Динамика запасов почвенного углерода в агроценозах Европейской территории России : по данным длительных агрохимических опытов Романенков, Владимир Аркадьевич

Введение к работе

Актуальность и основания для исследования

Глобальный вызов XXI века - сохранение устойчивости функционирования и стабильности агроэкосистем. В современных условиях при усилении требований экологизации и биологизации земледелия для оценки оптимальности используемой агротехнологий и способности агроценозов к устойчивому функционированию в пространстве и во времени при изменяющихся условиях среды требуется не столько оценка состояния агроэкосистем, сколько динамики их основных показателей. Влияние глобальных изменений климата на мировое сельское хозяйство оценивается в настоящее время главным образом по реакции урожайности важнейших продовольственных культур. Проблема же экологической устойчивости земледелия, связанная с изменениями плодородия почв, углеродного баланса агроэкосистем как одного из основных его составляющих и его взаимосвязь с динамикой урожайности остается в значительной степени открытой. Корректный прогноз агрогенной эволюции пахотных почв сталкивается с рядом методических проблем, наиболее важными из которых являются необходимость пространственно-распределенного прогнозирования для разработки адаптационных и ресурсосберегающих приемов в агроландшафтах и эффективности их использования, в том числе с учетом нестационарности климата.

Перспективным направлением изучения взаимосвязей «почва - урожайность - климат» в агроценозе является разработка и использование адекватных математических моделей на материале стационарных полевых опытов с удобрениями. Их применение дает возможность использовать в полной мере достижения современных компьютерных технологий, Интернет-ресурсов и для проведения агрохимических расчётов, предполагающих решение вопросов оптимизации и устойчивости сельскохозяйственного производства, соблюдения требований охраны окружающей среды и рационального использования систем земледелия - основных задач мониторинга почв земель сельскохозяйственного назначения.

Основной целью диссертационной работы является изучение эволюции агроценозов на основе длительных наблюдений в полевых многолетних опытах и использования комплекса математических моделей, описывающих систему погода-почва-растение-удобрение.

Задачи исследования включали:

1. Разработка серии статистических и динамических моделей динамики С нарастающей степени сложности с учетом агрохимических, экологических и погодных показателей и решение задач прогностического и ретроспективного моделирования на их основе

2. Изучение многолетней динамики продуктивности агроценозов и плодородия почв при применении различных систем удобрения в длительных полевых опытах с возможностью его адаптации для математических моделей различной степени сложности

3. Совмещение климатических, почвенно-агрохимических и агротехнических показателей для оценок устойчивости функционирования агроэкосистем

4. Использование моделей динамики почвенного углерода в многолетних полевых опытах для целей прогнозирования.

Научная новизна

2. Предложен способ оценки стабильности во времени почвенного плодородия и продуктивности растений в агроценозах. Изучена роль контролируемых и случайных факторов, определяющих уровень продуктивности сельскохозяйственных угодий в связи с особенностями применяемых систем удобрения.

3. Разработана новая система обобщения данных длительных полевых опытов Геосети с удобрениями, позволяющая использовать для интерпретации многолетних полевых опытов широкий спектр современных математических моделей. На их основе возможна оценка продуктивности агроэкосистем различной интенсивности и её влияние на динамику углерода почвы. Система обеспечивает получение прогнозных расчетов направленности эволюции пахотных почв и возможность управления почвенным плодородием на основе применения систем удобрения в севооборотах.

4. Создана электронная система, позволяющая прогнозировать динамику запасов органического углерода агроэкосистем и разрабатывать системы применения удобрений с учетом почвенно-климатических ресурсов Европейской территории России. Система дифференцирована в соответствии с природно-сельскохозяйственным районированием, административным делением, типами почв и их свойствами. Постановка и решение подобных задач осуществлены ранее в ведущих странах мира и впервые реализована в России.

5. Получены региональные оценки запасов углерода в пахотных как в современных, так и в будущих климатических условиях с одновременным учетом взаимосвязей между изменениями климата, плодородия почв и интенсивности сельскохозяйственного производства. Верификация и идентификация динамических моделей продуктивности агроэкосистем и плодородия дерново-подзолистых почв на основе анализа результатов длительных опытов дает возможность кардинального обновления планирования и проведения полевых опытов, а также обобщения результатов мониторинга почв в регулировании плодородия агроландшафтов. Практическая значимость и реализация результатов Предлагаемые в работе подходы позволяют:

   1. Проводить раздельный анализ влияния погоды и систем удобрения как факторов, лимитирующих урожайность длительных полевых опытов.

   2. Идентифицировать, объяснять и отображать влияние процессов, определяющих изменчивость запасов почвенного углерода, разделять влияние естественных и антропогенных факторов почвообразования на его динамику.

