Influence of Mineral Fertilizers on Carbon Dioxide Emission in Spring Wheat Crops in the Forest-Steppe Zone of the Trans-Ural Region

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2024.139.112
Issue: № 1 (139), 2024
Suggested:
18.12.2023
Accepted:
19.01.2024
Published:
24.01.2024
111
2
XML
PDF

Abstract

Climate change is one of the most global problems of the modern world, affecting all aspects of life. Greenhouse gases are generally regarded as the main cause of climate change. The share of the agro-industrial complex in greenhouse gas emissions is about a quarter of the total. Modern agriculture uses a significant amount of mineral fertilizers to increase the productivity of arable land, this leads to disruption of the natural process of soil formation and affects the emission of carbon dioxide. The aim of the study is to determine the effect of mineral fertilizers on the dynamics of carbon dioxide emission in spring wheat crops. It was established that at the beginning of spring wheat development mineral fertilizers have no effect on carbon dioxide emission, the values vary from 37.4-41.4 kg CO2/ha*day. During the vegetation period, there is a significant increase in carbon dioxide production in the variants with fertilizer application. The maximum daily emission is observed on July 24 and ranges from 100.4 to 161.5 kg CO2/ha*day on fertilized variants, while on the control no more than 93.2 kg CO2/ha*day.

1. Введение

Одна из наиболее существенных проблем современного мира – это глобальное изменение климата, которое оказывают влияние на все стороны жизни, в том числе и на продовольственную безопасность населения

. Парниковые газы – основной источник изменения климата. По данным некоторых исследователей, Россия – за год выбрасывает около 1536,9 млн. тонн парниковых газов и занимает четвертое место мире. На долю сельского хозяйства приходится около 25% выбросов парниковых газов, при этом с АПК связывают до 45% глобальной эмиссии диоксида углерода и закиси азота
. В рамках решения этой проблемы в 2015 годы была разработана и утверждена на конвенции ООН в Париже концепция «4 промилле», по задумке которой для обеспечения снижения пагубного воздействия на климат антропогенных выбросов парниковых газов необходимо увеличивать поглощения углерода пахотными почвами. В 2021 году в законную силу вступил закон 2 июля 2021 года №296-ФЗ «Об ограничении выбросов парниковых газов», который предусматривает создание государственного учета выбросов парниковых газов и обязательные отчеты о выбросах для крупных организаций
,
.

Эмиссия углекислого газа в агроценозах зависит от различных факторов, начиная от видов возделываемых культур до способов обработки почвы и удобрений. Современное сельское хозяйство для получения стабильно высокого урожая культур использует минеральные удобрения, и как показывают исследования, различные дозы удобрений по-разному оказывают влияние на эмиссию диоксида углерода. Использование минеральных удобрений приводит к повышению эмиссии углекислого газа, из-за активизации почвенной микрофлоры. Однако использование высоких доз удобрений может привести к угнетению аборигенной микрофлоры и снизить продуцирование СО2

,
,
.

Цель исследования: установить влияние минеральных удобрений на динамику эмиссии углекислого газа в посевах яровой пшеницы.

2. Методы и принципы исследования

Опыт закладывали в лесостепной зоне Зауралья на черноземе выщелоченном. В зернопаровом севообороте, в который входили однолетние травы, яровая пшеница и овес. Обработка почвы традиционная для данной зоны. Осенью проводили вспашку на глубину 20-22 см навесным плугом. Весной боронили средними зубовыми боронами в два следа. Перед посевом врезали расчетные дозы минеральных удобрений, использовали аммиачную селитру и аммофос (СЗП-3,6). В дальнейшем культивировали на глубину 6-8 см и сразу сеяли (СЗМ-5,4) сорт Тюменская юбилейная с нормой высева 6,0 млн. семян на гектар, после проводили прикатывание кольчато-шпоровыми катками. Схема опыта предусматривала варианты с NPK на 3,0 т/га (N95P46); NPK на 4,0 т/га (N153P94); NPK на 5,0 т/га (N211P142) и NPK на 6,0 т/га (N270P190) т/га зерна яровой пшеницы. Контроль – естественное плодородие чернозема выщелоченного. Делянка опытная составляла 100 м2, учетная – 50 м2, повторение 4-х кратное. Учет эмиссии СО2 проводили каждые 10-16 суток с помощью инфракрасного газоанализатора AZ77535. Для этого перед замером с почвы срезали культурные растения с площади 0,25 м2, на это место устанавливали герметичные сосуды фиксированной площади и объема, закопанные на глубину 2 см. По истечению суток проводили замер СО2 через герметичный клапан, от полученных значений отнимали фоновое содержание углекислого газа в атмосфере. Далее методом перерасчета устанавливали продуцирование углекислого газа на гектар в сутки. Статистическую обработку данных проводили по Доспехову с использованием программного обеспечения Microsoft Excel.

