Моделирование эмиссии углекислого газа при обработке почвы

Полный текст

Введение

Технологии возделывания сельскохозяйственных культур связаны с обработкой почвы различными способами и техническими средствами, оказывающими определенное негативное влияние на окружающую среду. При обработке почвы движители машино-тракторных агрегатов создают значительное давление, из-за чего происходит переуплотнение поверхности поля, изменение в структурно-агрегатном состоянии почвы. Обработка почвы меняет ее биологические свойства (главным образом состав и численность микроорганизмов) и влияет на содержание в ней гумуса. Также обработка почвы оказывает существенное воздействие на выделение парниковых газов.

Необходимость обеспечения населения продуктами питания и получения продукции на экспорт вынуждает сельскохозяйственных производителей наращивать объемы производства. Это происходит за счет применения интенсивных технологий в растениеводстве и увеличения поголовья скота. Данные действия способствуют повышению антропогенного воздействия на окружающую среду. Использование химических удобрений и пестицидов с нарушением правил их применения наносит существенный вред природе и негативно сказывается на здоровье человека [1].

Для снижения негативного влияния технологических процессов и технических средств на окружающую среду необходимо контролировать текущее состояние и прогнозировать эмиссию климатически активных веществ, а на основании прогноза управлять процессами выбросов. Разработка высоко вероятностных моделей прогнозирования выбросов парниковых газов позволит создать эффективные технико-технологические решения по их снижению во время возделывания сельскохозяйственных культур.

Целью работы является моделирование эмиссии СО₂ при различных способах обработки почвы.

Обзор литературы

Глобальное изменение климата ученые связывают с увеличением поступления парниковых газов в атмосферу. Основным источником данного поступления считается деятельность человека, имеющая тенденцию к постоянному росту. Объемы выделения в атмосферу климатически активных веществ (КАВ) от агропромышленного комплекса Российской Федерации занимают третье место и составляют порядка 121,28 млн т CO₂-экв. (по состоянию на 2021 г.), что соответствует 5,6 % от общих выбросов [1]. Для сокращения поступления КАВ необходимо проведение работ по изучению факторов, влияющих на их возникновение применительно ко всем отраслям производства, включая растениеводство.

Одним из направлений в растениеводстве, ориентированным на снижение негативной нагрузки на окружающую среду, является возделывание растений в органическом земледелии. Это связано с запретом на использование минеральных удобрений и пестицидов. При этом особое внимание уделяется применению научно обоснованных севооборотов и приемам обработки почвы, способствующих сокращению количества эмиссии газов. Необходимо учитывать, что переход на органическое земледелие, в силу действующих ограничений на законодательном уровне, влечет снижение урожайности и увеличение себестоимости конечной продукции минимум на первоначальном этапе [1].

Актуальность проблемы, связанной с увеличением эффекта парниковых газов привлекла внимание ученых всего мира. В настоящее время имеется целый ряд исследований, посвященных данной проблеме. Экспериментально установлено, что на выбросы газов влияют водный и температурный режимы почвы, нормы вносимых удобрений, способы обработки почвы и сезонные колебания температуры [2; 3]. Мульчирование поверхности поля влияет на водный режим в почве, что способствует снижению выбросов парниковых газов [4]. Данный вариант может быть рассмотрен в качестве мер по снижению выбросов КАВ в растениеводстве. Минерализация растительных остатков происходит с участием микроорганизмов, скорость работы которых зависит от влияния факторов окружающей среды [5]. Установлено, что растительные остатки играют очень важную роль в сельском хозяйстве, поскольку они могут быть использованы как в качестве экологически безопасной стратегии управления отходами, так и в качестве средства повышения органического вещества в почве. Минерализация растительных остатков в почве требует соответствующих стратегий управления, которые поддерживают растениеводство и защищают качество поверхностных и грунтовых вод. При этом нехватка воды и выбросы CO₂ могут серьезно угрожать устойчивости сельского хозяйства [6]. Авторы данной работы считают, что интегрированная система может повысить урожайность и улучшить сбор воды, одновременно увеличивая потенциал поглощения углерода растениями.

Одной из важных задач обеспечения баланса потребления и выделения углекислого газа является поддержание здоровья почвы. Одним из возможных вариантов является мульчирование растительных остатков, которое способствует сохранению здоровья почвы и повышению продуктивности культур за счет умеренного влияния на температурный режим почвы и усиленного удержания влаги [7]. Мульчирование соломой способствует поддержанию сравнительно более высокого содержания влаги в почве (примерно на 2 %) и снижению температуры почвы (примерно на 1,72 °C) в период роста культуры. Одними из факторов, оказывающих влияние на эмиссию КАВ из почвы, являются варианты внесения навоза под различные культуры и способы обработки почвы. При проведении исследований влияния указанных факторов на пахотных темно-каштановых почвах наблюдались высокие значения выбросов парниковых газов [8]. Значения эмиссии СО₂ зависят от температуры почвы и воздуха, однако авторами [9] выявлено, что большее влияние оказывает влажность почвы, которая напрямую зависит от количества выпадающих осадков.