   3. Обеспечить возможность интерполяции точечной информации данных длительных опытов Геосети для решения пространственных задач различного масштаба, что дает возможность кардинального обновить методологии проведения исследований и обобщения результатов в оценке действия удобрений и регулирования плодородия почв агроландшафтов.

   4. Проводить прогнозные расчеты до 2050 г. с учётом различных климатических сценариев Межгосударственной экспертной комиссии по изменению климата (IPCC) для широкого диапазона изменения доз минеральных и органических удобрений, различных севооборотов и вариантов опытов.

   Результаты проведенных исследований использованы Минсельхозом РФ для разработки методов мониторинга биоклиматического потенциала и технологии управления продукционным потенциалом агроландшафтов в условиях изменяющегося климата (2007, 2008) в ФЦП "Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006 - 2010 годы», в работах по методическому обеспечению и информационной поддержке реализации национального проекта "Развитие АПК". Материалы диссертации включены в экономическую модель ВИАПИ им.А.А.Никонова для разработки региональных системы земледелия, используются совместно с ВНИИСХМ Росгидромета и Почвенным институтом им. В.В. Докучаева, а также включены в ряд коллективных монографий, включая «Глобальные проявления изменений климата в агропромышленной сфере» (2005) и «Глобальные изменения и прогноз рисков в сельском хозяйстве» (2009) Россельхозакадемии.

   Материалы работы использовалась для разработки «Стратегического прогноза изменений климата Российской Федерации и их влияния на отрасли экономики России» (2005), «Оценочного доклада об изменении климата и их последствий на территории Российской Федерации» (2008) в разделах влияния на сельское хозяйство ожидаемых и наблюдаемых изменений климата, а также при подготовке материалов по международному отчету России в рамках Киот- ского протокола «Об очевидном прогрессе в выполнении обязательств Российской Федерации по Киотскому протоколу» (2006) и четвертого доклада III рабочей группы IPCC (2007) в разделе «Сельское хозяйство» (диссертант входит в состав российских экспертов IPCC).

   Материалы диссертации используются в чтении курса лекций "Математическое моделирование в экологии" кафедры физики почв факультета Почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова.

   Основные защищаемые положения

   1. К защите представлена концепция оценки устойчивого функционирования агроценозов, базирующаяся на следующих положениях:

   6. Эффективность агрохимических приемов управления углеродным режимом агроценозов

   7. Оценка возможности поддержания бездефицитного баланса органического вещества почвы

   8. Уровень реализации потенциала продуктивности при оптимизации минерального питания растений

   Оценка многолетней стабильности урожаев с учетом одновременного изменения погодных условий и уровня окультуренности за счет внесения агрохимических средств

   Оценка и прогнозирование изменения запасов почвенного углерода по результатам длительных опытов с удобрениями Геосети требуют проведения исследований не менее 15-20 лет при постоянных агротехнологиях без модификаций. Наблюдения в течение данного периода позволяют оценить возможность обеспечения заданной урожайности в зависимости от динамики эффективного плодородия почвы. Прогноз реализуется на основе совместного использования динамических моделей продуктивности и органического вещества почвы.

   Адаптации агротехнологий (севооборот, системы удобрения и др.) в ответ на наблюдаемые и ожидаемые изменения климата разного временного масштаба на ЕТР наиболее перспективны в Нечерноземной зоне при условии периодической корректировки адаптивных стратегий во времени. Рост урожайности сельскохозяйственных культур позволяет на 30-40% компенсировать как современные, так и ожидаемые в будущем потери углерода пахотными почвами.

   Возделывание яровых зерновых культур в условиях Нечерноземной зоны с использованием естественного плодородия почвы обеспечивает реализацию 25-55% потенциала их продуктивности. В условиях оптимального питания растений, помимо роста продуктивности возможно последовательное снижение рисков низких урожаев более чем вдвое. Эффективное управление прибавками урожая и окупаемостью удобрений требует учета оценок варьирования урожайности, связанного совместным изменением окультуренности почвы и погодных условий.

   Апробация работы

   Результаты исследования ежегодно докладывались на заседаниях Ученого Совета ВИУА и ВНИИА им. Д.Н.Прянишникова, а также Всероссийских и региональных конференциях Географической сети опытов с удобрениями в 2001-2010 гг.

