Biogeochemistry. 2000. V. 48(1). P. 147–163.
  19. Phogat M., Dahiya R., Goyal V., Kumar V. Impact of long term zero tillage on soil physical properties: A review // J. Pharmacogn. Phytochem. 2020. V. 9(5). P. 2959–2967.
  20. Six J., Bossuyt H., Degryze S., Denef K. A history of research on the link between (micro) aggregates, soil biota, and soil organic matter dynamics // Soil Till. Res. 2004. V. 79(1). P. –31.
  21. Vizioli B., Cavalieri-Polizeli K.M.V., Tormena C.A., Barth G. Effects of long-term tillage systems on soil physical quality and crop yield in a Brazilian Ferralsol // Soil Till. Res. 2021. V. 209. 104935.
  22. Zhang Y., Xie D., Ni J., Zeng X. Conservation tillage practices reduce nitrogen losses in the sloping upland of the Three Gorges Reservoir area: No-till is better than mulch-till // Agricult. Ecosyst. Environ. 2020. V. 300. 107003.
  23. Bhattacharyya S.S., Ros G.H., Furtak K., Iqbal H.M., Parra-Saldívar R. Soil carbon sequestration – An interplay between soil microbial community and soil organic matter dynamics // Sci. Total Environ. 2022. N. 152928.
  24. Dewi R.K., Fukuda M., Takashima N., Yagioka A., Komatsuzaki M. Soil carbon sequestration and soil quality change between no-tillage and conventional tillage soil management after 3 and 11 years of organic farming // Soil Sci. Plant Nutr. 2022. V. 68(1). P. 133–148.
  25. Kan Z.R., Liu W.X., Liu W.S., Lal R., Dang Y.P., Zhao X., Zhang H.L. Mechanisms of soil organic carbon stability and its response to no-till: A global synthesis and perspective // Global Change Biol. 2022. V. 28(3). P. 693–710.
  26. Ussiri D.A., Lal R. Long-term tillage effects on soil carbon storage and carbon dioxide emissions in continuous corn cropping system from an alfisol in Ohio // Soil Till. Res. 2009. V. 104(1). P. 39–47.
  27. Christopher S.F., Lal R., Mishra U. Regional study of no-till effects on carbon sequestration in the Midwestern United States // Soil Sci. Soc. Amer. J. 2009. V. 73 (1). P. 207–216.
  28. Гилев С.Д., Цымбаленко И.Н., Курлов А.П., Русакова И.В. Микробоценоз чернозема выщелоченного и динамика органического вещества при минимизации обработки почвы в условиях Зауралья // АПК России. 2015. Т. 73. С. 104–110.
  29. Кураченко Н.Л., Колесник А.А. Структура и запасы гумусовых веществ чернозема в условиях основной обработки почвы // Вестн. КрасГАУ. 2017. № 9. С. 149–157.
  30. Холодов В.А., Ярославцева Н.В., Яшин М.А., Фарходов Ю.Р., Ильин Б.С., Лазарев В.И. Содержание органического углерода и азота в размерных фракциях агрегатов типичных черноземов // Почвоведение. 2021. № 3. С. 320–326.
  31. Завалин А.А., Дридигер В.К., Белобров В.П., Юдин С.А. Азот в черноземах при традиционной технологии обработки и прямом посеве // Почвоведение. 2018. № 12. С. 1506–1516.
  32. Мокриков Г.В., Казеев К.Ш., Мясникова М.А., Акименко Ю.В., Колесников С.И. Влияние технологии прямого посева на почвенную мезофауну, дыхание и ферментативную активность черноземов южных // Агрохим. вестн. 2019. № 5. С. 31–36.
  33. Холодов В.А., Белобров В.П., Ярославцева Н.В., Яшин М.А. Влияние технологии прямого посева на распределение органического углерода и азота во фракциях агрегатов черноземов типичных, обыкновенных и южных // Почвоведение. 2021. № 2. С. 240–246.
  34. Horák J., Balashov E., Šimanský V., Igaz D., Buchkina N., Aydin E., Bárek V., Drgoňová K. Effects of conventional moldboard and reduced tillage on seasonal variations of direct CO2 and N2O emissions from a loam Haplic Luvisol // Biologia. 2019. V. 74. P. 767–782.
  35. Liu X.J., Mosier A.R., Halvorson A.D., Reule C.A., Zhang F.S. Dinitrogen and N2O emissions in arable soils: Effect of tillage, N source and soil moisture // Soil Biol. Biochem. 2007. V. 39(9). P. 2362–2370.
