Моделювання динаміки емісії парникових газів (CO2, N2O) із грунтів агроекосистем
Анотація
В статті наводяться результат розрахунків на основі розробленої комплексної моделі емісії парникових газів із ґрунтів агроекосистем протягом 2017–2019 рр. Розрахунки показали, що спостерігається міжсезонна та міжрічна зміна потоків СО2 та N2O. Вони варіюють в залежності від температури і вологості ґрунту та вмісту гумусу у ґрунті. Разом з тим, характерним є однаково невисокий рівень потоків СО2 при досить низьких від 1 до 6 °С температурах ґрунту, він складав 0,072-0,401 г С-СО2 м-2·д-1. За деяким винятком емісія СО2 в весняні місяці була вищою ніж в осінні. Максимальна інтенсивність викидів СО2 спостерігалась в літні місяці на фоні високих температур ґрунту, що визначило і найбільшу сумарну кількість викидів у літній сезон (0,670 – 0,822 т С-СО2 га-1 за літо). Встановлено, що найбільш інтенсивна емісія N2О спостерігалась в періоди високого рівня зволоження ґрунту, коли створювались анаеробні умови у ґрунті. Особливо інтенсивно процес денітрифікації відбувався в весняний період 2019 року, коли за період березень – травень випало 226 мм опадів, а обсяг порового простору, заповненого водою WFPS, сягав більше 0,8 відн. од. Середня за цей період інтенсивність емісії N2О складала 15,592 г N-N2О м-2, а сумарна кількість емісії була найбільшою (1,134 кг N-N2О га-1). За рахунок інтенсивного процесу денітрифікації емісія N2О в цей рік була максимальною. Найменший рівень емісії N2О спостерігався в умовах досить високих температур і недостатньої зволоженості ґрунту, що було характерним для 2017 року. На основі синтезу підходів з моделювання емісії СО2, N2О та продуктивності агроекосистем розроблено комплексну модель емісії парникових газів із ґрунтів агроекосистем (plant-agrosoil-GHG-model). Встановлена міжсезонна та міжрічна зміна потоків СО2 і N2O та їхня залежність від погодних умов та вмісту гумусу у ґрунті.
Завантаження
Посилання
Barber S.A. (1988). Bioavailability of nutrients in the soil. M.: VO Agropromizdat. 376. [in Russian].
Bihele Z.N, Moldau Kh.A., Ross Yu.K. (1980). Mathematical modeling of transpiration and photosynthesis of plants with a lack of soil moisture. L.: Hydrometeoizdat. 223. [in Russian].
Buchkina N.P., Balashov E.V., Riga U.Ya., Pavlik S.V.(2007). Emission of N2O from sandy loamy sod-podzolic soils and its prediction using the DNDC model. International conference "Modern agrophysics - high technologies", September 25-27 2007. St.-Petersburg: 272-273. [In Russian].
Ivanov N.N. (1954). On the determination of the values of evaporation. Izvestiya VGO. 86, 2. [in Russian].
Novikov A.A. (2012). Substantiation of the role of root and crop residues in the agrocenosis. Scientific journal Cube. GAU, 78 (04), 1-10. [in Russian].
Polevoy A.N. (1983). Theory and calculation of the productivity of agricultural crops. L.: Gidrometeoizdat, 175. [in Russian].
Poloviy A.M. (2005). Model of productivity of agroecosystems. Bulletin of the Odessa State Ecological University. 1, 79-86. [in Ukranian].
Polevoy A.N. (2010). Modeling of photosynthesis of green leaves in C3 and C4 plants with changes in the concentration of CO2 in the atmosphere. Problems of ecological monitoring and modeling of ecosystems. M.: XXIII, 97-316. [in Russian].
Polevoy A.N., Bozhko L.E. (2019). Assessment of the dynamics of organic carbon in podzolized chernozem in field crop rotation under climate change. Journal of the Belarusian State University. Geography. Geology. 2, 65-78. [in Russian] DOI: https://doi.org/10.33581/2521-6740-2019-2-65-78
Purtova L.N. et al. (2013). Carbon dioxide emission from soils of natural and anthropogenic landscapes in the south of Primorye. Fundamental research. 1, 555-558. [in Russian].
Syabruk O.P. (2013). Evaluation of the consumption of carbon from black soil typical for the development of fertilization systems. Agrochemistry and runtoznavstvo. 80, 140-146. [In Ukranian].
Shilova N.A. (2014). Dynamics of CO2 emission in field crops on sod-podzolic and peat soils. Soil Science and Agrochemistry. 1 (52), 104-113. [in Russian].