   Материалы, вошедшие в диссертацию, были представлены автором лично и в соавторстве на международной научно-практической конференции «Современные проблемы опытного дела» (Санкт-Петербург, 2000), школе-семинаре "Масштабные эффекты при исследовании почв" (Москва, 2001), Всероссийской конференции «"Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям" (Москва, 2002), международном симпозиуме "Исследования в области питательных веществ и окружающей среды. Значение длительных полевых опытов" (Галле, Германия, 2002), международной научной конференции "Земледелие на рубеже XXI века" (Москва, 2001), международной научно-практической конференции "Агрофизика XXI века" (Санкт-Петербург, 2002), 17 международном конгрессе почвоведов (Бангкок, Таиланд, 2002), Четвертом международном Санкт-Петербургском коллоквиуме "Организация, реализация и механизация полевых экспериментов" (Пушкин, 2002), Международной конференции «Практические решения по оптимизации содержания С и N в пахотных почвах» (Прага, 2003), Всемирной конференции по изменению климата (Москва, 2003), третьей международной научно-практической конференции «Машинные технологии производства продукции в системе точного земледелия и животноводства» (Москва, 2004), Международной конференции «Eurosoil 2004» (Фрайбург, Германия,

   8. 1. , Российской национальной конференции по исследованиям в рамках Международной программы «Человеческое измерение и окружающая среда» (Звенигород, 2004), конференции « Биосферные функции почвенного покрова» (Пущи- но, 2005), Международном совещании по почвенному моделированию «Почвенные процессы - измерение, неопределенность, моделирование» (Абердин, Шотландия, 2005), симпозиуме «Методы исследований органического вещества почв» (Владимир, 2005), международной научной конференции «Оптимизация сельскохозяйственного производства: теория и практика» (Елгава, Латвия, 2005), 5 Европейской конференции по экологическому моделированию (Пущино,

      2. , всероссийской конференции «Экспериментальная информация в почвоведении: теория и пути стандартизации» (Москва, 2005), 14 Международном конгрессе по удобрениям «Удобрения и их применение на службе безопасности и качества продовольствия, защите и охране окружающей среды» (Чианг Май, Таиланд, 2006), IV Международной рабочей встрече "Практические способы управления содержанием C и N в сельцом хозяйстве" (Прага, Чехия, 2007), 5 Международном конгрессе Европейского общества консервации почв (Палермо, Италия, 2007), международной рабочей встрече «Глобальная сеть длительных полевых опытов по изучению почв, экосистем и пространственно-временной динамики» (Дарем, США, 2007), научной конференции «Ориентированные фундаментальные исследования и их реализация в АПК России» (Санкт-Петербург, 2008), международной школе молодых ученых и специалистов «Перспективные технологии для современного сельскохозяйственного производства» (Москва,

         1. , V съезде Всероссийского общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов-на-Дону, 2008), международной конференции «Eurosoil 2008» (Вена, Австрия, 2008), на круглом столе по представлению оценочного доклада об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации (Москва,

         2. , национальной конференции с международным участием «Математическое моделирование в экологии» (Пущино, 2009), международной конференции «Удобрения и сельское хозяйство» (Москва. 2009), всероссийской научной конференции «Методическое обеспечение мониторинга земель сельскохозяйственного назначения» (Москва, 2009), 2 научно-практической конференции «Агрометеорологическое обеспечение устойчивого развития сельского хозяйства в условиях глобального изменения климата» (Обнинск, 2009), а также на совместном заседании кафедр агрохимии и физики почв факультета Почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова в 2009 и 2010 гг.

         Организация исследований и личный вклад соискателя

         Автору принадлежит формулировка цели работы, постановка задач и программы исследований, теоретических положений, анализ моделей и полученных результатов, литературных и отчетных материалов, и выводов работы. Автор принимал непосредственное участие в планировании и постановке численных экспериментов, анализе данных, обсуждении и публикации результатов.

         Работа выполнена диссертантом в лаборатории Геосети опытов ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова (до 2003 г. - лаборатории систем удобрения и плодородия почв ВИУА им. Д.Н.Прянишникова) в 1991-2006 гг. в рамках выполнения задания 05.01 «Научные основы оптимизации питания растений и фитоса- нитарного состояния посевов в ландшафтном земледелии» Программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению АПК. Отдельные разделы работы выполнены в рамках международной программы Глобальные изменения и наземные экосистемы (GCTE) "Европейская электронная сеть по органическому веществу почвы"(1998-2000). Диссертант являлся координатором программы в СНГ, руководил двусторонним грантом Royal Society «Моделирование устойчивости почв сельскохозяйственных экосистем Центральной России» (1999-2001), программ Коперникус - грант IC15-CT98-0101 "Низкозатратное земледелие и устойчивость почв в Восточной Европе"(1998-2001), ИНТАС - грант 2001-116 "Моделирование потока органического углерода в почвах Европейской части бывшего Советского Союза" (2002-2005), выполнил пилотный проект «Комплексная оценка эффективности адаптации агроэкосистем к изменениям климата Европейской территории России на основе интеграции с европейскими моделями» (FP6-2003-Global-2 Proposal 003944, AGRIDEMA) (2005-2006).

