Агроекологічна оцінка колообігу карбону на посівах енергетичних культур в умовах лісостепу України

Abstract

Боротьба зі зміною клімату і запобігання зміні клімату – це система заходів, спрямована на скорочення викидів парникових газів і стримування процесу зростання середньої глобальної температури атмосфери Землі. Перелік таких заходів визначено міжнародними угодами – Рамковою конвенцією ООН про зміну клімату, Кіотським протоколом до неї, Паризькою кліматичною угодою, а на національному рівні – Концепцією реалізації державної політики у сфері зміни клімату на період до 2030 року. Використання біоенергетичних культур таких як Міскантус гігантский (Miscanthus × giganteus), та Просо прутоподібне (Panicum virgatum L) є привабливою альтернативою відновлюваним джерелам традиційного викопного палива, що здатне компенсувати зростаючий попит на енергоносії, та одночасно пом’якшити наслідки енергетичної кризи, такі як кліматичні зміни та емісія парникових газів. Указані культури також розглядаються як екологічно чисте рішення для вирощування їх на забруднених, маргінальних та малопродуктивних сільськогосподарських ґрунтах. Біомаса як відновлюване джерело енергії набуває дедалі більшого поширення у світі для скорочення емісії парникових газів. Серед екологічних впливів біоенергетичних культур на навколишнє середовище особливий інтерес мають зміни запасів органічного вуглецю, оскільки вони пов’язані з емісією вуглекислого газу та з його депонуванням. Останнім часом оцінка емісії СО2 з ґрунтів є особливо актуальною, оскільки тісно залежить від прогресуючого глобального потепління. У зв’язку з цим актуальним є дослідження емісійно-депонувального потенціалу карбону енергетичних культур Міскантус гігантский (Miscanthus × giganteus), та Просо прутоподібне (Panicum virgatum L), який обумовлений довгостроковим вирощуванням цих культур, а також їх впливом на відновлення екосистемних функціями ґрунту. У зв’язку з цим важливо оцінити особливості емісії діоксиду карбону з поверхні ґрунтів під час довготривалого вирощування енергетичних культур, а також з’ясувати роль екологічної якості органічної речовини ґрунту як субстрату процесу мінералізації. Мета роботи – встановити закономірності функціонування багаторічних систем біоенергетичних культур Міскантусу гігантского (Miscanthus × giganteus) та Проса прутоподібного (Panicum virgatum L) як факторів депонування вуглецю в ґрунті. Для реалізації зазначеної мети виконані такі завдання: встановлені еколого-кліматичні особливості за яких функціонують багаторічні системи біоенергетичних культур; оцінені роль культури, глибини шару ґрунту, року та віку вегетації у варіюванні емісії оксиду вуглецю ґрунтом та депонування карбону в ґрунті; визначені закономірності варіювання емісії оксиду вуглецю та депонування вуглецю в насадженнях енергетичних культур; оцінена роль кліматичних чинників у варіюванні емісії оксиду вуглецю та у депонуванні вуглецю в ґрунті; встановлені закономірності формування продуктивності насаджень енергетичних культур; оцінено стійкість динаміки систем біоенергетичних культур. Об’єктом дослідження є функціонування енергетичних культур Міскантусу гігантского (Miscanthus × giganteus) та Проса прутоподібного (Panicum virgatum L) як фактор депонування вуглецю в ґрунті. Предметом вивчення є агроекологічні закономірності формування продуктивності енергетичних культур, а також емісії оксиду вуглецю та депонування вуглецю в ґрунті. В роботі застосовувались наступні методи дослідження. Теоретичного аналізу – для узагальнення результатів наукових досліджень закордонних та вітчизняних в науковців відповідно до мети та об’єкту досліджень. Стаціонарного польового досліду та визначення основних ґрунтових та агрохімічних показників, у тому числі емісії СО2 та депонування органічного вуглецю. Дисперсійний аналіз (множинний дисперсійний аналіз, множинні лінійні моделі) – для оцінки ступеня впливу кожного із досліджуваних факторів на емісійно-депонувальні процеси карбону, кореляційно-регресійного аналізу – для перевірки гіпотез про статистичні властивості причинно-наслідкових екологічних зв’язків; математично-статистичний та математичного моделювання – для оцінки достовірності одержаних результатів, виявлення кореляційних зв’язків, оцінки балансу концентрації СО2 та секвестрації Сорг в ґрунті. У результаті дослідження одержані результати, які характеризуються науковою новизною. Уперше встановлені кількісні характеристики емісії оксиду вуглецю у залежності від агроекологічних режимів у насадженнях біоенергетичних культур місакнтусу та свічграсу. Оцінена взаємодія агроекологічних факторів у впливі на емісію оксиду вуглецю та депонування вуглецю в ґрунті. Обґрунтоване значення насаджень енергетичних культур як фактору депонування вуглецю в ґрунті. Удосконалено процедуру в порівняльного аналізу внеску різних факторів у варіювання емісії оксиду вуглецю та депонування вуглецю в ґрунті, спосіб визначення інтенсивності дихання ґрунту, спосіб визначення біологічної активності ґрунту. Набула подальшого розвитку теорія стійкості екологічних систем. Результати досліджень формують теоретичну основу для розрахунку і обліку балансу парникових газів