Научное обоснование создания карбоновой фермы

Полный текст

Введение Проблема секвестрации углерода имеет трансграничный характер и глобальный масштаб, в связи с чем она наиболее заметна для больших площадей - крупных территорий, отдельных стран или природных зон [1]. Борьба с проблемой изменения климата посредством эксплуатации карбоновых ферм и создание технологий поглощения парниковых газов и их влияние на окружающую среду - это относительно новое направление для дискуссий и обсуждений в научной среде как на территории Российской Федерации, так и за границей [2; 3]. Карбоновые фермы являются одним из методов оптимизации поглощения углерода с помощью внедрения способов, увеличивающих скорость удаления СО2 из атмосферы и его накопления в почвах земельных угодий и в органике растений. До тех пор пока традиционные методы ведения сельского хозяйства приводят к выбросу углерода, углеродное сельское хозяйство в форме ведения карбоновой фермы дает обратный эффект [4; 5]. В статье приведены результаты исследований с целью научного обоснования нового подхода к сокращению выбросов посредством оптимизации размещения сельскохозяйственных угодий с учетом секвестрационного потенциала земель на основе пространственного моделирования. Объект исследования В качестве объекта исследований выступают земли хозяйства Всероссийского НИИ мелиорированных земель (Калининский район, Тверская область). Хозяйство находится на юге Тверской области, в 15 км от Твери. Территория характеризуется умеренно-континентальным климатом. Температура воздуха зимой составляет в среднем -8 °С, летом +20 °С (на рис. 1 представлены данные о количестве осадков и средней температуре воздуха на территории Калининского района, где расположено хозяйство). Рис. 1. Средняя температура воздуха и количество осадков на территории Калининского района Тверской области [6] Источник: составлено авторами. В центральной части Восточно-Европейской равнины расположена Тверская область с характерным равнинным рельефом с чередующимися возвышенностями и низменностями. На территории хозяйства преобладают дерново-среднеподзолистые поверхностно-глееватые осушенные слабокаменистые почвы (29,22 %) и дерново-среднеподзолистые поверхностно-слабоглееватые осушенные почвы (18,71 %). Метод проведения исследования Последовательность исследований представлена на рис. 2. На первом этапе была создана база данных ГИС, содержащая данные о земельных ресурсах хозяйства. База данных включала в себя следующие карты: 1. Почвенная карта. За основу была взята бумажная почвенная карта хозяйства в масштабе 1:10000, созданная специалистами РОСГИПРОЗЕМа в конце 80-х гг. прошлого века, которая была привязана географически, векторизована и сопровождалась атрибутивной информацией о свойствах почв (рис. 3). Рис. 2. Схема последовательности работ по разработке оптимального сценария размещения земельных угодий хозяйства с точки зрения повышения секвестрации углерода Источник: составлено авторами. Рис. 3. Почвенная карта хозяйства: 1 - дерновосреднеподзолистые эрозионно опасные; 2 - дерновосреднеподзолистые слабокаменистые осушенные поверхностнослабоглеевые; 3 - дерновосреднеподзолистые поверхностнослабоглееватые осушенные; 4 - дерновосреднеподзолистые поверхностнослабоглееватые; 5 - дерновосреднеподзолистые осушенные поверхностноглеева тые; 6 - дерновосреднепозолистые поверхностноглееватые осушенные слабокаменистые; 7 - дерновосреднеподзолистые поверхностноглееватые осушенные слабокаменистые; 8 - дерновосреднеподзолистые поверхностноглееватые слабокаменистые; 9 - дерновосильноподзолистые профильноглееватые слабокаменистые осушенные; 10 - дерновосильноподзолистые профильноглееватые; 11 - дерновосильноподзолистые профильноглееватые осушенные; 12 - дерновосильноподзолистые поверхностноглееватые в комплексе до 10 % с дерновосильноподзолистыми профильноглееватыми;13 - перерытые земли; 14 - дерновосильноподзолистые профильноглееватые осушенные Источник: составлено авторами. 