Главная причина происходящих в настоящее время климатических изменений – непрерывный рост концентрации парниковых газов в атмосфере, прежде всего, углекислого газа и метана. Их основой является углерод. Ученые Томского государственного университета исследуют эмиссию и запасы этого элемента на станциях карбонового полигона. Одна из них находится в Горном Алтае, где отмечается большой сток углерода – процесс поглощения парниковых газов из атмосферы и захоранивание углерода в почве. Таким образом, черноземы Горного Алтая являются настоящим подземным хранилищем этого климатически активного элемента.
– Чтобы смягчить климатические риски, в России создана сеть карбоновых полигонов. Одной из зон, где мы проводим исследования по этому направлению, является село Черга в Горном Алтае, – рассказывает исполнитель проекта, старший научный сотрудник лаборатории биоразнообразия и экологии ТГУ Лариса Колесниченко. – Глобальная цель проекта – разработка научно обоснованной концепции развития территории, которая позволит не только улавливать атмосферный углерод, но и повысить экономическую эффективность местного сельского хозяйства.
Измерение потоков углекислого газа тремя методами: методом турбулентных пульсаций, при помощи стационарной и портативной камер
Фото предоставили сотрудники ТГУ
В ходе экспедиционных работ ученые ТГУ обнаружили в районе Черги горные черноземы, где слой глубокого плодородного гумуса достигает более метра в толщину. Темный цвет почвы – прямой показатель высоких запасов органического углерода. По научным оценкам, от 20% до 34% всех наземных запасов углерода нашей планеты хранят именно травяные экосистемы.
Сегодня эти ценные экосистемы находятся под угрозой. Десятилетия неконтролируемого выпаса скота – овец, маралов, зубров и коров – привели к деградации пастбищ. Почва уплотняется, теряет плодородие, а вместе с этим снижается ее способность поглощать и удерживать углерод. Кроме того, экономический потенциал земель используется недостаточно эффективно: значительные площади засаживаются монокультурами (например, овсом) без внесения удобрений и применения современных агротехнологий.
Чтобы переломить эту тенденцию, ученые ТГУ предлагают внедрить в Черге концепцию «карбонового фермерства» и умного севооборота. В основе этого подхода лежит секвестрация – процесс извлечения углекислого газа из атмосферы растениями в ходе фотосинтеза и его последующее связывание в почвенном резервуаре на долгие годы.
Один из ключевых элементов технологии – подбор растений с мощной и глубокой корневой системой. Чем глубже и гуще корни, тем больше органики остается под землей. В 1980-х годах в Черге уже проводились успешные эксперименты с культивацией 60 сортов амаранта – культуры с гигантской биомассой и разветвленной корневой системой, способной быстрыми темпами связывать углерод.
В настоящее время исследователи разрабатывают обновленную систему землепользования. Она включает ряд агротехнических мероприятий, в том числе чередование сенокосов и пастбищ, подсев многолетних сидератов (зеленых удобрений), применение вермикомпоста и механическую обработку почв. Растения будут буквально «выкачивать» избыточный CO2 из воздуха, превращая его в стабильный почвенный гумус.
Один из наиболее перспективных подходов, тестируемых биологами ТГУ, – использование технологий пиролиза для переработки растительных остатков. В обычных условиях скошенная трава перегнивает за два-три года, и при естественном разложении микроорганизмы возвращают весь связанный углерод обратно в атмосферу в виде CO2.
Ученые предлагают подвергать часть биомассы пиролизу – воздействию высокой температуры без доступа кислорода. На выходе получается биоуголь и удобрения на его основе. По своей химической структуре биоуголь крайне стабилен и не поддается быстрому разложению.
При внесении биоугля в деградированные почвы углерод запечатывается в них на сотни лет. Пиролиз замедляет углеродный цикл более чем в 100 раз. Внесение биоугля не только надежно изолирует парниковый газ, но и улучшает физическую структуру почвы, помогает удерживать влагу и питательные вещества, повышая урожайность лугов.
– Для оценки эффективности новых агротехнологий необходим непрерывный и точный мониторинг дыхания экосистем, – отмечает Лариса Колесниченко. – Стационарные карбоновые вышки дают исчерпывающие данные, но охватывают только фиксированный участок. Чтобы учесть сложный рельеф Горного Алтая, мы используем сочетание стационарных станций и мобильных систем мониторинга. Передвижная установка разворачивается всего за 30 минут и работает автономно в любых труднодоступных точках. Размещение мобильной камеры на разных участках от 3 до 7 дней позволяет получать точные данные об эмиссии и поглощении CO2 в различных типах ландшафтов.
Сочетание мобильных измерений, стационарных вышек и автоматических почвенных камер создает гибкий комплекс. Полученные данные калибруются и формируют базу для построения цифровых моделей углеродного баланса, а также служат основой для верификации спутниковых снимков.
Реализация проекта в Черге поможет обеспечить двойной эффект. За счет восстановления деградировавших земель и оптимизации севооборота, введения агро- и биотехнологий луга Алтая обеспечат надежный долгосрочный сток парниковых газов, снижая парниковый эффект.
Наряду с этим разработка научно обоснованной программы развития Черги позволит существенно повысить продуктивность пастбищ и сенокосов, укрепить кормовую базу для животноводства (скотоводства, мараловодства) и заложить основу для выращивания ценных культур, включая лекарственные растения.
Работа ученых ТГУ в Черге доказывает: экологическая политика и забота о климате могут и должны быть экономически выигрышными для региона, создавая фундамент для устойчивого развития сельских территорий.
Добавим, что сбор материала для изучения эмиссии парниковых газов, запасов углерода, геоботанические описания постоянных пробных площадей выполняли сотрудники ТГУ, аспиранты-биологи, в том числе молодые ученые из Пакистана под руководством доцента Биологического института Ирины Волковой, а также студенты автономной магистерской программы «Изучение Сибири и Арктики».