Національним центром обліку викидів парникових газів в Україні, під час проведення інвентаризації викидів парникових газів пов’язаних зі зміною землекористування. Також рекомендовано під час висвітлення кліматичних питань під час державного планування та при виконанні стратегічної екологічної оцінки відповідно до Закону України «Про стратегічну екологічну оцінку». Одержані результати переконливо вказують, що насадження енергетичних культур на маргінальних землях виконують екосистемні сервіси, які зводяться не тільки для вирішення енергетичних проблем, але є важливим інструментом депонування оксиду вуглецю в ґрунті. Створення енергетичних культур є одним з шляхів вирішення проблеми зростання концентрації оксиду вуглецю в атмосфері, який є найбільш придатним в промислових регіонах України з високою площею маргінальних земель. У роботі встановлено, що середня річна температура за період досліджень варіювала в межах від 9,3 до 10,8˚С. Сумарна кількість опадів за рік варіювала у діапазоні від 402.9 до 798.9 мм. Випадіння максимальної кількості опадів протягом року є дуже нерівномірним та малоповторюваним рік від року. За період досліджень декади без опадів спостерігалися 10.6 % часу. Погодні умови були близькими до оптимального значення для енергетичних культур за гідротермічним коефіцієнтом у 2016, у 2018 та у 2020 роках (ГТК близький до 1). Дефіцит вологи спостерігався у 2017 та у 2019 роках. Доведено, що культура, глибина шару ґрунту, рік та вік вегетації визначають 95 % варіювання емісії оксиду вуглецю ґрунтом, 60 % варіювання депонування карбону в ґрунті. Культура є статистично вірогідним предиктором екологічних процесів та здатна пояснити 49.0 % варіювання швидкості емісії оксиду вуглецю, 8.5 % варіювання депонування карбону в ґрунті. Ґрунт під сіножаттю характеризується найменшим рівнем емісії оксиду вуглецю (74.70±0.90 мг/кг/год) та найменшим рівнем депонування вуглецю (1.87±0.017 %). Під насадженням світчграсу емісія оксиду вуглецю зростає на 83.3 % порівняно з контролем, а під міскантусом зростає на 113.3 % порівняно з контролем. Під світчграсом депонування карбону в ґрунті зростає на 7.1 % порівняно з контролем, а під міскантусом зростає на 15.4 % порівняно з контролем. Одержані підтвердження того, що міжрічне варіювання інтенсивності емісії оксиду вуглецю обумовлене температурним режимом різних років. Зростання середньої річної температури викликає загальне збільшення емісії оксиду вуглецю ґрунтом під усіма типами рослинного покриву. Найчутливішою до міжрічного коливання температурного режиму є емісія оксиду вуглецю під насадженнями міскантусу, дещо менш чутливою є емісія з насаджень світчграсу. Цілинний покрив є найбільш резистентним до варіювання кліматичних умов. Емісія оксиду вуглецю зростає з віком вегетаційного покриву, що може бути пояснене накопиченням біомаси в ґрунті більш старих за віком плантацій. Найбільше з віком зростає емісія оксиду вуглецю під насадженнями міскантусу. Патерни зміни вмісту вуглецю в ґрунті, які пов’язані з астрономічним роком, не залежать від вегетаційного віку. Вміст вуглецю в ґрунті зростає разом з віком вегетації плантацій міскантусу. Показано, що глибина шару ґрунту здатна пояснити 26.7 % варіювання інтенсивності емісії оксиду вуглецю та є найбільш значним фактором, який здатний пояснити 53.4 % варіювання депонування карбону. Зі зростанням глибини інтенсивність емісії оксиду вуглецю знижається. Відмінності в інтенсивності емісії оксиду вуглецю між шарами ґрунту можна пояснити температурним градієнтом, змінами доступності кисню та вмісту органічної речовини. Відмінності між шарами ґрунту за емісійною здатністю зростають з віком насаджень та є найбільш вираженими для насаджень міскантусу, а найменш вираженими для сіножаті. Показано, що насадження світчграсу перевищує контрольну продуктивність у 14.2 рази, а міскантус – у 18.9 разів. Відповідно, міскантус є більш продуктивним за світчграсу в 1.3 рази. Культура, рік та вік вегетації визначають 60 % варіювання надземної продукції енергетичних культур. Відмінності у фітомасі між роками, які становлять загальний тренд для усіх типів рослинного покриву, визначаються особливостями забезпечення водними ресурсами кожного року. Чутливим предиктором міжрічних відмінностей є швидкість зростання кумулятивних опадів у процесі активної вегетації рослин в період з квітня по кінець червеня. З віком рослинного угруповання його фітомаса зростає. Характер відгуку енергетичних культур на вплив факторів середовища є подібним між різними культурами. Вперше встановлено, що динаміка змін у часі емісії оксиду вуглецю, вмісту в ґрунті вуглецю та надземної фітомаси визначається поточним станом системи. Система, яка сформована на сіножаті, має рівноважний стан який не є стійким. Причиною відсутності стійкості є слабкі ендогенні механізми регуляції емісії оксиду вуглецю в екосистемі даного типу. Система, яка формується в насадженнях світчграсу та міскантусу, має стаціонарний стан, який є стійким та реактивним. Показано, що головним механізмом підтримання стійкості системи світчграсу та міскантусу є стабілізуючий вплив емісії оксиду вуглецю та надземної фітомаси на депонування вуглецю в