Расчет Содержания Органического Углерода Почвы Украины

Обзор: Изменения Климата И Поглощение Углерода

Одной из самых больших проблем, с которой сегодня сталкивается человечество, является глобальное потепление. Для решения этой проблемы было запущено несколько международных инициатив по снижению воздействия человека на климат, такие как Рамочная конвенция ООН об изменении климата (1992 г.), Киотский протокол (1997 г.), Парижское климатическое соглашение (2015 г.) и Климатический пакт Глазго (2021 г) ^{Global Climate Action. European Commission.}.

Среди них Парижское соглашение особенно значимо, поскольку оно обязывает страны сокращать выбросы углерода, чтобы удерживать глобальное потепление ниже 1,5 °C — критического порога для предотвращения катастрофических климатических сценариев. Если страны не выполнят свои обещания в рамках Парижского соглашения, рост глобальной температуры приведет к неизбежным стихийным бедствиям уже к концу этого столетия.

Хотя существует много споров о методах и масштабах сокращения выбросов, роль почв в улавливании углекислого газа широко признана. Недавно потенциал сельскохозяйственных почв для улавливания углекислого газа был признан одним из наиболее экономически эффективных и экологически безопасных способов борьбы с изменением климата. Использование способности почв поглощать CO2 помогает смягчить изменение климата и повысить плодородие почвы. Это происходит потому, что увеличение органического вещества в почве улучшает ее качество и здоровье. Устойчивые фермерские методы управления, такие как минимизация обработки почвы и избежание севооборота, уменьшают распад органического вещества и предотвращают эрозию, вызванную водой и ветром. Эти методы в совокупности помогают повысить или восстановить плодородие почвы.

Однако оценка истинного потенциала секвестрации углерода в почве в национальном и более крупных масштабах часто затрудняется отсутствием высококачественных данных о содержании органического углерода в почве. Наша научная команда обратилась к украинским базам данных и архивам почв, чтобы получить соответствующие данные и оценить, возможно ли создать модель прогнозирования органического углерода для такой масштабной территории, как вся Украина, с огромными 45 миллионами гектаров сельскохозяйственных земель.

Проблемы: Пробелы В Данных О Почве

В Украине основной проблемой при оценке запасов углерода, динамики и потенциала секвестрации является отсутствие данных. В настоящее время существует несколько потенциальных источников получения данных о содержании органического углерода в почве. Давайте рассмотрим каждый из них более подробно.

Некоторые образцы почвы, собранные с 1957 по 2016 год, хранятся в Национальном научном центре «Институт почвоведения и агрохимии имени А. Н. Соколовского» (ННЦ ИСАИ)  ^{Plisko I., et al. (2018). Creation of a national map of organic carbon stocks in the soils of Ukraine. AgroChemistry and Soil Science, 87, 57–62. https://doi.org/10.31073/acss87-09. Viatkin, K., et al. (2019). Digital mapping of soil organic carbon stocks in Ukraine. AgroChemistry and Soil Science, 2, 5–11. https://doi.org/10.31073/acss88-01.}. Почти 4000 образцов были использованы для создания украинской части Global Soil Organic Carbon Map с разрешением 1 км/пиксель. Единственной проблемой было то, что набор данных был в значительной степени недоступен из-за политики держателя, а размер выборки был слишком мал и устарел для комплексного анализа.

Другие данные можно найти в Государственном агентстве геодезии, картографии и кадастра Украины (Госгеокадастр). Масштабное обследование почв Украины в период 1957-1961 гг. привело к созданию карты почв, охватывающей 75% территории страны, в масштабе 1:10 000 и основанной на миллионе собранных образцов. Однако недоступность из-за политики держателя и неоцифрованный формат делают использование данных невозможным.

Третий набор данных, который потенциально может быть использован в этом исследовании, — это агрохимическое обследование, проводимое каждые пять лет, и в настоящее время, несмотря на продолжающуюся войну, проводится 12-й раунд. Украинский государственный институт «Институт защиты почв» (ГУ ГПИ) не разрешает использовать свои данные из-за своей политики. Кроме того, неоцифрованный формат, отсутствие геопривязки в старых образцах и данные, агрегированные по большим территориям, а не по конкретным местам, представляют собой существенные исследовательские блоки.

Следующий потенциальный набор данных был сформирован Национальной платформой мониторинга нейтральности деградации сельскохозяйственных земель (ALDN), созданной Украинским Почвенным Партнерством (УПП) при поддержке в рамках реализации проекта FAO, финансируемого GEF. Данные включают 1000 данных почвенных профилей от NSC ISSAR, 750 контролируемых участков от ГУ ГПИ и 4030 полей, что в общей сложности составляет 5780 образцов почвы, собранных в 2015–2020 годах.

Пятым и последним потенциальным набором данных могли бы стать внутренние данные агрохолдингов и фермеров. Этот подход может иметь большие перспективы в будущем. Однако также вероятно, что потребуется система для агрегации этих данных, что сделает его непрактичным для крупномасштабного анализа.

Среди этих источников четвертый вариант, платформа мониторинга ALDN, оказался наиболее перспективным для получения комплексных данных в национальном масштабе. При соответствующей государственной политике эта база данных может быть значительно расширена. Однако из-за войны на Украине она сейчас не является главным приоритетом.