В растениеводстве, с точки зрения изучения величины выбросов КАВ в атмосферу, особое внимание необходимо уделять виду и дозам внесеных удобрений, а также способам обработки почвы. При сравнении воздействия на величину парникового эффекта применение удобрений оказывается выше, чем от проведения технологических операций обработки почвы [10]. Каждый из способов обработки почвы (отвальная вспашка, мелкая безотвальная обработка и т. д.) по-своему оказывает влияние на эмиссию азота из серых лесных среднесуглинистых почв. Вспашка с применением минеральных удобрений приводит к наиболее высокой эмиссии N₂O. В теплый период года эмиссия СО₂ может до 4,5 раз превышать эмиссию в холодный период¹. Концентрация СО₂ повышается с увеличением глубины участка. На глубине порядка 50 см наблюдается наибольшая концентрация. При этом содержание кислорода при увеличении глубины снижается [11].

Процессы, протекающие в почве и оказывающие влияние на выбросы, зависят не только от способов ее обработки, но и от возраста почвы. При разработке мер по снижению эмиссии КАВ в технологии производства продукции растениеводства необходимо учитывать погодные условия, особенно количество выпадающих осадков [12; 13]. Применение нулевой обработки почвы позволяет сократить на 7,6 % выделение парниковых газов с сохранением урожайности культуры, по сравнению с традиционной обработкой почвы. Помимо доз внесения удобрений на выбросы оказывают влияние физико-химические свойства почвы и соотношение C:N [14]. Ежегодное проведение отвальной обработки почвы способствует возникновению наибольшей эмиссии N₂O, по сравнению с другими видами обработки почвы [15]. В процессе вспашки происходит нарушение целостности пласта, что приводит к немедленному высвобождению CO₂ из почвы [16]. Пики потоков N₂O увеличиваются при отвальной обработке почвы в период с относительно теплыми и влажными погодными условиями [17; 18]. Сокращение интенсивности обработки почвы затрудняет переработку органического вещества микроорганизмами и снижает потери углерода и азота из почвы, а любое механическое вмешательство способствует ускорению минерализации азота, увеличивая его эмиссию [19]. При возделывании различных культур требуется применение различных доз и типов удобрений, а также приемов подготовки почвы, что по-разному сказывается на величину эмиссии парниковых газов². Обеспечение изоляции материала отвала от доступа кислорода при рекультивации почвы позволяет снизить поступление КАВ в атмосферу³. Обеспечение данного условия также может быть использовано как один из вариантов снижения эмиссии КАВ при обработке почвы.

Для реализации возможности определения объемов выбросов и прогнозирования КАВ необходимо создание моделей, полученных на основании многочисленных эмпирических данных, причем в различных регионах данные модели могут иметь различную адекватность. Авторы исследования [20] разработали модель для оценки эмиссии парниковых газов из органических почв как с природным растительным фоном, так и при возделывании продукции растениеводства. Модель позволяет учитывать поступление углерода в почву, связанное с разложением растительных остатков и органики почвы. Специфика выделения и поглощения газов растениями, особенности природно-климатических условий, суточные колебания эмиссии усложняют получение достоверных данных. Оценка эмиссии климатически активных веществ, проведенная только за период вегетации растений, может оказаться заниженной из-за того, что газ перераспределяется и скапливается в толще почвы [21].

Авторами для проведения данного исследования на первоначальном этапе была проведена классификация критериев экологической безопасности технических средств [22], обоснованы основные показатели оценки эффективности технологий в растениеводстве [23], на их основе получена математическая модель для прогнозирования эмиссии парниковых газов от уровня применяемых технологий [24]. В дальнейшем разработана методика оценки и прогнозирования негативного влияния машинно-тракторных агрегатов на окружающую среду, а также методика уровня выбросов парниковых газов при возделывании сельскохозяйственных культур [25; 26], которые являются сформированной базовой составляющей для моделирования процессов выделения КАВ в технологической системе обработки почвы.

Материалы и методы

Объектом исследований является технологический процесс обработки почвы отвальным, безотвальным и минимальным способами. Закономерности изменения потоков углекислого газа (СО₂) при различных способах обработки почвы на соответствующих им агрофонах являются предметом исследования.