3. Основные результаты

Эмиссия углекислого газа в начале развития яровой пшеницы составляет от 37,4 до 41,4 кг СО2/га*сутки. Минеральные удобрения в этот период не оказывают влияние на интенсивность почвенного дыхания (НСР05=4,3 кг СО2/га*сутки) (рис.1). В этот период (11 мая) отмечена высокая корреляция (0,74) между дозами минеральных удобрений и эмиссией углекислого газа, это позволило нам провести расчет и установить уравнение регрессии (рис.2). Установлено, что каждые внесенные перед посевом 100 кг/га минеральных удобрений в действующем веществе повышают эмиссию СО2 на 0,79 кг СО2/га*сутки.

К 25 мая внесенные перед посевом минеральные удобрения достаточно хорошо растворились и начинают оказывать стимулирующее действие на почвенную микрофлору, также повышение температуры почвы положительно сказывалось на усилении продуцирования диоксида углерода. На контроле эмиссия увеличилась на 62% относительно исходных измерений. Внесение минеральных удобрений на планируемую урожайность свыше 4,0 т/га зерна яровой пшеницы увеличивало интенсивность газообразных потерь углерода до 68,1-85,6 кг СО2/га*сутки.

Влияние минеральных удобрений на эмиссию СО2 в течение вегетации яровой пшеницы

Рисунок 1 - Влияние минеральных удобрений на эмиссию СО2 в течение вегетации яровой пшеницы

Высокая отмеченная корреляция (0,94) в этот период (25 мая) между дозами внесенных под посев яровой пшеницы минеральных удобрений и эмиссией СО2, что позволило вывести уравнение регрессии (рис.2) и установить, что каждые внесенные перед посевом 10 кг/га минеральных удобрений в действующем веществе повышают эмиссию СО2 на 0,58 кг СО2/га*сутки. Существенное повышение эмиссии углекислого газа в зависимости от доз минеральных удобрений относительно предыдущего периода времени может быть связано в первую очередь с растворением удобрений и повышением численности почвенной микробной массы, что подтверждается ранее проведенными исследованиями
. Также более развитой корневой системой растений на удобренных вариантах
. Это в последствии и будет оказывать наибольшее влияние на уровень эмиссии СО2.
Взаимосвязь доз минеральных удобрений и эмиссии СО2 в посевах яровой пшеницы в различные периоды времени

Рисунок 2 - Взаимосвязь доз минеральных удобрений и эмиссии СО2 в посевах яровой пшеницы в различные периоды времени

Измерения, которые были проведены 10 июня, позволили установить, что к этому периоду происходит увеличение продуцирования диоксида углерода на всех исследуемых вариантах на 12-18%, в сравнении значениями, полученными 25 мая. На варианте с естественным уровнем питания выделение углекислого газа из почвы не превышало 67,7 кг СО2/га*сутки. Внесение удобрений обеспечивало усиление эмиссии СО2 на 7-49% в зависимости от внесенных доз удобрений на планируемую урожайность. Это связано с тем, что внесенные ранее минеральные удобрения обеспечили большую численность почвенных микроорганизмов, а также более развитую корневую систему на удобренных вариантах
. В этот период также отмечалась высокая зависимость (0,96) между эмиссией СО2 и дозами минеральных удобрений. В результате расчетов было получено уравнение достоверное в диапазоне внесения доз минеральных удобрений до 460 кг/га. Исходя из которого установлено, что каждые 10 кг/га удобрений в действующем веществе повышают интенсивность выделение СО2 в посевах яровой пшеницы на 0,78 кг СО2/га*сутки.

