Введение. Среди основных рисков, оказывающих влияние на мировое сельское хозяйство, особое место занимают глобальные климатические изменения. Проблеме оценке влияния изменения климата на сельское хозяйство России посвящено большое количество исследований [1, 2, 3]. В частности, на основании анализа многолетних агрометеорологических данных, было установлено, что среднегодовая температура воздуха в РФ выросла с 1966 по 2020 гг. на 1,69 °С, что привело к увеличению повторяемости опасных метеорологических явлений, в том числе и засух [4]. На территории Татарстана в XXI веке, среднегодовой рост температуры воздуха составил 0,49 ºС, но при этом количество осадков в период вегетации упало на 10%, что свидетельствует об усилении засушливости климата [5].
По мнению ряда ученых [6, 7, 8], в большинстве случаев, основной причиной климатических изменений выделяется деятельность человека, в том числе и в области сельского хозяйства [9]. При этом, основным механизмом антропогенного влияния на климат планеты является выделение в атмосферу парниковых газов (ПГ), важнейшими из которых являются CO2, CH4 и N2O [10]. На глобальную продовольственную систему приходится порядка 21–37% ежегодных выбросов парниковых газов. Так, на сельскохозяйственную деятельность приходится около половины всех антропогенных выбросов метана и около трех четвертей антропогенных выбросов N2O [11]. В Российской Федерации объемы выбросов парниковых газов, обусловленных деятельностью сельскохозяйственного производства, за период 2015-2019 гг. составили, в среднем 112,2 млн. т СО2 экв [12].
Один из инструментов, позволяющих всесторонне оценить экологические последствия производства сельскохозяйственной продукции является оценка жизненного цикла (life cycle assessment - LCA) [13]. Углеродный след (CF) используется для оценки объемов выбросов парниковых газов (ПГ), связанных с различными экономическими процессами и продуктами [14]. Его определяют как баланс выбросов ПГ за весь жизненный цикл продукта или процесса его производства. Определение величины углеродного следа при производстве продукции растениеводства получило широкое распространение за рубежом. В частности, в условиях Египта углеродный след для пшеницы составил 0,239, а для кукурузы 0,307 кг CO2 экв на 1 кг урожая зерна [15]. В Финляндии аналогичные показатели для овса оценивались в 0,570 кг CO2 экв., для ячменя в 0,570 кг CO2-экв., для пшеницы – 0,590 кг CO2 экв. и для ржи в 0,87 кг CO2 экв. на 1 кг зерна [16]. В Китае кукуруза имела самый низкий углеродный след – 0,48 кг CO2 экв., пшеница – 0,75 кг CO2 экв., а рис имел самый высокий углеродный след – порядка 1,60 кг CO2 экв. на единицу урожая [17]. Для расчета углеродного следа при производстве продукции растениеводства разработаны соответствующие калькуляторы [18, 19].
Одним из наиболее интересных направлений, связанных с разработкой приемов по снижению углеродного следа при возделывании сельскохозяйственных культур является создание сортов с минимальными его значениями. Так, детальный анализ, проведенный в Германии, показал, что за более чем три десятилетия, селекционный прогресс привел к значительному сокращению углеродного следа при производстве пшеницы и ржи. Стремительно растущие урожаи компенсировали увеличивающиеся выбросы парниковых газов на единицу площади, а создание сортов с более низким углеродным следом представляет собой одну из мер по смягчению последствий изменения климата в сельскохозяйственном секторе [20]. Именно поэтому, существует необходимость в оценке генотипов (сортов, гибридов) с точки зрения углеродного следа, особенно с точки зрения их использования в системе карбонового (углеродного) земледелия.
Условия, материалы и методы исследований. Расчеты велись для трех парниковых газов (ПГ) двуокиси углерода (CO2), метана (CH4) и закиси азота (N2O) с коэффициентами конвертации – 1, 34 и 298 в CO2 эквивалент (CO2) [10]. Исследование охватывает выбросы парниковых газов в течение всего жизненного цикла (в системных границах «от начала до конца») в соответствии со стандартом DIN EN ISO 14040, который обобщает все соответствующие соотношения и коэффициенты выбросов (EF) для всех потоков ПГ [21]. При этом учитываются выбросы при производстве ресурсов (топливо, оборудование, семена, удобрения, пестициды) и выбросы на поле (выбросы от сгорания топлива при обработке почвы, посеве, внесении удобрения, защите растений и уборке урожая), а также прямые и косвенные выбросы N2O согласно методологии The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
Данные по урожайности приводились к стандартной влажности – 14%. В результате определяются два показателя:
1. общие выбросы ПГ на гектар (GHGL; кг CO2 экв. га–1)
2. углеродный след на единицу продукции (CFP; кг CO2 экв. на кг -1) [51], который рассчитывается по следующей формуле:
CFP = GHGL/У, (1)
где CFP – углеродный след на единицу продукции, кг CO2 экв. на кг -1 продукции;
GHGL – суммарный выброс ПГ на 1 га, кг CO2 экв. га–1.
