Forecasting the Carbon Stock Dynamics in the Soils of Cultivated Croplands in European Russia in the Context of the Low-Carbon Development

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Soil organic carbon sequestration potential in the cropland top soil layer (0–30 cm) of European Russia was assessed based on soil-ecological zoning using one of the most common global models of soil organic matter the Rothamsted dynamic carbon model (RothC) and open-access global databases such as Climatic Research Unit (CRU) TS v4.05, 1901−2020, SoilGrids250m 2.0 and time-series MODIS (MOD13A1.006 Terra Vegetation Indices) NDVI and EVI. Data from the national Soil Organic Carbon Map at 0–30 cm depth were used to estimate the current carbon stocks. FAO unified technical specifications and guidance for the generation of national Soil Carbon Sequestration Map was used as the current study mapping approach. The average rate of carbon sequestration by natural zones under the business-as-usual scenario ranged from 0.076 to −0.002 t/ha per year, decreasing from northern taiga zone to semidesert. A 5% increase in carbon input due to carbon-conservation technologies adoption can result in a twofold increase in carbon capture, and a 20% increase in carbon capture can result in a fivefold increase. A two-fold increase in the rate of C sequestration from the southern taiga with a maximum in the broad-leaved forests zone, followed by 1.5 times decrease or more in the steppe and dry-steppe zone was found with increasing carbon input to the soil. The FAO methodology determines, with a spatial resolution of 1 km, contour lines that have the highest and lowest potential for carbon stock changes when adopting sustainable soil management.

About the authors

V. A. Romanenkov

Lomonosov Moscow State University; Russian State Agrarian University – Moscow Timiryazev Agricultural Academy

Email: jlmesh@list.ru
Russia, Moscow; Russia, Moscow

Yu. L. Meshalkina

Lomonosov Moscow State University; Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: jlmesh@list.ru
Russia, Moscow; Russia, Moscow

A. Yu. Gorbacheva

Lomonosov Moscow State University

Email: jlmesh@list.ru
Russia, Moscow

V. A. Dobrovolskaya

Lomonosov Moscow State University

Email: jlmesh@list.ru
Russia, Moscow

A. N. Krenke

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Email: jlmesh@list.ru
Russia, Moscow