ґрунті. Стійкий прогнозований рівень депонованого вуглецю є більшим, ніж спостережуваний, що вказує на стійку тенденцію до зростання депонування вуглецю під насадженнями світчграсу та міскантусу. Combating and preventing climate change is a system of measures aimed at reducing greenhouse gas emissions and curbing the growth of the average global temperature of the Earth's atmosphere. The list of such measures is defined by international agreements - the UN Framework Convention on Climate Change, the Kyoto Protocol to it, the Paris Climate Agreement, and at the national level - the Concept of state policy implementation in the field of climate change for the period up to 2030. The use of bioenergy crops such as Miscanthus × giganteus, and Millet (Panicum virgatum L) is an attractive alternative to renewable sources of traditional fossil fuels can offset the growing demand for energy while mitigating the effects of the energy crisis, such as climate change and greenhouse gas emissions. These crops are also seen as an environmentally friendly solution for growing them on polluted, marginal and unproductive agricultural soils. Biomass as a renewable energy source is becoming increasingly common around the world to reduce greenhouse gas emissions. Among the environmental impacts of bioenergy crops on the environment, changes in organic carbon stocks are of particular interest because they are related to carbon dioxide emission and deposition. Recently, the assessment of CO2 emissions from soils is of particular relevance, as it is closely dependent on progressing global warming. Biomass as a renewable energy source is becoming increasingly common worldwide to reduce greenhouse gas emissions. Among the environmental impacts of bioenergy crops on the environment, changes in organic carbon stocks are of particular interest because they are related to carbon dioxide emissions and deposition. The aim of the work is to establish the regularities of functioning of perennial systems of bioenergy crops Miscanthus giganteus (Miscanthus × giganteus) and Millet (Panicum virgatum L) as factors of carbon deposition in soil. For realization of the specified purpose the following problems are executed: ecological and climatic features in which perennial systems of bioenergetic cultures function are established; the role of a crop, depth of a layer of soil, year and age of vegetation in variation of carbon oxide emission by soil and carbon deposit in soil are estimated; regularities of variation of carbon oxide emission and carbon deposit in plantations of energy crops are determined; the role of climatic factors in variation of carbon oxide emission and in deposit of carbon. The object of the study is the functioning of energy crops Miscanthus giganteus (Miscanthus × giganteus) and Millet (Panicum virgatum L) as a factor in soil carbon deposition. The subject of the study is agroecological regularities of the formation of energy crop productivity, as well as carbon monoxide emission and carbon sequestration in the soil. The following research methods were used in the work. Theoretical analysis - to summarize the results of scientific research foreign and domestic in scientific accordance with the objectives and the object of research. Stationary field experiment and determining the main soil and agrochemical indicators, including CO2 emissions and organic carbon deposition. Analysis of variance (multiple analysis of variance, multiple linear models) - to assess the degree of influence of each of the studied factors on carbon emission and deposition processes, correlation and regression analysis - to test hypotheses about the statistical properties of causal ecological relationships; mathematical-statistical and mathematical modeling - to assess the reliability of the results, identify correlations, assess the balance of CO2 concentration and sequestration of sorghum in the soil. As a result of research the results which are characterized by scientific novelty are received. For the first time, quantitative characteristics of carbon monoxide emission depending on agroecological regimes in plantations of bioenergy crops misacnthus and candlegrass have been established. The interaction of agroecological factors in the influence on carbon monoxide emission and carbon deposition in the soil is estimated. The importance of energy crops as a factor of carbon deposition in the soil is substantiated. The procedure for comparative analysis of the contribution of various factors to the variation of carbon monoxide emission and carbon deposition in the soil, the method of determining the intensity of soil respiration, the method of determining the biological activity of the soil have been improved. The theory of stability of ecological systems was further developed. Research results form a theoretical basis for calculating and accounting the greenhouse gas balance at the National Plant Gas Emissions Accounting Centre in Ukraine, During the inventory of greenhouse gas emissions associated with land-use change. It is also recommended to address climate issues in state planning and strategic