Розрахунок Вмісту Органічного Вуглецю У Ґрунтах України

Огляд: Зміни Клімату Та Поглинання Вуглецю

Однією з найбільших проблем, з якими стикається сьогодні людство, є глобальне потепління. Щоб розв’язати цю проблему, було започатковано кілька міжнародних ініціатив щодо зменшення впливу людини на клімат, таких як Рамкова конвенція ООН про зміну клімату (1992), Кіотський протокол (1997), Паризька кліматична угода (2015) і Кліматичний пакт Глазго (2021) ^{Global Climate Action. European Commission.}.

Серед них Паризька угода є особливо важливою, оскільки вона зобов’язує країни скорочувати викиди вуглецю, щоб утримати глобальне потепління нижче 1,5°C, що є критичним порогом, щоб уникнути катастрофічних кліматичних сценаріїв. Якщо країни не виконають своїх обіцянок за Паризькою угодою, підвищення глобальної температури призведе до неминучих стихійних лих до кінця цього століття.

Хоча існує багато дискусій щодо методів і масштабів скорочення викидів, роль ґрунтів у вловлюванні вуглекислого газу широко визнана. Нещодавно потенціал сільськогосподарських ґрунтів поглинати вуглекислий газ був визнаний одним із найбільш економічно ефективних і екологічно чистих способів боротьби зі змінами клімату. Використання здатності ґрунту поглинати CO2 допомагає пом’якшити кліматичні зміни та підвищити родючість ґрунту. Це пояснюється тим, що збільшення органічних речовин у ґрунті покращує його якість та здоров’я. Такі практики сталого фермерського управління, як мінімізація обробітку ґрунту та уникнення його ротації, зменшують розпад органічної речовини та запобігають ерозії, спричиненій водою та вітром. Ці методи разом допомагають підвищити або відновити родючість ґрунту.

Однак оцінці справжнього потенціалу поглинання вуглецю в ґрунті в національному та ширшому масштабах часто заважає відсутність високоякісних даних про вміст органічного вуглецю в ґрунті. Наша наукова команда звернулася до українських ґрунтових баз даних та архівів, щоб отримати відповідні дані та оцінити, чи можливо створити модель прогнозування органічного вуглецю для такої масштабної території, як вся Україна, із величезними 45 мільйонами гектарів сільськогосподарських угідь.

Проблеми: Лакуни Ґрунтових Даних

В Україні основною проблемою в оцінці запасів, динаміки та потенціалу поглинання вуглецю є брак даних. Наразі існує кілька потенційних джерел для отримання даних про вміст органічного вуглецю. Розглянемо кожну з них докладніше.

Деякі зразки ґрунту, зібрані з 1957 по 2016 рр., зберігаються в ННЦ «Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О. Н. Соколовського» (ННЦ ІССАР)  ^{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.}. Майже 4000 зразків було використано для створення української частини Global Soil Organic Carbon Map з роздільною здатністю 1 км/піксель. Єдина проблема полягала в тому, що набір даних був здебільшого недоступним через політику власника, а розмір вибірки був надто малим і застарілим для комплексного аналізу.

Інші дані можна знайти в Держгеонадрах України (Держгеокадастр). Результатом широкомасштабного ґрунтового обстеження України в 1957-1961 роках було складено ґрунтову карту, що охоплює 75% території країни, масштабом 1:10 000 і базується на зібраних до одного мільйона проб. Однак недоступність через політику власника та нецифрований формат робить дані неможливими для використання.

Третім набором даних, який потенційно можна було б використати в цьому дослідженні, було агрохімічне дослідження, яке проводилося кожні п’ять років, причому 12-й раунд зараз відбувається, попри тяглу війну. Український державний інститут «Інститут охорони ґрунтів України» (ДУ НДІ) не дозволяє використовувати свої дані через свою політику. Крім того, нецифрований формат, відсутність геоприв’язки в старих зразках і дані, зібрані на великих територіях, а не на конкретних місцях, становлять значні блоки для дослідження.

Наступний потенційний набір даних сформувала Моніторингова платформа National Agriculture Land Degradation Neutrality (ALDN), створена Українським Грунтовим Партнерством (УГП) за підтримки в рамках реалізації проєкту FAO, що фінансується GEF. Дані включають 1000 даних ґрунтових профілів з NSC ISSAR, 750 моніторингових ділянок з ДУ НДІ та 4030 полів, що становить 5780 зразків ґрунту, зібраних у 2015-2020 роках.

П’ятим і останнім потенційним набором даних могли бути внутрішні дані агрохолдингів і фермерів. Такий підхід може мати велику перспективу в майбутньому. Однак також вірогідно, що знадобиться система для агрегування цих даних, що робить цей підхід непрактичним для широкомасштабного аналізу.

Серед цих джерел найперспективнішим для отримання вичерпних даних національного масштабу виявився четвертий варіант – моніторингова платформа ALDN. При відповідній урядовій політиці ця база даних може бути значно розширена. Але через війну в Україні зараз це не є пріоритетною задачею.