Скорость дыхания почвы в посевах яровой пшеницы на контроле 11 июня относительно предыдущих значений не отличалась. Тогда как на вариантах с внесением удобрений эмиссия СО2 составляла от 88,9 до 141,8 кг СО2/га*сутки, что выше контроля на 27-103%. Это может быть связано с тем, что в этот период естественное плодородие чернозема выщелоченного не способно полностью обеспечить культурные растения необходимым количеством нитратного азота. В результате этого он находится в дефиците и активность почвенной биоты существенно снижается, это подтверждается исследованиями, проведенными на кафедре почвоведения и агрохимии ГАУ Северного Зауралья

. Внесение минеральных удобрений с посевом в полной мере компенсирует необходимое количество нитратного азота растениям, что приводит к увеличению численности аборигенной микрофлоры и как правило интенсивности продуцирования СО2. В исследованиях также прослеживается высокая зависимость между дозами минеральных удобрений и эмиссией СО2 (0,95). Разработанное уравнение регрессии, достоверное в диапазоне внесения удобрений до 460 кг/га, показывает, что каждые 10 кг/га удобрений внесенных перед посевом яровой пшеницы увеличивают эмиссию углекислого газа в этот период времени на 1,67 кг СО2/га*сутки.

На всех исследуемых вариантах к 10 июня интенсивность продуцирования углекислого газа повышается. На варианте с естественным плодородием эмиссия составила 83,7 кг СО2/га*сутки. На удобренных вариантах этот показатель был выше на 13,3-121,3 кг СО2/га*сутки. Значительное увеличение интенсивности дыхания в этот период на естественном фоне в сравнении с предыдущим, может быть связно с высокой скоростью накопления азота текущей нитрификации, в результате чего баланс азота между накоплением и расходом становиться положительным, что приводит к активизации почвенных микроорганизмов и интенсивности дыхания. В этот период времени прослеживается высокая зависимость между дозами минеральных удобрений и эмиссией СО2 (0,97). Разработанное уравнение показывает, что каждые 10 кг/га удобрений внесенных перед посевом яровой пшеницы увеличивают эмиссию углекислого газа в этот период времени на 1,80 кг СО2/га*сутки.

Эмиссия углекислого газа 24 июля была максимальной на весь изучаемый период и была выше предыдущих измерений на 0,9-11,3%, это объясняется наиболее благоприятным температурным режимом для почвенной биоты, а также наиболее активной корневой системой яровой пшеницы

. Корреляция между дозами минеральных удобрений и эмиссией СО2 в этот период была высокой и составляла 0,95. Разработанное уравнение (достоверное в диапазоне внесения минеральных удобрений от 0 до 460 кг/га) показывает, что в этот временной интервал каждые 10 кг/га минеральных удобрений увеличивают эмиссию углекислого газа на 1,54 кг СО2/га*сутки.

В дальнейшем скорость продуцирования углекислого газа снижается из-за понижения температуры как атмосферной, так и почвенной. В связи, с чем на естественном фоне интенсивность дыхания к 9 августа снижалось на 42% относительно максимальных значений. На удобренных вариантах снижение эмиссии было не настолько интенсивных и составляло 24,8-34,5%. В этот период по-прежнему отмечается высокая корреляция между продуцирование СО2 и дозами минеральных удобрений (0,97). Уравнение регрессии разработанное для данного периода времени показывает, что каждые 10 кг/га минеральных удобрений в действующем веществе увеличивают эмиссию СО2 на 1,20 кг/га в сутки.