References

  1. Виноградова В.В., Глезер О.Б., Грачева Р.Г. и др. Воздействие изменения климата на человеческий потенциал, экономику и экосистемы: Докл. к XXIII Ясинской (Апрельской) междунар. науч. конф. по проблемам развития экономики и общества, Москва, 2022 г. Нац. исслед. ун-т “Высшая школа экономики”. М.: Изд. дом Высшей школы экономики, 2022. 76 с.
  2. Второй оценочный докл. Росгидромета об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. М.: Росгидромет, 2014. 60 с.
  3. Глушков И.В., Лупачик В., Прищепов А.В., Потапов П.В., Пукинская М.Ю., Ярошенко А.Ю., Журавлева И.В. Картирование заброшенных земель в восточной Европе с помощью спутниковых снимков Landsat и Google Earth Engine // Современная наука о растительности: Материалы науч. конф. (Москва, октябрь 2019). М., 2019. С. 35–37.
  4. 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. Почвенного ин-та имени В.В. Докучаева. 2021. Вып. 108. С. 175–218. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2021-108-175-218
  5. Иванов А.Л., Савин И.Ю., Столбовой В.С., Духанин Ю.А., Козлов Д.Н., Баматов И.М. Глобальный климат и почвенный покров – последствия для землепользования России // Бюл. Почвенного ин-та имени В.В. Докучаева. 2021. Вып. 107. С. 5–32. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2021-107-5-32
  6. Иванов А.Л., Столбовой В.С. Инициатива “4 промилле” – новый глобальный вызов для почв России // Бюл. Почвенного ин-та имени В.В. Докучаева. 2019. Вып. 98. С. 185–202. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2019-98-185-202
  7. Когут Б.М., Семенов В.М. Оценка насыщенности почвы органическим углеродом // Бюл. Почвенного ин-та имени В.В. Докучаева. 2020. Вып. 102. С. 103–124. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2020-102-103-124
  8. Кренке А.Н. Выявление инвариантных состояний агроландшафтов на основе иерархического факторного анализа дистанционной информации // Принципы экологии. 2020. № 3. С. 16–27. https://doi.org/10.15393/j1.art.2020.10942
  9. Романенков В.А. Динамика запасов почвенного углерода в агроценозах Европейской территории России (по данным длительных агрохимических опытов): Дисс. … д-ра биол. наук. М.: МГУ имени М.В. Ломоносова, 2011. 403 с.
  10. Романенков В.А., Романенко И.А., Рухович Д.И., Королева П.В., Сиротенко О.Д., Шевцова Л.К. Прогноз динамики запасов органического углерода пахотных земель Европейской территории России / ред. В.Г. Сычев. М.: ВНИИА, 2009. 95 с.
  11. Романовская А.А. Органический углерод в почвах залежных земель России // Почвоведение. 2006. № 1. С. 52–61.
  12. Романовская А.А. Оценка неопределенности инвентаризации выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве России // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. 2007. Т. XXI. С. 44–57.
  13. Россия в цифрах. 2020: Краткий стат. сб. / под ред. П.В. Малкова. M.: Росстат, 2020. 550 с.
  14. Третий оценочный докл. об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Общее резюме / общ. ред. И.А. Шумаков. СПб.: Наукоемкие технологии, 2022. 124 с.
  15. Урусевская И.С., Алябина И.О., Шоба С.А. Карта почвенно-экологического районирования Российской Федерации. М-б 1 : 8 000 000. Пояснительный текст и легенда к карте: Учеб. пособие / отв. ред. И.С. Урусевская. М.: МАКС Пресс, 2020. 100 с.
  16. Чернова О.В., Голозубов О.М., Алябина И.О., Щепащенко Д.Г. Комплексный подход к картографической оценке запасов органического углерода в почвах России // Почвоведение. 2021. № 3. С. 273–286. https://doi.org/10.31857/S0032180X21030047
  17. Alcamo J., Dronin N., Endejan M., Golubev G., Kirilenko A. A new assessment of climate change impacts on food production shortfalls and water availability in Russia // Global Environ. Change. 2007. Vol. 17. P. 429–444. https://doi.org/10.1016/j.gloenvcha.2006.12.006
  18. Amelung W., Bossio D., de Vries W., Kögel-Knabner I. et al. Towards a global-scale soil climate mitigation strategy // Nature Communications. 2020. Vol. 11. № 5427. P. 1–10. https://doi.org/10.1038/s41467-020-18887-7
  19. Chernova O.V., Ryzhova I.M., Podvezennaya M.A. Historical trends in the amount and structure of organic carbon stocks in natural and managed ecosystems in European Russia // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2020. Vol. 438. № 012005. https://doi.org/10.1088/1755-1315/438/1/012005
  20. Dankers R., Anisimov O., Falloon P., Gornall J., Reneva S., Wiltshire A. Climate impacts in Russia: changes in carbon storage and exchange. UK: Met Office Hadley Centre, 2010. 112 p.