Рішення: Модифікована Модель RothC

Просторове моделювання вмісту органічного вуглецю в українських ґрунтах ґрунтувалося на структурі, подібній до тієї, яку використали Томіслав Хенгл та його колеги для серії карт SoilGrids і Global Soil Organic Carbon Map, але з деякими спрощеннями ^{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.}. Наприклад, розрахунки проводилися лише для орного шару 0-30 см, оскільки це була єдина глибина, доступна в навчальному наборі даних.

Картографічні моделі були створені за допомогою статистичного середовища R з роздільною здатністю 250 метрів на піксель. Процес включав чотири основні етапи, починаючи з накладання точок спостереження та коваріантів. При створенні картографічних моделей враховувалися такі похідні рельєфу, як крутизна та експозиція схилів, кривизна поверхні, топографічний індекс вологості, агрокліматичні дані та інші фактори. Другим кроком був вибір типу моделі для просторового прогнозування. Для цього використовувався алгоритм Random Forest, реалізований у пакеті R «ranger».

Третім кроком було моделювання органічного вуглецю за конкретні роки. Оскільки обраний набір даних представляв вибірку з 2015 по 2020 роки, моделі були застосовані для створення карт органічного вуглецю для кожного року в межах цього періоду. Останнім кроком було створення карт відмінностей, які використовуються для відстеження змін рівнів органічного вуглецю з часом.

Потенціал поглинання було оцінено за допомогою модифікованої версії моделі EOSDA RothC з Технічного посібника FAO 2020 року щодо Глобальної карти потенціалу поглинання органічного вуглецю в ґрунті (GSOCseq) ^{Rothhamsted Carbon Model (RothC): Understanding Soil Carbon Dynamics.}. Удосконалення цієї моделі включали швидші алгоритмічні розрахунки, можливість вибору різних роздільних здатностей шляхом повторної вибірки та автоматичний вибір уточнених факторів росту біомаси для різних типів сільськогосподарських угідь в Україні.

Результати: Карта Органічного Вуглецю України

Просторове моделювання вмісту органічного вуглецю було проведено для візуалізації як просторових, так і часових змін з 2015 по 2020 рік. Незважаючи на короткий часовий ряд, вчені EOSDA бачать значний потенціал у прогнозуванні рівнів вуглецю, особливо з огляду на останні досягнення в моделюванні.

Отримана нами модель потенціалу поглинання вуглецю ґрунтами агроландшафтів дозволяє встановити території, в яких іноді навіть найкращі практики господарювання не забезпечать нейтралізацію викидів органічного вуглецю з ґрунтів.

Др. Василь Черлінка

Ґрунтознавець в EOSDA

Після завершення цього аналізу команда передбачила вміст органічного вуглецю на тій самій території протягом наступних 20 років, розігруючи чотири різні сценарії. Сценарій «Бізнес як завжди» (Business as usual, BAU) показує потенційний вміст вуглецю у верхньому шарі ґрунту 0-30 см через 20 років із консервативним підходом до землекористування. Інші сценарії передбачають низьке (SSM1 – 5%), середнє (SSM2 – 10%) і високе (SSM3 – 20%) збільшення надходження вуглецю. Результати всіх цих сценаріїв вказують на те, що Україна має високий потенціал поглинання вуглецю, і завдяки комплексному впровадженню прогресивних методів управління ґрунтами можна досягти значного позитивного впливу на здоров’я ґрунту.

Перспективи: Використання Моделі В Майбутньому

Під час дослідження команда зіткнулася з кількома проблемами, які необхідно було вирішити. Першою була нестача рівномірно розподілених даних профілю ґрунту для окремих полів або ділянок моніторингу, як поточних, так і історичних. Геореференція старих даних була особливо проблематичною, і в міру того, як команда поверталася далі в минуле, спостережень ставало менше, що робило тимчасові прогалини більш критичними, ніж просторові. У майбутньому вчені очікують більш рівномірно розподілених даних.

Іншою проблемою були застарілі та різноманітні дані. Історичні дані щодо ґрунтових профілів показали значні варіації через різні методи та використовувані лабораторії. Наприклад, виявлення фактичних змін органічного вуглецю в ґрунті з часом було складним, коли співвідношення сигнал/шум було низьким, особливо для властивостей із низькою часовою динамікою, як-от вміст гумусу. Очікується, що в найближчі кілька років у міру вдосконалення технологій збір даних стане якіснішим.

Команда також зіткнулася з проблемами верифікації даних. Перевірка просторово-часових моделей і прогнозних моделей попередніх років була майже неможливою, особливо в окупованих зонах і зонах бойових дій. Належна верифікація даних повинна значно прискорити майбутню перевірку моделі.

Попри титанічні зусилля, дешева, точна та масштабована революційна технологія моніторингу органічного вуглецю та інших ґрунтових показників здоров’я ґрунту ще не створена, і робота в цьому напрямку триває.

Др. Василь Черлінка

Ґрунтознавець в EOSDA

Однак необхідно врахувати точність даних і неможливість отримати результати моделей в зонах бойових дій, де сільськогосподарська діяльність неможлива. Всупереч цим обмеженням, загальні підходи залишаються надійними. Вони можуть бути основою для перерахунку результатів у сценаріях післявоєнної відбудови України та відновлення її сільськогосподарського потенціалу.