У – урожайность, кг/га.
Для расчетов использовали следующие коэффициенты, широко применяемые в мире для расчета углеродного следа [18, 22]:
– для дизельного топлива энергоемкость 36,3 МДж л-1 и выбросы парниковых газов 98,48 г CO2 МДж-1, т.е. в среднем при сгорании одного литра дизельного топлива выделяется 0,78 кг CO2 экв;
– выбросы ПГ при производстве удобрений: для азота – 2,9 кг экв. CO2 кг-1, для фосфора – 0,71 кг CO2 экв. кг-1, для калия – 0,46 кг CO2 экв. кг-1 . Выбросы N2O- от внесения азотных удобрений в почву была рассчитаны с использованием коэффициента IPCC, исходя из того, что 2,55% от внесенных в почву азотных удобрений превращается в N2O;
– выбросы, связанные с производством пестицидов в среднем оцениваются в 17,3 кг CO2 экв. кг-1. Для биопестицидов аналогичные значения составляли 3,9 СО2 экв. на 1 кг.
– также прямые и косвенные выбросы N2O, связанные с минерализацией растительных остатков, согласно методологии IPCC, в среднем для зерновых культур составляют 4,68 кг CO2 экв. кг-1 N (с учетом особенностей накопления азота различными культурами). Для более точного расчета выбросов закиси азота от поступления растительных остатков в почву использовалась следующая формула:
Прямые выбросы N2O = (У * R *D*DN)*0,0125*(44/28), (2)
где У – урожайность, кг/га;
R – отношение растительных остатков к массе растениеводческой продукции;
D – доля сухого вещества в культуре;
DN – доля азота в культуре.
Для оценки связывания СО2 в почве, учитывался баланс поступления сухого органического вещества (СОВ).
Полевые опыты с яровой пшеницей проводились в 2022 году на опытных полях Казанского ГАУ. Выращивались следующие сорта яровой мягкой пшеницы: Архат; Екатерина. 3. Злата. 4. Иделле. 5. Йолдыз. 6. Казанская юбилейная; 7. Маргарита; Симбирцит; Тулайсковская 108; Тулайсковская надежда. Ульяновская 105; Уралосибирская 2; Хаят; Черноземноуральская 2; Экада 109; Экада 113; Экада 66; Экада 70; Эстер.
Агротехнология возделывания всех сортов одинаковая. Посев проводился 15 мая 2022 года с нормой высева – 5,0 млн. в.с. на 1 га. Обработка почвы – безотвальная (почвоуглубление ПГП-7). Предшественник – озимые зерновые.
Согласно технологической карте, расход материальных ресурсов представлен в таблице 1.
Кроме выбросов парниковых газов, связанных с производством и применением материальных ресурсов, при расчете углеродного следа, учитываются прямые и косвенные выбросы N2O, связанные с минерализацией растительных остатков.
Таблица 1 – Расход ресурсов и выбросы парниковых газов (ПГ) при возделывании яровой пшеницы, 2022 г
|
Вид ресурса |
Фактически использовались |
Расход ресурса на 1 га, кг (л) |
Коэффициент перевода в выбросы парниковых газов, кг CO2 экв. |
Суммарные выбросы ПГ, кг CO2 экв. /га |
|
Топливо |
Дизельное топливо |
41,55 л |
98,48 г CO2 МДж-1 |
150,8 |
|
Удобрения (производство) |
Азофоска (N16 Р16К16) |
150,0 кг |
2,9 кг для N , для фосфора – 0,71 кг, для калия – 0,46 кг |
98,4 |
|
Аммиачная селитра (N 34,4) |
100,0 кг |
2,9 кг для N |
99,8 |
|
|
Пестициды (гербициды) |
Балерина супер + Ластик Экстра |
0,4+0,8 л/га |
17,3 |
20,8 |
|
Удобрения (эмиссия закиси азота) |
N50,4 |
50,4 |
7,6 |
383,0 |
|
Семена |
Семена |
250 |
0,5 |
125 |
|
Итого: |
|
|
|
877,8 |
Анализ и обсуждение результатов исследований. Результаты оценки урожайности и выбросов парниковых газов для различных сортов яровой пшеницы приведены в таблице 2.
