Совместное выращивание зерновых культур с сидератами при пониженном содержании химического азота в почве увеличивает запасы почвенного углерода за счет оптимизации структуры почвы в оазисных орошаемых районах

Связывание углерода в почве играет ключевую роль в глобальном круговороте этого элемента, выступая эффективным механизмом удаления углекислого газа из атмосферы и смягчения последствий изменения климата. Увеличение содержания органических веществ в почве не только способствует секвестрации углерода, но и является фундаментальной стратегией улучшения ее общего состояния. Однако накопление углерода в сельскохозяйственных угодьях — сложный процесс, зависящий от климатических условий и подверженный значительному влиянию антропогенной деятельности. За последние несколько десятилетий распространение интенсивных крупномасштабных монокультур привело к серьезной потере почвенного углерода во многих регионах мира, и эта тревожная тенденция сохраняется. В связи с этим крайне важно понимать, как конкретные методы ведения сельского хозяйства воздействуют на запасы и стабильность органического углерода в почве.

Ключевую роль в защите органического углерода от потерь играют почвенные агрегаты. Они уменьшают контакт между органическим веществом и микроорганизмами, тем самым минимизируя деградацию, вызванную эрозией и минерализацией. Исследования показывают, что до 90% органического углерода в пахотных почвах содержится именно в агрегатах. При этом иерархическая структура агрегатов такова, что крупные агрегаты (размером более 0,25 мм) обеспечивают краткосрочное хранение углерода, тогда как мелкие участвуют в более долгосрочных процессах. Следовательно, оптимизация структуры почвенных агрегатов и распределения углерода между ними является ключом к увеличению общих запасов органического углерода.

Внедрение устойчивых методов управления почвой, таких как диверсификация структуры посевов, использование покровных культур, сбалансированное внесение азотных удобрений и отказ от интенсивной обработки, может значительно повысить устойчивость органического вещества. Особый интерес представляет совместное выращивание культур, или интеркроппинг, когда две или более культуры произрастают совместно на одном поле. Многочисленные исследования подтверждают, что такой подход повышает биоразнообразие и урожайность, снижает нагрузку на окружающую среду и улучшает здоровье почвы. По сравнению с монокультурой, смешанные посевы увеличивают запасы органического углерода, способствуя формированию более устойчивых агрегатов. Основными драйверами этого процесса выступают корневые выделения и микробная биомасса, которые в условиях совместного выращивания стимулируют накопление углерода.

Важным элементом агротехники является внесение удобрений. Хотя это общепринятая практика для повышения урожайности, чрезмерное использование азотных удобрений может привести к ускоренному разложению органического вещества. Микроорганизмы, получая легкодоступный азот, начинают активнее расщеплять органический углерод для получения энергии, что ведет к его минерализации и потере. Альтернативой или дополнением к химическим удобрениям служат сидераты — растения, которые запахиваются в почву для улучшения ее структуры и обогащения питательными веществами. Сидераты, особенно бобовые культуры с низким соотношением углерода к азоту, способствуют снижению выбросов закиси азота и играют значительную роль в накоплении органического углерода. Однако вопрос о том, может ли использование сидератов в системах севооборота дополнительно оптимизировать структуру почвы и увеличить запасы углерода при одновременном сокращении внесения минерального азота, требует детального изучения.

Для ответа на этот вопрос был проведен масштабный эксперимент в восточной части коридора Хэси на северо-западе Китая, в регионе с оазисным земледелием. Почвы этого региона характеризуются низким содержанием органического углерода, высокой плотностью и щелочной реакцией. Исследование было направлено на оценку того, как совместное выращивание кукурузы с двумя видами сидератов — викой посевной (бобовая культура) и рапсом (крестоцветная культура) — влияет на запасы органического углерода и структуру почвы в условиях сниженной нормы внесения азотных удобрений. Эксперимент проводился в течение шести лет и включал сравнение различных схем посева и уровней азотного питания.

В ходе исследования было установлено, что совместное выращивание кукурузы с сидератами способствует значительному увеличению содержания органического углерода в почве по сравнению с монокультурой, независимо от дозы вносимого азота. В среднем за годы наблюдений содержание углерода в вариантах с викой и рапсом оказалось на 12,1% и 9,1% выше, чем на участках с одной кукурузой. Наиболее показательным стал эффект компенсации: в монокультуре снижение дозы азота на 25% привело к заметному падению содержания углерода. Однако в смешанных посевах разница между стандартной и сниженной дозой азота была незначительной. Это убедительно доказывает, что присутствие сидератов полностью нивелирует негативное влияние уменьшения минерального питания на накопление органического вещества. Особенно ярко этот эффект проявился к 2022 году, когда на фоне сниженной дозы азота в сочетании с викой содержание органического углерода превысило показатели контрольной группы с высокими дозами азота и монокультурой.