Adler, P.R., Del Grosso, S.J., Parton W.J. (2007). Life-Cycle assessment of net greenhouse-gas flux for bioenergy cropping systems. Ecol Appl. 17, 675-691. [in English]. https://doi.org/10.1890/05-2018
Autret, B., Mary, B., Chenu, C. et al. (2016). Alternative arable cropping systems: a key to increase soil organic carbon storage? Results from a 16 year field experiment. Agric. Ecosyst. Environ. 232, 150-164. [in English]. https://doi.org/10.1016/j.agee.2016.07.008
Bosko, S., Volpi, І. Antichi, D. et al. (2019). Greenhouse Gas Emissions from Soil Cultivated with Vegetables in Crop Rotation under Integrated, Organic and Organic Conservation Management in a Mediterranean Environment. Agronomy. 9, 446. [in English]. https://doi.org/10.3390/agronomy9080446
Butterbach-Bahl, K., Kesik, M., Miehle, P. et al (2004). Quantifying the regional source strength of N-trace gases across agricultural and forest ecosystems with process based models. Plant and Soil. 260, 311–329. [in English]. https://doi.org/10.1023/B:PLSO.0000030186.81212.fb
Coleman, K., Jenkinson, D.S. (2008). A model for the turnover of carbon in soil. Model description and windows users gaide. Rothamsted Research Harpenden Herts. ROTHC-26.3. [in English]. https://doi.org/10.1007/978-3-642-61094-3_17
Corre M.D., van Kessel, C., Pennock, D.J. et al. (1995). Am-bient nitrous oxide emissions from different landform com-plexes as affected by simulated rainfall. Commun Soil Sci. Plant Anal. 26(13/14), 2279-2293. [in English]. https://doi.org/10.1080/00103629509369446
Curry, R.B. (1971). Dynamic simulation of plant growth. 1. Development of a model. Trans. ASAE, 14, 946-959. [in English].
Davidson, E.A. (1991). Fluxes of nitrous oxide and nitric acid from terrestrial ecosystem. In: Rogers J.E., Whitman W.B. (eds.). Microbal production and consumption of greenhouse gases: Methane, Nitrous oxide and Halomethane. American Society of microbiology. Washington: 219-236. [in English].
Davidson, E.A., Keller, M., Erickson, H.E. et al. (2000). Testing a conzeptual model of soil emissions of nitrous and nitric oxides. Bioscience. 50(8), 667-680. [in English]. https://doi.org/10.1641/0006-3568(2000)050[0667:TACMOS]2.0.CO;2
Del Grosso, S.J., Mosier, A.R., Parton, W.J. et al. (2005). DayCent model analysis of past and contemporary soil N2O and net greenhouse gas flux for major crops in the USA. Soil Tillage Res. 83, 9-24. [in English]. https://doi.org/10.1016/j.still.2005.02.007
Del Grosso, S.J., Parton, W.J., Moiser, A.R. et al. (2005). Modeling soil CO2 emissions from ecosystems. Biogeochemistry. 73, 71–91. [in English]. https://doi.org/10.1007/s10533-004-0898-z
Duval, B.D., Anderson-Teixeira, K.J., Davis, S.C. et al. (2013). Predicting Greenhouse Gas Emissions and Soil Carbon from Changing Pasture to an Energy Crop. PLoS ONE. 8(8), 12. [in English]. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0072019
Frolking, S.E., Mosier, A.R., Ojima, D.S. et al. (1998). Comparison of N2O emissions from soils at three temperate agricultural sites: simulations of year round measurements by four models Nutr. Cycl. Agroecosys. 52, 77-105. [in English].
Garrido, F. et al. (2002). N2O and NO emissions by agricultural soils with low hydric potentials. Soil Biology and Biochemistry. 34, 559-575. [in English]. https://doi.org/10.1016/S0038-0717(01)00172-9
Granli, T., Bøckman, O.C. (1994). Nitrous oxide from agriculture. Norw J Agric Sci [Suppl]. 12, 1-128. [in English].
Henault, C., Germon, J.C. (2000). NEMIS: a predictive model of denitrificftion on the field scale. European Journal of Soil Science. 51, 257-270. [in English]. https://doi.org/10.1046/j.1365-2389.2000.00314.x
Henault, C., Bizouard, F., Laville, P. et al. (2005). Predicting in situ emission using NOE algorithm and soil database. Global Change Biology. 11, 115-127. [in English].
IPCC (2001). Climate Changes (2001). The Scientific Basis Contribution. Cambridge Universsity Press. Cambridge. 881. [in English].
Kaiser, E.-A., Eiland, F., Germon, J.C. et al. (1996). What predicts nitrous oxideemissions and denitrification N-loss from European soils? Z Pflanzenernaehr Bodenkd. 159, 541-547. [in English].
Kaiser, E.-A., Kohrs, K., Kücke, M. et al. (1998). Nitrous oxide release from arable soil: importance of N-fertilization, crops and temporal variation. Soil Biol Bio-chem. 30, 1553-1563. [in English].
Lokupitya, F., Paustian, K. (2006). Agricultural soil greenhouse gas emissions: A review of national inventory methods. Article Literature Review (PDF Available) in Journal of Environmental Quality. 35(4), 1413-1427. [in English]. https://doi.org/10.2134/jeq2005.0157
Mac Kenzie, A.F., Fan, M.X., Cadrin, F. (1998). Nitrous oxide emissionin three years as affected by tillage, corn-soybean-alfalfa rota-tions and nitrogen fertilization. J Environ Qual. 27, 698-703. [in English]. https://doi.org/10.2134/jeq1998.00472425002700030029x
McCree, K.J. (1970). Anequation for the rate of respiration of white clover plants growth under controlled condition. In: Prediction and measurement of photosynthetic productivity. Wageningen: Pudoc. 221-229. [In English].