При проведении настоящих исследований применялись методы математического моделирования, обобщения экспериментальных данных в процессе исследования эмиссии СО₂ в зависимости от вида обработки почвы.

Для проверки адекватности предлагаемой математической модели на агроэкологическом полигоне опытной станции ИАЭП – филиала ФГБНУ ФНАЦ ВИМ в 2024 г. были проведены измерения эмиссии СО₂ при различных способах обработки почвы. Измерения проводили на опытных делянках размером 120×80 м при следующих условиях: температура воздуха 24–26 °С; влажность почвы 18 %; скорость ветра 1–3 м/с; атмосферное давление 767 мм рт. ст.; тип почвы – дерново-подзолистая на карбонатном суглинке; наклон рельефа поля не более 2°.

До начала обработки твердость почвы в слое 0...10 см составляла 0,54 МПа; в слое 10...20 см – 0,73 МПа; в слое 20...30 см – 2,93 МПа.

На рисунках 1–3 представлено проведение отвальной, безотвальной и минимальной обработки почвы с соответствующими почвообрабатывающими орудиями при агрегатировании трактором МТЗ-82.1.

Измерение величины выбросов СО₂ из почвы при проведении различных операций выполняли, используя метод закрытых камер. Камера выполнена из элемента трубы с раструбом и заглушки (d = 160 мм), изготовленной из поливинилхлорида. Внутри камеры размещена измерительная часть серийно выпускаемого датчика CDD 24 HTL, позволяющая одновременно с СО₂ измерять температуру и влажность внутри камеры (рис. 4).

Рис. 1. Вспашка почвы агрегатом МТЗ-82.1+ПКМП-3-40Р

Fig. 1. Plowing the soil with the MTZ-82.1+PKMP-3-40R unit

Рис. 2.  Глубокое рыхление почвы агрегатом МТЗ-82.1+УКПА 2.4-2

Fig. 2. Chiseling the soil with the MTZ-82.1+UKPA 2.4-2 unit

Рис. 3. Культивация  агрегатом МТЗ-82.1+Kombi-3

Fig. 3. Cultivation with the MTZ-82.1+Kombi-3 unit

Рис. 4. Оборудование для измерения величины выбросов СО₂ из почвы

Fig. 4. Equipment for measuring the CO₂ emissions from soil

 

Источник: фотографии для рисунков 1–4 сделаны А. В. Добриновым при проведении эксперимента по измерению эмиссии СО₂ при различных способах обработки почвы (03.09.2024 г.).

Source: photographs for figures 1–4 were taken by the A. V. Dobrinov during an experiment to measure CO₂ emissions with using various soil cultivation methods on 03.09.2024.

 

Стандартную ошибку выборочного среднего значения массы выбросов СО₂ в эксперименте рассчитывали по формуле:

$S_{{\overline{M}}_{\text{ПГ}}}=\frac{{\sigma }_{M_{\text{ПГ}}}}{\sqrt{n}},$

где ${\sigma }_{M_{\text{ПГ}}}$ – среднее квадратическое отклонение массы СО₂, г·ч/га; n – объем выборки.

Ошибка выборочного среднего значения $S_{{\overline{M}}_{\text{ПГ}}}$  массы СО₂ варьировалась в пределах от 3,37 до 6,02 г·ч/га.

Полученные в процессе экспериментальных исследований опытные данные обрабатывались по стандартной методике системы Excel.

Результаты исследования

Выделение климатически активных веществ из почвы зависит от таких весомых факторов, как температура, влажность, степень биологической активности, способов обработки почвы, а также вида, нормы и приемов внесения удобрений.

Разрабатываемая математическая модель должна описывать формализированный процесс эмиссии КАВ из почвы, характерные его закономерности изменения и охватить влияние основных факторов, перечисленных выше, не затрагивая несущественные второстепенные показатели.

Для этого рассмотрим в качестве детерминированной функции f(x) характер эмиссии СО₂ из почвенного горизонта, установленный на основе экспериментальных данных в зависимости от времени начала и окончания технологического процесса обработки, температуры и влажности почвы. Аппроксимировав данные линейной функцией и разбив ее на три отрезка прямых (рис.5), получим:

где A₁, A₂, A₃ – постоянные величины, которые определяются по формулам:

B₁, B₂, B₃– угловые коэффициенты, которые определяются из выражений:

где x₀ – значение аргумента, соответствующее началу измерений эмиссии до обработки почвы; x₁–значение аргумента, соответствующее началу проведения технологической операции интенсивному выбросу из почвы; x₂ – значение аргумента, соответствующее окончанию интенсивного выброса из почвы;  x₃ – значение аргумента, соответствующее началу последующей технологической операции; CO₂e(x₀) – выбросы углекислого газа в начале измерений до обработки почвы, г·ч/га; CO₂e(x₁) – выбросы углекислого газа в начале проведения технологической операции, г·ч/га; CO₂e(x₂) – выбросы углекислого газа, соответствующие окончанию интенсивности от проведения операции, г·ч/га; CO₂e(x₃) –выбросы углекислого газа в начале последующей операции, г·ч/га.