         Диссертант также являлся руководителем инициативного проекта гранта РФФИ «Разработка прогнозно-нормативной базы технологий ведения устойчивого земледелия на основе учета взаимосвязей «почва - урожайность - климат» (2007-2009 гг.), а также исполнителем по ряду проектов РФФИ, включая «Исследование влияния наблюдаемых и моделируемых изменений климата на протяжении XX-XXI-го столетий на водно-тепловой режим, углеродный цикл и продуктивность био(агро) сферы и оценка адаптационного потенциала аграрного производства и системы землепользования России» и «Исследование влияния наблюдаемых и прогнозируемых в ХХ1-ом столетии изменений климата на биоклиматический потенциал и продуктивность сельского хозяйства Калужской области с учетом возможной адаптации», проведённых совместно с ВНИИ сельскохозяйственной метеорологии.

         В основу работы положено формирование электронной базы данных, созданной под руководством и при непосредственном участии диссертанта. Часть баз данных была создана в ходе научного сотрудничества с ВНИПТИОУ (С.М. Лукин), Пермским НИИСХ (Т.Е.Завьялова). Обработка и анализ материалов данной базы, а также полевых исследований в длительных опытах выполнены лично автором, а также аспирантами и дипломниками ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, в том числе Т.В. Раскатовой, Г. Веттерауэр под руководством автора.

         Создание серии физико-статистических и динамических моделей осуществлено ВНИИСХМ Росгидромета (руководитель О.Д. Сиротенко) в ходе совместной работы, кроме этого, использован ряд международных моделей, свободный доступ к которым разрешен для научных исследований, а также переданные лаборатории в ходе совместных работ Ротамстедской опытной станцией (IACR-Rothamsted) в рамках указанных выше грантов, как программа RothC- 26.3. Базовой ГИС-программой являлась ArcView GIS 3.2. Необходимая почвенная информация для исследований предоставлена Почвенным институтом им. В.В. Докучаева, экономическая - ВИАПИ им. А.А. Никонова, сценарии глобальных изменений климата, рассчитанные по модели HadCM3 - Европейским центром Тиндалл (Великобритания), в ходе совместных исследований. Автор принимал непосредственное участие в верификации и необходимой настройке моделей органического вещества почвы совместно с сотрудниками Ро- тамстедской опытной станции (IACR-Rothamsted, Харпенден, Великобритания), Абердинского университета (Абердин, Великобритания) и Центра по исследованию окружающей среды (UFZ, Галле, Германия) по данным длительных опытов Геосети.

         Полученные материалы по всем направлениям сотрудничества отражены в совместных научных публикациях в отечественной и зарубежной литературе.

         Публикации по теме диссертации

         Основное содержание диссертации и защищаемые положения отражены в 94 публикациях, среди которых: 6 коллективных монографий, 28 статей в рецензируемых научных журналах (из которых 15- в изданиях ВАК, рекомендуемых для публикации результатов диссертационных работ, 13 - в иностранных изданиях), 25 статей - в сборниках и специальных выпусках, 34 работы - в сборниках тезисов российских и международных конференций и симпозиумов.

         Структура и объем диссертации

         Похожие диссертации на Динамика запасов почвенного углерода в агроценозах Европейской территории России : по данным длительных агрохимических опытов

         

         Опыт и перспективы искусственного восстановления дубрав в средней полосе РоссииКотуранов Денис Леонидович

         

         Пространственные закономерности динамики влажности комплекса серых лесных почв в условиях многолетнего опытаПерекрестова Наталья Анатольевна

         

         Влияние водной эрозии на динамику запасов гумуса в почве и урожайность сельскохозяйственных культур на чернозёмах Центрального ЧерноземьяПрущик Анастасия Викторовна

         

         Динамика запасов продуктивной влаги черноземов южных в полевых севооборотах засушливой степи Оренбургского ПредуральяНасыров Дмитрий Камилович

         

         Динамика средних запасов древостоев Северо-Запада и ее причины (На примере Ленинградской, Новгородской и Псковской областей) Марков Максим Владимирович

         Запасы углерода в фитомассе естественных сосняков Северной Евразии и их географический анализПетелина, Ольга Александровна

         Оценка запасов углерода в фитомассе березняков Северной Евразии и их географияФилиппов Алексей Валерьевич

         

         Запасы углерода в насаждениях некоторых экотонов и на лесопокрытых площадях Уральского региона Богословская Ольга Анатольевна

         

         Оценка запасов углерода в фитомассе березняков Северной Евразии и их географияФилиппов Алексей Валерьевич

         

         Запас и потоки углерода, связанные с крупными древесными остатками в лесных биогеоценозах средней и северной тайгиКузнецов, Антон Александрович