В условиях 2022 года урожайность различных сортов яровой пшеницы колебалась в широком диапазоне (от 2,64 т/га у сорта Тулайковская 108 до 4,75 т/га у сорта Ульяновская 105), в среднем по всем сортам достигнув уровня 3,76 т/га. При этом коэффициент вариации показателя был на уровне 14,75% (средняя вариабельность), что связано с благоприятными погодными условиями для формирования урожая культуры. В тоже время, выход растительных остатков у разных сортов сильно колебался (от 4,54 т/га у сорта Тулайковская 108 до 11,48 т/га у сорта Иделле), причем величина коэффициента вариации достигла уровня 23,83% (значительная вариабельность). Величина отношения растительных остатков/ продукция (коэффициент R) в среднем для яровой пшеницы равна 1,3, тогда как в опытах в среднем она достигла уровня 1,77, что связано с благоприятными условиями для нарастания биомассы растений в условиях 2022 года. При этом у ряда сортов показатель близок к расчетному (у сорта Хаят коэффициент R =1,32, у сорта Экада 66 R =1,50), у других различает почти в 1,5-2 раза (у сорта Иделле R =2,44, у сорта Злата R =2,22, у сорта Тулайковская надежда R =2,25). В целом, коэффициент вариации показателя был на уровне 15,2%. С учетом различия поступления растительной массы почвы, суммарные выбросы ПГ от минерализации растительных остатков и выделения закиси азота колебались от 632,63 (у сорта Тулайковская 108) до 1600,00 (у сорта Иделле) кг CO2 экв /га.
Таблица 2 – Урожайность и выбросы парниковых газов, связанные с минерализацией растительных остатков различных сортов яровой пшеницы, 2022 г
|
Сорт |
Урожайность, т/га |
Выход растительных остатков, т/га* |
Отношение растительных остатков/ продукция, R |
Суммарные выбросы ПГ, кг CO2 экв /га |
|
Архат |
3,97 |
6,35 |
1,60 |
884,85 |
|
Екатерина |
3,02 |
5,25 |
1,74 |
731,19 |
|
Злата |
3,31 |
7,33 |
2,22 |
1020,68 |
|
Иделле |
4,70 |
11,48 |
2,44 |
1600,00 |
|
Йолдыз |
3,85 |
7,20 |
1,87 |
1002,37 |
|
Казанская юбилейная |
4,18 |
6,76 |
1,62 |
942,27 |
|
Маргарита |
3,22 |
4,98 |
1,55 |
693,63 |
|
Симбирцит |
3,67 |
6,53 |
1,78 |
909,74 |
|
Тулайсковская 108 |
2,64 |
4,54 |
1,72 |
632,63 |
|
Тулайсковская надежда |
3,57 |
8,04 |
2,25 |
1120,36 |
|
Ульяновская 105 |
4,75 |
8,29 |
1,75 |
1155,32 |
|
Уралосибирская 2 |
4,49 |
7,63 |
1,70 |
1062,46 |
|
Хаят |
4,08 |
5,38 |
1,32 |
749,86 |
|
Черноземноуральская 2 |
4,03 |
7,24 |
1,80 |
1008,39 |
|
Экада 109 |
3,82 |
6,72 |
1,76 |
936,84 |
|
Экада 113 |
3,80 |
6,79 |
1,79 |
946,16 |
|
Экада 66 |
3,33 |
4,98 |
1,50 |
693,46 |
|
Экада 70 |
3,53 |
5,96 |
1,69 |
829,80 |
|
Эстер |
3,39 |
5,47 |
1,61 |
762,44 |
|
Среднее |
3,76 |
6,68 |
1,77 |
930,66 |
|
Коэффициент вариации, % |
14,75 |
23,83 |
15,20 |
23,84 |
Примечание: * – выход растительных остатков определялся на основании взвешивания во время уборки урожая
С учетом полученных данных по выбросу парниковых газов, был рассчитан показатель углеродного следа на единицу урожая (CFP) яровой пшеницы (табл. 3).