Из выражения (1) и рисунка 5 видно, что выбросы СО₂ из почвы определяются линейной зависимостью, то есть Y = A + Bx. При нормальном законе распределения аргумента (времени начала и окончания процесса) имеем:

$\overline{Y}=A+B{m}_x.$

Таким образом, математическое ожидание (или среднее значение) выходного показателя, то есть выделение СО₂ из почвы совпадает с детерминированной функцией.

 

Рис. 5. Зависимости эмиссии СО₂ из почвы от времени проведения технологической операции

Fig. 5. Dependence of CO₂ emission from soil on the time of the technological operation

Источник: графики для рисунков 5, 6 составлены авторами статьи.
Source: the graphs for figures 5, 6 were compiled by the authors of the article.

Примечание: x₀...x₁ – участок, соответствующий выбросам СО₂ в период от начала измерений до начала обработки почвы; x₁…x₂ – участок, соответствующий выбросам СО₂ в период от начала обработки почвы до окончания их интенсивного выделения; x₂…x₃ – участок, соответствующий выбросам СО₂ в период от окончания их интенсивности до начала следующей обработки почвы.
Note: x₀…x₁ – interval corresponding to CO₂ emissions in the period from the beginning of measurements to the beginning of soil cultivation; x₁…x₂ – interval corresponding to CO₂ emissions during the period from the beginning of soil cultivation to the end of their intensive emission;  x₂…x₃ – interval corresponding to CO₂ emissions from the end of their intensity until the beginning of the next soil cultivation.

 

С учетом выражения (1) общее количество выбросов СО₂ с поля, где возделывается сельскохозяйственная культура, можно определить по формуле:

где A₁, A₂, A₃, B₁, B₂, B₃ – постоянные величины и угловые коэффициенты (2)–(7).

Необходимо отметить, что исходным материалом для определения постоянных величин A₁, A₂, A₃ и угловых коэффициентов B₁, B₂, B₃ служат случайные числа – CO₂e(x₀), CO₂e(x₁), CO₂e(x₂), CO₂e(x₃) и x₀, x₁, x₂, x₃, которые определяются экспериментальным путем для конкретных условий проведения технологических процессов.

В качестве примера произведем расчет эмиссии СО₂  по результатам полученных значений эмиссии СО₂ в процессе основной отвальной обработки почвы, проведенной на агроэкологическом полигоне опытной станции (рис. 1).

В результате расчета определены постоянные величины и угловые коэффициенты, соответствующие почвенно-рельефным и климатическим условиям исследований.

В результате расчета определены постоянные величины, г·ч/га: A₁ – 1 030,00; A₂ – 18 711,50; A₃ – 19 357,25. Также определены угловые коэффициенты, г/га: B₁ – 2 057,00; B₂ – 4 510,50; B₃ – 1 036,25, соответствующие почвенно-рельефным и климатическим условиям проведения исследований.

Наличие математической модели (8) позволяет спрогнозировать эмиссию и по другим способам обработки почвы с учетом интервалов времени до и после выполнения процесса.

В результате расчета эмиссии СО₂ по конкретным периодам во время вспашки почвы пахотным агрегатом МТЗ-82.1+ПКМП-3-40Р получены следующие значения: эмиссия СО₂ до начала обработки почвы (в течение 5 ч) – 11,3 кг/га; эмиссия СО₂ от начала обработки почвы до окончания его интенсивного выделения (в течение 7 ч) – 61,6 кг/га; эмиссия СО₂ от окончания его интенсивности до начала следующей обработки почвы (в течение 11 ч) – 92,3 кг/га.

Таким образом, для рассматриваемого технологического процесса в конкретных условиях его выполнения эмиссия СО₂ варьирует в пределах от 11 315 до 92 356 г с 1 га площади (или от 1,13 до 9,23 г с 1 м²) в течение 11 ч перед началом вспашки до начала последующей технологической операции.