  21. Falloon P., Smith P., Betts R., Jones C.D., Smith J., Hemming D., Challinor A. Carbon sequestration and greenhouse gas fluxes in cropland soils – climate opportunities and threats // Climate Change and Crops / S.N. Singh (Ed.). Berlin: Springer, 2009. Chapter 5. P. 81–111.
  22. Gottschalk P., Smith J.U., Wattenbach M. et al. How will organic carbon stocks in mineral soils evolve under future climate? Global projections using RothC for a range of climate change scenarios // Biogeosciences. 2012. Vol. 9. № 8. P. 3151–3171. https://doi.org/10.5194/bg-9-3151-2012
  23. Harden J.W., Hugelius G., Ahlstrom A. et al. Networking our science to characterize the state, vulnerabilities, and management opportunities of soil organic matter // Global Change Biology. 2018. Vol. 24. P. e705–e718. https://doi.org/10.1111/gcb.13896
  24. Harris I., Osborn T.J., Jones Ph., Lister D. Version 4 of the CRU TS monthly high-resolution gridded multivariate climate dataset // Scientific Data. 2020. № 7. P. 1–18. https://doi.org/10.1038/s41597-020-0453-3
  25. Herzfeld T., Heinke J., Rolinski S., Müller C. Soil organic carbon dynamics from agricultural management practices under climate change // Earth System Dynamics. 2021. Vol. 12. № 4. P. 1037–1055. https://doi.org/10.5194/esd-12-1037-2021
  26. Lieth H. Modeling the Primary Productivity of the World // Primary productivity of the biosphere. Ecological studies, analysis and synthesis / H. Lieth, R.H. Whittaker (Eds.). Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 1975. P. 237–263.
  27. Lugato E., Bampa F., Panagos P., Montanarella L., Jones A. Potential carbon sequestration of European arable soils estimated by modelling a comprehensive set of management practices // Global Change Biology. 2014. Vol. 20. № 11. P. 3557–3567. https://doi.org/10.1111/gcb.12551
  28. Masson-Delmotte V., Zhai P., Pirani A. et al. Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2021. 2338 p. https://doi.org/10.1017/9781009157896
  29. Minasny B., Malone B.P., McBratney A.B. et al. Soil carbon 4 per mille // Geoderma. 2017. Vol. 292. P. 59–86. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.01.002
  30. Paustian K., Collier S., Baldock J., Burgess R., Creque J. et al. Quantifying carbon for agricultural soil management: from the current status toward a global soil information system // Carbon Management. 2019. Vol. 10. № 6. P. 567–587. https://doi.org/10.1080/17583004.2019.1633231
  31. Paustian K., Larson E., Kent J., Marx E., Swan A. Soil C sequestration as a biological negative emission strategy // Front. Clim. 2019. Vol. 1. № 8. https://doi.org/10.3389/fclim.2019.00008
  32. Pinke Z., Decsi B., Jámbor A., Kardos M.K., Kern Z., Kozma Z., Ács T. Climate change and modernization drive structural realignments in European grain production // Scientific Reports. 2022. Vol. 12. № 7374. https://doi.org/10.1038/s41598-022-10670-6
  33. Poggio L., De Sousa L.M., Batjes N.H. et al. SoilGrids 2.0: producing soil information for the globe with quantified spatial uncertainty // Soil. 2021. Vol. 7. № 1. P. 217–240. https://doi.org/10.5194/soil-7-217-2021
  34. Romanenkov V., Belichenko M., Petrova A., Raskatova T., Jahn G., Krasilnikov P. Soil organic carbon dynamics in long-term experiments with mineral and organic fertilizers in Russia // Geoderma Regional. 2019. Vol. 17. № e00221. P. 1–10. https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2019.e00221
  35. Romanenkov V.A., Smith J.U., Smith P., Sirotenko O.D., Rukhovitch D.I., Romanenko I.A. Soil organic carbon dynamics of croplands in European Russia: estimates from the “model of humus balance” // Reg. Environ. Change. 2007. Vol. 7. P. 93–104. https://doi.org/10.1007/s10113-007-0031-7
  36. Smith J.O., Smith P., Wattenbach M. et al. Projected changes in mineral soil carbon of European croplands and grasslands, 1990–2080 // Global Change Biology. 2005. Vol. 11. № 12. P. 2141–2152. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2005.001075.x
  37. Technical specifications and country guidelines for Global Soil Organic Carbon Sequestration Potential Map (GSOCseq). Rome: FAO, 2020. 34 p.
  38. Watson R.T., Noble I.R., Bolin B. et al. Land use, land use change, and forestry. IPCC special report. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2000. 375 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (266KB)
Indexing metadata
3.

Download (289KB)
Indexing metadata
4.

Download (263KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 В.А. Романенков, Ю.Л. Мешалкина, А.Ю. Горбачева, В.А. Добровольская, А.Н. Кренке

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».