  36. Petersen S.O., Schjønning P., Thomsen I.K., Christensen B.T. Nitrous oxide evolution from structurally intact soil as influenced by tillage and soil water content // Soil Biol. Biochem. 2008. V. 40(4). P. 967–977.
  37. Smith W.N., Grant B.B., Desjardins R.L., Rochette P., Drury C.F., Li C. Evaluation of two process-based models to estimate soil N2O emissions in Eastern Canada // Canad. J. Soil Sci. 2008. V. 88(2). P. 251–260.
  38. Wang H., Wang S., Yu Q., Zhang Y., Wang R., Li J., Wang X. No-tillage increases soil organic carbon storage and decreases carbon dioxide emission in the crop residue-returned farming system // J. Environ. Manag. 2020. V. 261. 110261.
  39. Badagliacca G., Benítez E., Amato G., Badalucco L., Giambalvo D., Laudicina V.A., Ruisi P. Long-term no-tillage application increases soil organic carbon, nitrous oxide emissions and faba bean (Vicia faba L.) yields under rain-fed Mediterranean conditions // Sci. Total Environ. 2018. V. 639. P. 350–359.
  40. Wrage N., Velthof G.L., van Beusichem M.L., Oenema O. Role of nitrifier denitrification in the production of nitrous oxide // Soil Biol. Biochem. 2001. V. 33(12–13). P. 1723–1732.
  41. De Kimpe C.D., Warkentin B.P. Soil functions and the future of natural resources // Adv. Geoecol. 31. Catena Verlag, Reiskirchen, Germany, 1998. V. 1. P. 3–10.
  42. Karlen D.L., Ditzler C.A., Andrews S.S. Soil quality: why and how? // Geoderma. 2003. V. 114(3–4). P. 145–156.
  43. Almaraz J.J., Mabood F., Zhou X., Madramootoo C., Rochette P., Ma B. L., Smith D.L. Carbon dioxide and nitrous oxide fluxes in corn grown under two tillage systems in southwestern Quebec // Soil Sci. Soc. Amer. J. 2009. V. 73(1), P. 113–119.
  44. Ma Y., Sun L., Zhang X., Yang B., Wang J., Yin B., Yan X., Xiong Z. Mitigation of nitrous oxide emissions from paddy soil under conventional and no-till practices using nitrification inhibitors during the winter wheat-growing season // Biol. Fertil. Soil. 2013. V. 49(6). P. 627–635.
  45. Abdalla M., Osborne B., Lanigan G., Forristal D., Williams M., Smith P., Jones M.B. Conservation tillage systems: a review of its consequences for greenhouse gas emissions // Soil Use Manag. 2013. V. 29(2). P. 199–209.
  46. Zhang Y., Zhao J., Huang X., Cheng Y., Cai Z., Zhang J., Müller C. Microbial pathways account for the pH effect on soil N2O production // Europ. J. Soil Biol. 2021. V. 106. N. 103337.
  47. Иванов А.Л., Савин И.Ю., Столбовой В.С., Духанин Ю.А., Козлов Д.Н. Методологические подходы формирования единой Национальной системы мониторинга и учета баланса углерода и выбросов парниковых газов на землях сельскохозяйственного фонда Российской Федерации // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2021. Вып. 108. С. 175–218.
  48. Стандартная рабочая методика. Органический углерод почвы Спектрофотометрический метод Тюрина. Рим: ФАО, 2021. https://www.fao.org/3/cb4757ru/cb4757ru.pdf
  49. Руководство ФАО по оценке содержания органического углерода почвы. 2021 г., стандарт VCS сертификационного агентства Verra, 2022 г.
  50. Buchkina N., Rizhiya E., Balashov E. N2O emission from a loamy sand Spodosol as related to soil fertility and N-fertilizer application for barley and cabbage // Arch. Agron. Soil Sci. 2012. V. 58. P. 141–146.
  51. Dobbie K.E., Smith K.A. Nitrous oxide emission factors for agricultural soils in Great Britain: The impact of soil water-filled pore space and other controlling variables // Global Change Biol. 2003. V. 9(2). P. 204–218.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (201KB)
3.

Download (55KB)
4.

Download (639KB)
5.

Download (38KB)
6.

Download (340KB)

Copyright (c) 2023 The Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».