На основе полученных значений была построена зависимость усредненной суммарной эмиссии СО₂ от продолжительности технологического процесса основной отвальной обработки почвы пахотным агрегатом (рис.6).

 

 

Рис. 6. Зависимость усредненной суммарной эмиссии СО₂ от продолжительности технологического процесса основной обработки почвы пахотным агрегатом МТЗ-82.1+ПКМП-3-40Р

Fig. 6. Dependence of the average total CO₂ emission on the duration of the technological process of primary soil cultivation by the plowing unit MTZ-82.1+PKMP-3-40R

 

Представленная закономерность для конкретных условий функционирования процесса вспашки пахотным агрегатом МТЗ-82.1+ПКМП-3-40Р описывается эмпирическим выражением:

${\mathrm{CO}}_{2}e=-\mathrm{390,58}{t}^2+12\mathrm{791,06}t-1\mathrm{085,48.}$

Аналогичным образом на основании данных характеристики почвы, ее температуры, влажности, степени биологической активности, уровня минерального питания и временных составляющих технологического процесса с помощью разработанной модели можно определить и спрогнозировать выделение КАВ, в частности СО₂, для процессов глубокого безотвального рыхления и мелкой поверхностной обработки почвы.

Обсуждение и заключение

Разработана математическая модель для определения и прогнозирования выбросов углекислого газа при различных способах обработки почвы и приведен пример расчета эмиссии СО₂ от вспашки. Предложенная модель позволяет описать закономерность выделения газа за весь период проведения отдельной технологической операции.

Для повышения точности вычислений требуются дополнительные экспериментальные исследования по уточнению значений постоянных величин, угловых коэффициентов предложенной модели для различных способов обработки почвы с учетом почвенно-рельефных и климатических условий конкретной зоны возделывания сельскохозяйственных культур. Полученные значения должны быть учтены и структурированы в определенную базу данных о потоках СО₂ при производстве сельскохозяйственной продукции растениеводства.

Для решения проблемы прогнозирования выбросов климатически активных веществ от технологий возделывания сельскохозяйственных культур на основе предложенной модели необходимо разработать обобщенную математическую модель с учетом временных, почвенных и погодных условий региона. Обобщенная математическая модель должна обеспечить с высокой вероятностью прогнозирование суммарной эмиссии климатически активных веществ от начала полевых работ до уборки урожая.

 

 

¹ Павлик С. В. Оценка эмиссии парниковых газов из сельскохозяйственных почв при использовании различных агротехнологий : автореф. дис. ... канд. биол. наук. СПб., 2012. 26 с.

² Карашаева А. С. Оценка размеров эмиссии парниковых газов при выращивании сельскохозяйственных культур // Развитие современной аграрной науки: актуальные вопросы, достижения и инновации : Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. памяти заслуженного деятеля науки РСФСР, д-ра сельскохозяйственных наук, проф. П. Г. Лучкова (8 февраля 2024 г., г. Нальчик). Нальчик : Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет имени В. М. Кокова, 2024. С. 92–98. https://elibrary.ru/hgvyhh

³ Рекультивированные отвалы как депонирующая среда актуального и отложенного углеродного следа / П. П. Кречетов [и др.] // Почвы и окружающая среда : Всеросс. науч. конф. с междунар. участием, посвящ. 55-летию Института почвоведения и агрохимии СО РАН (2 – 6 октября 2023 г., г. Новосибирск). Новосибирск : Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт почвоведения и агрохимии Сибирского отделения РАН, 2023. С. 543–548. https://elibrary.ru/yzfupm

 

Об авторах

Нозим Исмоилович Джабборов

Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства – филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ

Email: nozimjon-59@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8910-2625
ResearcherId: А-7780-2019

доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник отдела агроэкологии в растениеводстве

Россия, 196634, г. Санкт-Петербург, п. Тярлево, Фильтровское ш., д. 3

Александр Владимирович Добринов

Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства – филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.v.dobrinov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3242-1235
ResearcherId: ААС-9655-2020

кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник отдела агроэкологии в растениеводстве

Россия, 196634, г. Санкт-Петербург, п. Тярлево, Фильтровское ш., д. 3

Алексей Петрович Мишанов

Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства – филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ

Email: amishanov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9838-5508

старший научный сотрудник отдела агроэкологии в растениеводстве

Россия, 196634, г. Санкт-Петербург, п. Тярлево, Фильтровское ш., д. 3

Анатолий Петрович Савельев

Национальный исследовательский Мордовский государственный университет

Email: tbsap52@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0361-0827
ResearcherId: AAB-2078-2021

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры безопасности жизнедеятельности

 

Россия, 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68

Список литературы

Дополнительные файлы