Результаты оценки величины CFP показал, что в среднем он составил порядка 0,49 кг CO2 экв. на кг -1, причем коэффициент вариации был равен 9,99%, что свидетельствует о слабой вариабельности. При этом, при сравнении показателей табл. 2 и 3, видно, что именно величина CFP является наиболее стабильной. В целом, величины CFP в опытах были на одном уровне, с показателями полученными в других странах [15, 16, 17]. Вместе с тем, среди изучаемых сортов можно выделить сорта с минимальными значениями CFP – Хаят (0,40 кг CO2 экв. на кг -1), Ульяновская 105 и Уралосибирская 2 (0,43 кг CO2 экв. на кг -1). У большинства других сортов показатели были близки к средним значениям, причем показатель коэффициента вариации признака был на уровне 9,99%, что говорит о слабой вариабельности.
Таблица 3 – Углеродный след на единицу продукции (CFP), кг CO2 экв. на кг -1 продукции сортов яровой пшеницы, 2022 г
|
Сорт |
Урожайность, т/га |
Общие выбросы ПГ на гектар (GHGL) кг CO2 экв. га–1 |
CFP, кг CO2 экв. на кг -1 |
|
Архат |
3,97 |
1762,65 |
0,44 |
|
Екатерина |
3,02 |
1608,99 |
0,53 |
|
Злата |
3,31 |
1898,48 |
0,57 |
|
Иделле |
4,70 |
2477,80 |
0,53 |
|
Йолдыз |
3,85 |
1880,17 |
0,49 |
|
Казанская юбилейная |
4,18 |
1820,07 |
0,44 |
|
Маргарита |
3,22 |
1571,43 |
0,49 |
|
Симбирцит |
3,67 |
1787,54 |
0,49 |
|
Тулайсковская 108 |
2,64 |
1510,43 |
0,57 |
|
Тулайсковская надежда |
3,57 |
1998,16 |
0,56 |
|
Ульяновская 105 |
4,75 |
2033,12 |
0,43 |
|
Уралосибирская 2 |
4,49 |
1940,26 |
0,43 |
|
Хаят |
4,08 |
1627,66 |
0,40 |
|
Черноземноуральская 2 |
4,03 |
1886,19 |
0,47 |
|
Экада 109 |
3,82 |
1814,64 |
0,47 |
|
Экада 113 |
3,80 |
1823,96 |
0,48 |
|
Экада 66 |
3,33 |
1571,26 |
0,47 |
|
Экада 70 |
3,53 |
1707,60 |
0,48 |
|
Эстер |
3,39 |
1640,24 |
0,48 |
|
Среднее |
3,76 |
1808,46 |
0,49 |
|
Коэффициент вариации, % |
14,75 |
12,27 |
9,99 |
Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что использование показателя углеродного следа на единицу продукции (CFP) может стать одним из методов оценки селекционного материала, в том числе пригодности сортов для углеродного земледелия.
Результаты расчетов поступления сухого органического вещества (СОВ) в почву и объемов связанных в ней ПГ у различных сортов яровой пшеницы представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Баланс поступления СОВ в почву для различных сортов яровой пшеницы, 2022 г
|
Сорт |
Урожайность, т/га |
Вынос СОВ с урожаем, т/га |
Поступление с корневыми и пожнивными остатками, т/га |
Поступление с соломой и половой, т/га |
Баланс, т/га |
Связано в почве кг CO2 экв. на 1 га |
|
Архат |
3,97 |
3,45 |
1,49 |
2,64 |
0,68 |
1213,0 |
|
Екатерина |
3,02 |
2,63 |
1,03 |
2,18 |
0,58 |
1034,6 |
|
Злата |
3,31 |
2,88 |
1,13 |
3,05 |
1,30 |
2319,0 |
|
Иделле |
4,70 |
4,09 |
1,60 |
4,78 |
2,29 |
4085,0 |
|
Йолдыз |
3,85 |
3,35 |
1,31 |
3,00 |
0,96 |
1712,5 |
|
Казанская юбилейная |
4,18 |
3,64 |
1,42 |
2,81 |
0,59 |
1052,5 |
|
Маргарита |
3,22 |
2,80 |
1,09 |
2,07 |
0,36 |
642,2 |
|
Симбирцит |
3,67 |
3,19 |
1,25 |
2,72 |
0,78 |
1391,4 |
|
Тулайсковская 108 |
2,64 |
2,29 |
0,90 |
1,89 |
0,5 |
891,9 |
|
Тулайсковская надежда |
3,57 |
3,11 |
1,21 |
3,34 |
1,44 |
2568,7 |
|
Ульяновская 105 |
4,75 |