2. Карты характеристик рельефа. Для характеристики рельефа использовались данные об абсолютных высотах местности SRTM[1] (рис. 4). Данные имеют пространственное разрешение 90 м и получены по состоянию на начало текущего века. В ГИС была построена производная карта уклонов местности, которая и использовалась при анализе. 3. Карта фактического использования земель. Для оценки текущего использования земель были проанализированы снимки территории хозяйства, полученные с использованием беспилотного летательного аппарата Phantom 4 DJI FC 330 в 2020 и 2021 гг. Распознавание объектов происходило с использованием камеральных методов дешифрирования путем визуального анализа снимков с пространственным разрешением от 10 до 50 см. Карта использования земель хозяйства представлена на рис. 5. Рис. 4. Цифровая модель местности SRTM для территории хозяйства Источник: составлено авторами. Рис. 5. Карта текущего использования земель хозяйства поселка Эммаус. Источник: составлено авторами. Дополнительно были собраны литературные данные по секвестрации углерода для различных типов земельных угодий [1; 6][2]. На основе базы данных ГИС созданы карты оценки пригодности рельефа и почв для основных типов сельскохозяйственных угодий. Оценка пригодности проводилась на основе подходов к оценке земель ФАО, адаптированных к российским условиям [9]. С учетом пересечения между собой карт пригодности в ГИС были определены площади земель, пригодных под то или иное угодье. Решив задачу оптимизации площадей с учетом их секвестрационного углеродного потенциала методом линейного программирования, были получены площади распределения типов угодий на территории хозяйства, что позволило создать карты-сценарии для земельных угодий с учетом секвестрации углерода и выбрать наиболее оптимальный сценарий. После этого было проведено сравнение текущего использования земельных ресурсов и оптимального сценария с точки зрения секвестрации углерода. Пространственный анализ данных проводился с использованием пакета прикладных задач ILWIS 3.3[3]. Задачи оптимизации решались с использованием Microsoft Excel 2010[4]. Результаты и обсуждение Оценка пригодности земель по рельефу С применением программного обеспечения ILWIS были созданы карты оценки пригодности для различных типов угодий в соответствии с уклоном местности. Оценивалась пригодность под такие угодья, как пашня, пастбище, болото и лес, с использованием следующих градаций: пригодные, непригодные и ограничено пригодные (табл. 1). На рис. 6-9 представлены карты оценки пригодности рельефа для разных угодий (черный контур - граница хозяйства, зеленый цвет - пригодные земли, желтый цвет - ограниченно пригодные, красный цвет - непригодные земли). Таблица 1. Критерии оценки пригодности для разных типов угодий Тип угодья Пригодно Ограниченно пригодно Непригодно Пашня < 2 2-5 > 5 Пастбище < 5 5-8 > 8 Лес < 8 8-12 > 12 Болото < 2 - > 2 Источник: составлено авторами. Рис. 6. Карта пригодности рельефа для пашни Источник: составлено авторами. Рис. 7. Карта пригодности рельефа для пастбища Источник: составлено авторами. Рис. 8. Карта пригодности рельефа для леса Рис. 9. Карта пригодности рельефа для болота Источник: составлено авторами. Источник: составлено авторами. Оценка пригодности земельных ресурсов по типам почв Аналогично на основе почвенной карты были созданы карты с оценкой пригодности почв для разных типов угодий (рис. 10-13). Рис. 10. Карта пригодности почв для пашни: p - пригодно; o - ограниченно пригодно; n - непригодно Источник: составлено авторами. Рис. 11. Карта пригодности почв для пастбища: p - пригодно; o - ограниченно пригодно; n - непригодно Источник: составлено авторами. Рис. 12. Карта пригодности почв для леса: Рис. 13. Карта пригодности почв для болота: p - пригодно; o - ограниченно пригодно; p - пригодно; o - ограниченно пригодно; n - непригодно n - непригодно Источник: составлено авторами. Источник: составлено авторами. Интегральная оценка пригодности земель Для создания итоговых карт пригодности земель необходимо было создать пересечения карт по пригодности рельефа и почв для пашни, пастбища, леса и болота. Карты представлены на рис. 14-17. Рис. 14. Карта пригодности земель для Рис. 15. Карта пригодности земель пашни: p - пригодно; o - ограниченно при для пастбища: годно; p - пригодно; o - ограниченно пригодно; n - непригодно n - непригодно Источник: составлено авторами. Источник: составлено авторами. Рис. 16. Карта пригодности земель для Рис. 17. Карта пригодности земель леса: для болота: p - пригодно; o - ограниченно пригодно; p - пригодно; o - ограниченно пригодно; n - непригодно n - непригодно Источник: составлено авторами. Источник: составлено авторами. В качестве основы для оптимизации размещения угодий на территории хозяйства использовались данные табл. 2, составленной на основе данных литературного обзора [6; 7][5]. С помощью методов линейного программирования была построена модель оптимального состава угодий на территории хозяйства с использованием информации табл. 2 и пригодности земель. Данный метод использовался с целью получения рациональной структуры размещения угодий с максимальным поглощением углерода для каждого типа угодий. Задача решалась с максимируемым критерием оптимальности - средним запасом углерода. В конечном итоге метод линейного программирования позволил рассчитать площади угодий, при которых будет достигаться максимальная поглощающая способность земель хозяйства (табл. 3). Таблица 2. Запасы органического углерода в различных типах почв на различных угодьях Угодье Почвы Запасы Сорг, кг/м2 min max среднее Пахотные Дерновоподзолы, дерновоподзолистые почвы 4,40 7,8 6,1 Леса Дерновоподзолы, дерновоподзолистые почвы 5,30 8,7 7 Переувлажненные лу говые, заболоченные леса Подзолы глеевые, дерновоподзолисто глеевые, торфяно и торфянистоподзоли стоглеевые, дерновоглеевые и пере гнойноглеевые 10,00 25 17,5 Болота торфяноболотные 24,00 65 44,5 Луга, луговокустарни ковая растительность, заброшенная пашня Пойменные слабокислые и нейтральные, луговые и луговатые 21,20 36,8 29 Источник: составлено авторами. Таблица 3. Площади текущего использования земель с разными оценками пригодности, м² Тип угодья Ограниченно при> годно Пригодно Средний запас углерода, кг/м² Пашня 2 572 442 196 198 6,1 Пастбище 627 028 2 320 629 29 Лес 518 833 2 457 809 17,5 Болото 86 509 0 44,5 Всего угодий 2 976 642 Источник: составлено авторами. Таблица 4. Результат решения задачи оптимизации, м² Тип угодья Ограниченно при> годно Пригодно Сумма пригодных + ограниченно пригодных Пашня 298 0 298 Пастбище 568 908 2 320 628 2 889 536 Лес 298 0 298 Болото 86 509 0 86 510 Источник: составлено авторами. Решение задачи оптимизации показало (табл. 4), что земли, занятые болотами и пастбищами, обладают максимальной поглощающей способностью на территории исследований. Поэтому при создании карты оптимального распределения угодий сначала учитывались земли, максимально пригодные для болот и пастбищ, а оставшиеся земли были распределены между пашнями и лесами. Полученная карта представлена на рис. 18. Сравнение карты данного сценария с картой фактического использования земель показывает, что его внедрение потребует коренного изменения специализации хозяйства. Необходимая конверсия одних угодий в другие представлена в табл. 5. Согласно данным, приведенным в табл. 5 и на карте (рис. 18), около 67 % земель хозяйства должны быть конвертированы в другие угодья. Для увеличения секвестрации углерода и перехода к полностью карбоновой ферме необходимо будет постепенно изменить специализацию хозяйства с растениеводства на животноводство, а пашню (включая заброшенную) необходимо будет преобразовать в пастбища и сенокосы. Таблица 5. Сравнение площадей использования земельных ресурсов и площадей в соответствии