Mosier, A.R., Doran, J.W., Freney, J.R. (2002). Managing soil denitrification. Journal of Soil and Water Conservation. 57, 505-512. [in English].
Oertel, C., Matschullat, J., Zurba, K. et al. (2016). Greenhouse gas emissions from soils. A review. Geochemistry. 76, 3, 327-352. [in English]. https://doi.org/10.1016/j.chemer.2016.04.002
Parton W.J., Ojima D.S., Cole C.V. et al. (1994). A general model for soil organic matter dynamics: sensitivity to litter chemistry, texture and management. In Quantita-tive Modeling of Soil Forming Processes (Special Pub. Soil Science Society of America, Madison, W. 147-167. [in English]. https://doi.org/10.2136/sssaspecpub39.c9
Parton, W.J., Hartman, M.D., Ojima, D.S., Schimel, D.S. (1998). DAYCENT and its land surface submodel: description and testing. Glob Planet Change. 19, 35-48. [in English].
Parton, W.J., Holland, E.A., Del Grosso, S.J. et al. (2001). Generalized model for NOxand N2O emissions fromsoils. Journal of Geophysical esearch. 106 (15), 17403-17420. [in English]. http://hdl.handle.net/11858/00-001M-0000-000E-CE2B-9
Poulton, P., Johnston, J., Macdonald, A. et al. (2018). Major limitations to achieving “4 per 1000” increases in soil organic carbon stock in temperate regions: evidence from long-term experiments at Rothamsted Research, United Kingdom. Glob. Change Biol. 24, 2563-2584. [in English]. https://doi.org/10.1111/gcb.14066
Robertson, G.P. (1989). Nitrification and denitrification in humid tropical ecosystems: potential control on nitrogen retention in mineral nutrient. In: Tropical Forest and Savanna Ecosystems (ed. Procter J.). Blackwell Scientific, Boston: 55-69. [in English].
Robertson, G.P. & Tiedje, J.M. (1988). Denitrification in a lowland tropical rain forest. Nature. 336, 756-759. [in English].
Roelandt, C., van Wesemael, B., and Rounsevell, M. (2015). Estimatingannual N2O emissions from agricultural soils in temperate cli-mates. Global Change Biol. 11, 1701-1711. [in English]. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2005.01025.x
Sándor, R., Ehrhardt, F., Brilli, L. et al. (2018). The use of biogeochemical models to evaluate mitigation of greenhouse gas emissions from managed grasslands. Science of The Total Environment. 642, 292-306. [in English]. https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01976249
Smith, J., Gottschalk, P., Bellarby, J. (2010). Model to Estimate Carbon in Organic Soils – Sequestration and Emissions (ECOSSE). Institute of Biological and Environmental Sciences. Aberden. Scotland. 73. [in English].
Smith, K.A., Mctaggart, I.P., Conen, F. (1988). Emissions of N2O from Scottish agricultural soils, as a function of fertilizer N. Nutrient Cycling in Agroecosystems. 52, 123-130. [in English].
Stehfest, E. and Bouwman, L. (2006). N2O and NO emission from agri-cultural fields and soils under natural vegetation: summarizingavailable measurement data and modeling of global annual emis-sions. Nutr. Cycl. Agroecosys. 74, 207-228. [in English]. https://doi.org/10.1007/s10705-006-9000-7
Stockmann, U., Adams, M.A., Crawford, J.W. et al. (2013). The knowns, known unknowns and unknowns of sequestration of soil organic carbon. Agric. Ecosyst. Environ. 164, 80-99. [in English]. https://doi.org/10.1016/j.agee.2012.10.001
Syp, A., Faber, A., Kozyra, J. et al. (2011) Modeling Impact of Climate Change and Management Practices on Greenhouse Gas Emissions from Arable Soils. Pol. J. Environ. Stud. 20(6), 593-1602. [in English].
Vleeshouwers, L.M., Verhagen, A. (2002). Carbon emission and sequestration by agricultural land use: a model study for Europe. Global Change Biology. 8, 519-530. [in English]. https://doi.org/10.1046/j.1365-2486.2002.00485.x
Wei, R., Hao, M.D., Xue, X.H. et al. (2010). BiogeosciencesNitrous oxide emission from highland winter wheat field afterlong-term fertilization. Biogeosciences. 7, 3301-3310. [in English]. https://doi.org/10.5194/bg-7-3301-2010
Yadav, D., Wang, J. (2017). Modelling carbon dioxide emissions from agricultural soils in Canada. Environ Pollut. 230, 1040-1049. [in English]. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2017.07.066
Yang, Q., Zhang, X., Abraha, M. et al. (2017). Enhancing the soil and water assessment tool model forsimulating N2O emissions of three agricultural systems. Ecosystem Health and Sustainability. 3, 2, 1-12. [in English]. https://doi.org/10.1002/ehs2.1259