Анализ структуры почвы показал, что положительные изменения связаны с перестройкой почвенных агрегатов. В вариантах с совместным выращиванием доля макроагрегатов (размером более 0,25 мм) оказалась на 15-17% выше, чем в монокультуре. Напротив, доля микроагрегатов (мельче 0,25 мм), которые хуже удерживают углерод, значительно сократилась. Стабильность почвенной структуры, оцениваемая по среднему весовому и среднему геометрическому диаметру агрегатов, также была максимальной в вариантах с сидератами и сниженным азотом. Это указывает на то, что корневые системы сидератов и их растительные остатки действуют как связующий материал, способствуя склеиванию мелких частиц в крупные и устойчивые к разрушению агрегаты. При этом в монокультуре снижение дозы азота привело к ухудшению всех показателей агрегации, что подтверждает наличие порогового эффекта, за которым недостаток питания разрушает структуру почвы.

Распределение органического углерода внутри агрегатов различных фракций также претерпело изменения под влиянием агропрактик. Совместное выращивание с сидератами увеличило содержание углерода во всех фракциях, но наиболее существенно — в крупных макроагрегатах. Вклад крупных агрегатов в общий запас органического углерода почвы при использовании сидератов и сниженной дозе азота был на 14-17% выше, чем в монокультуре с полной нормой удобрений. Это имеет фундаментальное значение, поскольку углерод, заключенный в макроагрегатах, лучше защищен от быстрой минерализации. Корреляционный анализ подтвердил сильную положительную связь между содержанием углерода в макроагрегатах и общим содержанием органического углерода в почве. Иными словами, чем больше крупных агрегатов и чем выше их углеродная насыщенность, тем больше общий потенциал почвы к секвестрации углерода.

Важным аспектом исследования стала оценка продуктивности сельскохозяйственных культур. Снижение дозы азота в монокультуре кукурузы ожидаемо привело к падению урожайности на 17%. Однако в смешанных посевах этот негативный эффект был полностью скомпенсирован. Урожайность кукурузы в вариантах с викой и рапсом при пониженном азоте осталась на уровне, сопоставимом с высокими дозами удобрений, и даже превысила показатели монокультуры с полной нормой азота. Это объясняется тем, что сидераты не только улучшают физическую структуру почвы, но и выступают дополнительным источником питательных веществ. Разложение биомассы сидератов, особенно бобовых, обогащает почву доступным азотом, который эффективно используется основной культурой. Кроме того, увеличение надземной и корневой биомассы в смешанных посевах способствует большему возврату органического вещества в почву, замыкая позитивный цикл повышения плодородия.

Сравнение двух видов сидератов показало, что, хотя оба они демонстрируют положительный эффект, вика посевная (бобовая культура) имеет небольшое преимущество перед рапсом. Это связано с более низким соотношением углерода к азоту в бобовых, что способствует более сбалансированному питанию микроорганизмов и, вероятно, обеспечивает более долгосрочную стабилизацию органического вещества. Рапс, обладая более высокой скоростью разложения, дает быстрый, но, возможно, менее устойчивый эффект в краткосрочной перспективе. Тем не менее, оба сидерата продемонстрировали свою эффективность как инструменты для восстановления почвенного плодородия.

В заключение, результаты проведенного исследования убедительно доказывают, что совместное выращивание зерновых культур с сидератами является высокоэффективной стратегией управления почвенными ресурсами в оазисных орошаемых районах. Включение сидератов в севооборот с кукурузой позволяет не только компенсировать негативные последствия снижения доз химических азотных удобрений, но и значительно улучшить агрофизические свойства почвы. Ключевым механизмом является оптимизация структуры почвенных агрегатов: увеличение доли крупных, устойчивых макроагрегатов и повышение содержания в них органического углерода. Это, в свою очередь, создает прочную основу для долгосрочной секвестрации углерода, способствуя смягчению климатических изменений.

Помимо экологического эффекта, такая агротехника обеспечивает и экономическую выгоду, позволяя поддерживать или даже увеличивать урожайность основной культуры при одновременном сокращении затрат на минеральные удобрения. Таким образом, интеграция сидеральных культур в системы земледелия представляет собой перспективный путь к устойчивому сельскому хозяйству, сочетающему в себе продуктивность, сохранение плодородия почв и активное участие в глобальных процессах регуляции углеродного цикла. Дальнейшие исследования должны быть направлены на изучение долгосрочной динамики стабилизации углерода и оптимизацию видового состава сидеральных культур для различных почвенно-климатических условий.


Источник: Journal of Integrative Agriculture