с оптимальным с точки зрения секвестрации углерода на территории хозяйства Эммаусс Текущее использование зе> мель Предлагаемый тип угодий Класс пригодности Площадь, м2 Пашня Болото Ограниченно пригодно 40 809,1 Лес Ограниченно пригодно 423,7 Пастбище Пригодно 1 254 997,8 Пастбище Ограниченно пригодно 97 264,6 Пашня Ограниченно пригодно 276,3 Водная поверхность Пастбище Пригодно 2260,0 Пастбище Ограниченно пригодно 3904,8 Луг Болото Ограниченно пригодно 10 652,7 Пастбище Пригодно 614 018,0 Пастбище Ограниченно пригодно 110 059,5 Дренажный канал Пастбище Пригодно 1008,4 Пастбище Ограниченно пригодно 22,9 Лес Болото Ограниченно пригодно 24 469 Пастбище Пригодно 163 456 Пастбище Ограниченно пригодно 214 832 Прочая растительность Болото Ограниченно пригодно 6597 Пастбище Пригодно 159 202 Пастбище Ограниченно пригодно 130 736 Полевая дорога Болото Ограниченно пригодно 958 Пастбище Пригодно 24 645 Пастбище Ограниченно пригодно 6341 Мачта электропередачи Пастбище Пригодно 1128 Пастбище Ограниченно пригодно 19 Асфальтированная дорога Пастбище Пригодно 16 365 Пастбище Ограниченно пригодно 1625 Сооружения Пастбище Пригодно 208 Кустарники Болото Ограниченно пригодно 2175 Пастбище Пригодно 61 287 Пастбище Ограниченно пригодно 5668 Склад бревен Болото Ограниченно пригодно 141 Пастбище Пригодно 747 Источник: составлено авторами. Рис. 18. Карта оптимального с точки зрения секвестрации углерода распределения земельных угодий Источник: составлено авторами. Следует также отметить, что полученные результаты базируются лишь на анализе ресурсного потенциала земель и не включают в себя экономический анализ последствий предлагаемой конверсии земель, без которого практическое внедрение разработанного сценария вряд ли целесообразно. Однако они могут рассматриваться как основа для разработки рекомендаций по постепенной оптимизации землепользования хозяйства с целью придания ему большей эффективности с точки зрения секвестрации углерода и постепенного перехода к полностью карбоновой ферме. Заключение В рамках исследования был предложен пространственный сценарий оптимального размещения земельных угодий с учетом секвестрации углерода на примере хозяйства Всероссийского НИИ мелиорированных земель (Тверская область, Калининский район, поселок Эммаусс). Подобный сценарий позволяет дать оценку потенциалу использования земельных угодий хозяйства в качестве карбоновой фермы и оценивать возможности поглощения углерода сельскохозяйственными угодьями. Предложенный подход необходимо учитывать при разработке внутрихозяйственного плана землеустройства планируемой карбоновой фермы. Важно отметить, что исследование осуществлялось лишь на основе потенциала земельных ресурсов. Далее необходимо проводить исследования экономической эффективности такого типа размещения угодий, а также исследования для выбора потенциальных культур для размещения внутри карбоновой фермы. Создание карбоновых ферм может послужить механизмом достижения целей, поставленных в рамках COP26 по снижению выбросов парниковых газов, а также стимулировать развитие рынка торговли квотами на углерод.

Об авторах

Алёна Павловна Коновалова

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: psareva_ap@pfur.ru
ORCID iD: 0009-0000-4958-6274
SPIN-код: 8874-2330

аспирант, ассистент департамента рационального природопользования, институт экологии

Российская Федерация, 115093, Москва, Подольское шоссе, д. 8

Игорь Юрьевич Савин

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Email: savigory@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8739-5441
SPIN-код: 5132-0631

доктор сельскохозяйственных наук, академик РАН, профессор департамента рационального природопользования институт экологии; главный научный сотрудник, Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Российская Федерация, 115093, Москва, Подольское шоссе, д. 8; 119017, Москва, Пыжёвский пер., д. 7, стр. 2

Список литературы