Решения: Модифицированная Модель RothC

Пространственное моделирование содержания органического углерода в украинских почвах было основано на структуре, похожей на ту, которую использовали Томислав Хенгль и коллеги для серии карт SoilGrids и Global Soil Organic Carbon Map в почвах, но с некоторыми упрощениями ^{Hengl, T., et al. (2017). SoilGrids250m: Global gridded soil information based on machine learning. PLOS ONE, 12, 2, e0169748. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0169748.}. Например, расчеты выполнялись только для пахотного слоя 0-30 см, поскольку это была единственная глубина, доступная в обучающем наборе данных.

Модели картирования были созданы с использованием статистической среды R с разрешением 250 метров на пиксель. Процесс включал четыре основных этапа, начиная с наложения точек наблюдения и ковариатов. При создании моделей картирования учитывались производные рельефа, такие как крутизна и экспозиция склона, кривизна поверхности, топографический индекс влажности, агроклиматические данные и другие факторы. Вторым шагом был выбор типа модели для пространственного прогнозирования. Для этой цели использовался алгоритм Random Forest, реализованный в пакете R «ranger».

Третьим шагом было моделирование органического углерода для определенных лет. Поскольку выбранный набор данных представлял данные с 2015 по 2020 год, модели применялись для создания карт органического углерода для каждого года в течение этого периода. Последним шагом было создание карт различий, используемых для отслеживания изменений уровней углерода с течением времени.

Потенциал секвестрации оценивался с использованием модифицированной версии модели EOSDA RothC из Технического руководства FAO 2020 года по Глобальной карте потенциала секвестрации органического углерода в почве (GSOCseq) ^{Rothhamsted Carbon Model (RothC): Understanding Soil Carbon Dynamics.}. Улучшения этой модели включали более быстрые алгоритмические вычисления, возможность выбора различных разрешений посредством повторной выборки и автоматический выбор уточненных факторов роста биомассы для различных типов сельскохозяйственных земель в Украине.

Результаты: Карта Органического Углерода Украины

Пространственное моделирование содержания органического углерода было проведено для визуализации как пространственных, так и временных изменений с 2015 по 2020 год. Несмотря на короткие временные ряды, ученые EOSDA видят значительный потенциал в прогнозировании уровней углерода, особенно с учетом последних достижений в моделировании.

Полученная нами модель потенциала депонирования углерода почвами агроландшафтов позволяет установить территории, на которых порой даже самые лучшие методы управления не обеспечат нейтрализацию выбросов органического углерода из почв.

Др. Василий Черлинка

Почвовед в EOSDA

После завершения этого анализа команда спрогнозировала содержание органического углерода на той же территории на следующие 20 лет, разыграв четыре разных сценария. Сценарий «Бизнес как обычно» (Business as usual, BAU) показывает потенциальное содержание углерода в верхнем слое почвы 0-30 см через 20 лет при консервативных подходах к землепользованию. Другие сценарии предсказывают низкий (SSM1 – 5%), средний (SSM2 – 10%) и высокий (SSM3 – 20%) рост поступления углерода. Результаты всех этих сценариев указывают на то, что Украина имеет высокий потенциал поглощения углерода, и при комплексном внедрении прогрессивных методов управления почвой можно достичь значительного положительного влияния на ее здоровье.

Перспективы: Использование Модели В Будущем

В ходе исследования команда столкнулась с несколькими проблемами, которые необходимо было решить. Первой из них была нехватка равномерно распределенных данных о профиле почвы для отдельных полей или участков мониторинга, как текущих, так и исторических. Геопривязка старых данных была особенно проблематичной, и по мере того, как команда углублялась в прошлое, становилось все меньше доступных наблюдений, что делало временные разрывы более критическими, чем пространственные. В будущем ученые ожидают более равномерно распределенных данных.

Еще одной проблемой были устаревшие и разнообразные данные. Исторические данные о профилях почв показали значительные вариации из-за разных методов и используемых лабораторий. Например, обнаружение фактических изменений в органическом углероде почвы с течением времени было затруднено, когда отношение сигнал/шум было низким, особенно для свойств с низкой временной динамикой, таких как содержание гумуса. В ближайшие несколько лет ожидается сбор более качественных данных по мере совершенствования технологий.

Команда также столкнулась с проблемами верификации. Проверка пространственно-временных моделей и прогностических моделей прошлых лет была практически невозможна, особенно в оккупированных и боевых зонах. Правильная верификация данных должна значительно ускорить будущую проверку моделей.

Несмотря на титанические усилия, дешевая, точная и масштабируемая прорывная технология мониторинга органического углерода и других почвенных показателей здоровья до сих пор не создана, и работа в этом направлении продолжается.

Др. Василий Черлинка

Почвовед в EOSDA

Однако необходимо сделать поправку на точность данных и невозможность получения результатов моделирования в зонах боевых действий, где сельскохозяйственная деятельность невозможна. Несмотря на эти ограничения, общие подходы остаются надежными. Они могут служить основой для пересчета результатов в сценариях, связанных с послевоенным восстановлением Украины и восстановлением ее сельскохозяйственного потенциала.