К 24 августа уменьшалась интенсивность эмиссии углекислого газа до 41,9 кг СО2/га*сутки на контроле и до 73,2-105,8 кг СО2/га*сутки на удобренных вариантах. Высокая корреляция (0,96) доз удобрений и эмиссии СО2, позволила установить, что каждые внесенные в 10 кг/га удобрений в д.в. повышают интенсивность продуцирования углекислого газа на 1,0 кг/га в сутки.

Газообразные потери углерода 5 сентября на контроле составляли 35,1 кг СО2/га*сутки, что ниже предыдущих значений на 16%. На вариантах с внесением удобрений на планируемую урожайность 3,0-4,0 т/га зерна существенно не отличались от естественного фона. На высоком минеральном фоне NPK на 5,0 и 6,0 т/га зерна эмиссия была выше контроля на 37-67%.

Отсутствия отличия, в продуцировании диоксида углерода на вариантах с NPK на 3,0 и 4,0 т/га связана с тем, что на них удалось получить планируемую урожайность, в результате чего значительная часть питательных элементов была усвоена яровой пшеницей. На высоком агрофоне из-за не получения расчетной урожайности, неизрасходованные питательные вещества оказывали положительное действие на интенсивность дыхания почвенной биоты. Расчеты показали, что минеральные удобрения и эмиссия СО2 имеют сильную зависимость (0,85). Установлено, что внесение 10 кг/га минеральных удобрений в д.в. увеличивают продуцирование углекислого газа в этот период времени на 0,42 кг/га в сутки.

К середине сентября интенсивность эмиссии углекислого газа сократилась относительно предыдущих значений на 2,7-13,6%. Однако отмечалась такая же тенденция, как и при предыдущем измерении. Корреляция доз удобрений и эмиссии углекислого газа также высокая (0,90) как и в предыдущие разы. Уравнение регрессии показывает, что каждые 10 кг/га минеральных удобрений в д.в. увеличивает эмиссию СО2 на 0,41 кг СО2/га*сутки.

4 октября интенсивность эмиссии диоксида углерода на всех изучаемых вариантах уменьшилась на 27,1-34,3% относительно предыдущих измерений. Наиболее интенсивное снижение было отмечено на вариантах с естественным уровнем питания и с NPK на 3,0 и 4,0 т/га зерна, значения на которых уменьшились на 33,6-34,3 кг СО2/га*сутки. На вариантах с высоким уровнем питания в этот период продуцирование углекислого газа было выше контроля на 50-83%. В этот период отмечена высокая корреляция доз удобрений на эмиссию углерода (0,89). Разработанное уравнение позволило установить, что внесение 10 кг/га минеральных удобрений в д.в. повышает продуцирование диоксида углерода на 0,25 кг СО2/га*сутки.

Интенсивность эмиссии углекислого газа 17 октября сократилась более чем на 50%. На варианте с естественным плодородием газообразные потери составляли 9,3 кг СО2/га*сутки. На удобренных вариантах это показатель варьировал от 9,2 до 11,2 кг СО2/га*сутки. В исследовании отмечена высокая корреляция минеральных удобрений и эмиссии СО2 (0,85). Полученное уравнение регрессии показывает, что каждые внесенные 100 кг/га д.в. минеральных удобрений повышают продуцирование углекислого газа лишь на 0,42 кг СО2/га*сутки, что существенно ниже значений полученных ранее.

4. Заключение

Минеральные удобрения в течение развития яровой пшеницы оказывают существенное влияние на эмиссию углекислого газа в посевах яровой пшеницы. В начале развития яровой пшеницы удобрения не оказывают существенного влияния на скорость продуцирования углекислого газа, значения которого находятся в диапазоне от 37,4-41,4 кг СО2/га*сутки. В дальнейшем с растворением минеральных удобрений, развитием корневой системы и повышением температуры почвы, скорость эмиссии диоксида углерода повышается. Максимальная эмиссия СО2 в посевах яровой пшеницы приходится на 24 июля и достигает 93,2-161,5 кг СО2/га*сутки. Минимальные значения эмиссии углекислого газа отмечаются осенью в октябре – 9,3-11,2 кг СО2/га*сутки.

Article metrics

Views:111
Downloads:2
Views
Total:
Views:111