environmental assessment under the Ukraine Law on Strategic environmental assessment." Received results are convincing that the planting of energy crops on the marginal lands is carried out by ecosystem services, It is an important tool for depleting carbon dioxide in the ground. Creating energy cultures is one way to solve the problem of increasing carbon dioxide concentrations in the atmosphere, which is most suitable in the industrial regions of Ukraine with a high marginal area. It was found that the average annual temperature ranged from 9.3 °C to 10.8 °C over the period of the study. The average decline per year ranged from 402.9 mm to 798.9 mm. The fall in the maximum number of declines over the year is very uneven and repeated year by year. Over the period of study, the decade without collapse was observed at 10.6 percent of the time. The conditions were close to the optimum value for energy crops by hydrothermal coefficient in 2016, 2018 and 2020 (GTK close to 1). The moisture deficit was observed in 2017 and 2019. Culture, depth of soil, year and age of vegetation have been shown to account for 95% variation in carbon dioxide emissions from soil, 60% variation in carbon deposition from soil. Culture is statistically likely to cause ecological processes and can explain 49.0% variation in the rate of carbon dioxide emissions, 8.5% variation in carbon depletion on the ground. The soil is characterised by the lowest level of carbon dioxide (74.70±0.90 μg/kg/h) and the lowest level of carbon deposition (1.87±0.017%). When it's light-emitted, carbon dioxide increases by 83.3% compared to control, and it increases by 113.3% compared to control. Under the light bulb, carbon deposition in the soil increases by 7.1% compared to control, and under the mistrust increases by 15.4% compared to control. It is confirmed that the annual variation in carbon dioxide emission intensity is conditioned at a temperature of several years. The rise in average annual temperature causes an overall increase in carbon dioxide emissions from soil under all types of plant cover. The most sensitive to the average temperature fluctuation is carbon dioxide emissions under the moisture content, slightly less sensitive to the light grain emissions. The entire roof is the most resilient to climate change. Carbon dioxide emissions increase with age of vegetation cover, which can be explained by accumulation of biomass in soil older than plants. The older you get, the more you get, the more you get, the more you get, the more you get, the more you get, the more you get, the more you get, the more you get, the more you get, the more you get. The patterns of carbon change in the soil associated with the astronomical year do not depend on the vegetation age. The carbon content in the soil grows along with the vegetation age of the місcantus plants. It's shown that the depth of the ground layer can explain 26.7 percent of the variation in carbon dioxide emissions and is the most significant factor, which can explain 53.4% of the variation in carbon deposition. The deeper the carbon dioxide is going down. The differences in the intensity of carbon dioxide emissions between soil layers can be explained by temperature gradient, changes in oxygen availability and organic matter content. Differences between the ground layers by emotional capacity increase with age of planting and are most pronounced for the planting of місcantus and least pronounced for synagogue. It has been shown that lighting exceeds the control productivity by 14.2 times and the місcantus by 18.9 times. Accordingly, місcantus is more productive than lightning 1.3 times. Culture, year and age of vegetation account for 60% of the variation in the production of energy crops. Differences in phytosis between the years that represent the overall trend for all types of plant cover are determined by the water supply characteristics each year. The sensitive cause of gender differences is the rate of growth of cumulative declines in the process of active vegetation between April and the end of June. As the plant population ages, its phytosis grows. The response of energy cultures to environmental factors is similar between different cultures. It was first established that the dynamics of change in the time of carbon dioxide emissions, carbon content and groundwater phytosis are determined by the current state of the system. The synthesized system has an equilibrium that is not stable. The lack of stability is due to weak endogenous mechanisms to regulate carbon dioxide emissions in the ecosystem of this type. The system that forms in the saturation of the luminous beam and the locality has a static state that is stable and reactive. It has been shown that the main mechanism to sustain the stability of the light-grain and місcantus systems is to stabilize the impact of carbon dioxide emissions and extraterrestrial phytosis on carbon deposition in the soil. The predicted steady-state of carbon deposition is higher than that observed, indicating a steady trend towards increasing carbon deposition by saturation of light grain and locality.