4,13 |
1,62 |
3,45 |
0,94 |
1676,8 |
|
Уралосибирская 2 |
4,49 |
3,91 |
1,53 |
3,17 |
0,79 |
1409,2 |
|
Хаят |
4,08 |
3,55 |
1,39 |
2,24 |
0,08 |
142,7 |
|
Черноземноуральская 2 |
4,03 |
3,50 |
1,37 |
3,01 |
0,88 |
1569,8 |
|
Экада 109 |
3,82 |
3,32 |
1,30 |
2,80 |
0,78 |
1391,4 |
|
Экада 113 |
3,80 |
3,31 |
1,29 |
2,82 |
0,8 |
1427,1 |
|
Экада 66 |
3,33 |
2,89 |
1,13 |
2,07 |
0,31 |
553,0 |
|
Экада 70 |
3,53 |
3,07 |
1,20 |
2,48 |
0,61 |
1088,1 |
|
Эстер |
3,39 |
2,95 |
1,15 |
2,28 |
0,48 |
856,2 |
|
Среднее |
|
|
|
|
0,80 |
1422,37 |
Как видно из данных таблицы 4, в условиях 2022 года, у большинства сортов яровой пшеницы отмечался небольшой положительный баланс поступления СОВ в почву. Однако величина такого баланса у разных сортов была различна. Так, если в среднем для всех сортов баланс был на уровне +0,80 т/га, то для сорта Иделле он составил +2,29 т/га, для сорта Тулайковская надежда + 1,44 т/га и у сорта Злата + 1,30 т/га. У данных сортах отмечались и максимальные значения накопления в почве ПГ (кг CO2 экв. на 1 га).
Для оценки пригодности сортов для углеродного земледелия определялся баланс прихода и выделения ПГ (табл. 5).
Таблица 5 – Баланс ПГ при возделывании различных сортов яровой пшеницы, кг CO2 экв. на 1 га, 2022 г
|
Сорт |
Связано в почве кг CO2 экв. на 1 га |
Общие выбросы ПГ на гектар (GHGL) кг CO2 экв. на га |
Баланс ПГ, кг CO2 экв. на га |
|
Архат |
1213,0 |
1762,65 |
-549,65 |
|
Екатерина |
1034,6 |
1608,99 |
-574,39 |
|
Злата |
2319,0 |
1898,48 |
420,52 |
|
Иделле |
4085,0 |
2477,80 |
1607,2 |
|
Йолдыз |
1712,5 |
1880,17 |
-167,67 |
|
Казанская юбилейная |
1052,5 |
1820,07 |
-767,57 |
|
Маргарита |
642,2 |
1571,43 |
-929,23 |
|
Симбирцит |
1391,4 |
1787,54 |
-396,14 |
|
Тулайсковская 108 |
891,9 |
1510,43 |
-618,53 |
|
Тулайсковская надежда |
2568,7 |
1998,16 |
570,54 |
|
Ульяновская 105 |
1676,8 |
2033,12 |
-356,32 |
|
Уралосибирская 2 |
1409,2 |
1940,26 |
-531,06 |
|
Хаят |
142,7 |
1627,66 |
-1484,96 |
|
Черноземноуральская 2 |
1569,8 |
1886,19 |
-316,39 |
|
Экада 109 |
1391,4 |
1814,64 |
-423,24 |
|
Экада 113 |
1427,1 |
1823,96 |
-396,86 |
|
Экада 66 |
553,0 |
1571,26 |
-1018,26 |
|
Экада 70 |
1088,1 |
1707,60 |
-619,5 |
|
Эстер |
856,2 |
1640,24 |
-784,04 |
|
Среднее |
|
|
-386,08 |
Для большинства сортов яровой пшеницы, баланс ПГ складывался отрицательным (в среднем -386,08 кг CO2 экв. на га). Однако для сорта Иделле данный показатель был положительным (+1607,2 кг CO2 экв. на га). Также положительными показатели были у сортов Тулайковская надежда (570,54 кг CO2 экв. на га) и Злата (420,52 кг CO2 экв. на га).
Выводы. Проведенные исследования показали, что оценка углеродного следа и баланса парниковых газов при производстве яровой пшеницы может стать одним из методов оценки генотипов культуры, в том числе и с точки зрения их использования в карбоновом (углеродном) земледелии.
Полевые опыты, проведенные в 2022 году показали, что с точки зрения пригодности для углеродного земледелия, из 19 сортов яровой пшеницы, преимущество имели три – Иделле, Тулайковская надежда и Злата
Работа выполнена в рамках реализации проекта «Разработка элементов углеродного земледелия в условиях растущих климатических рисков».



