Невідомий шлях рідкого вуглецю

Якщо на аграрних конференціях ми говоримо про вуглець, то зазвичай приходимо до висновку, що швидко і суттєво підвищити його рівень - неможливо. Більшість вчених вважають, що вуглець, безсумнівно, є корисним фактором, який слід враховувати в агрономії, але не лише щодо його секвестрації. Доктор Крістін Джонс не поділяє цю думку і стверджує, маючи вагомі докази, що підвищити рівень вуглецю цілком можливо швидко та досить суттєво. Зокрема, вона стверджує, що песимістичні висновки більшості вчених базуються на недосконалій або навіть помилковій моделі метаболізму вуглецю.

Якщо ми вызьмемо лише 2% із 445 мільйонів га сільськогосподарських угідь Австралії, то збільшення вмісту вуглецю у перших 30-ти сантиметрах ґрунтового профілю на 0,5% саме по собі зможе впевнено компенсувати річні викиди вуглекислого газу усієї Австралії. Секвестрація атмосферного вуглецю у ґрунті у вигляді гуміфікованого органічного вуглецю також відновлюватиме природну родючість,  значно покращить управління водними ресурсами та продуктивність виробництва, а також - забезпечить більшу стійкість до кліматичних змін, разом з тим залучаючи грошові кошти такі необхідні економіці агровиробництва, що постійно ускладнюється.

«Грунтовий розчин» для усунення надлишку вуглекислого газу (CO₂) з атмосфери зазвичай ігнорується, оскільки сучасні математичні моделі секвестрації вуглецю не враховують первинний шлях природного ґрунтоутворення.

Процес, за допомогою якого газ CO₂ перетворюється на гумус, триває вже мільйони років. Насправді це єдиний процес, за допомогою якого можна утворити верхній шар ґрунту. Коли ґрунти втрачають вуглець, вони також втрачають свою структуру, здатність накопичувати і вивільняти воду та поживні речовини.

Тому розуміння того, як формується ґрунт, має фундаментальне значення для забезпечення майбутньої життєздатності землеробства. Відновлення багатого вуглецем верхнього шару ґрунту є водночас єдиним практичним і ефективним варіантом продуктивного видалення мільярдів тон надлишкового CO₂ з атмосфери.

«Біологічна секвестрація» починається з фотосинтезу, природного процесу, за допомогою якого зелене листя перетворює сонячну енергію, CO₂ і воду в біохімічну енергію. Для рослин, тварин і людини вуглець є не забруднювачем, а життєво речовиною життя. Вуглець – основа всього живого!

На додаток до забезпечення поживою організмів, частина вуглецю фіксованого в результаті фотосинтезу, може зберігатися в більш стабільній формі або у формі деревини (в деревах або кущах), або у вигляді гумусу (у ґрунті).

Ці два процеси мають багато подібностей.

i) Перетворення CO₂ з повітря в деревину: утворення деревини за рахунок фотосинту в зеленому листі для уловлювання CO₂ з подальшою лігніфікацією (здерев’янінням), процесом у рослині, за допомогою якого прості сполуки вуглецю групуються в складніші та стабільніші молекули, для утворення дерев’янистої структури дерева.

ii) Перетворення CO₂ з повітря в ґрунт: утворення верхнього шару ґрунту проходить шляхом фотосинтезу у зеленому листі із захопленням CO₂, з подальшою гуміфікацією, процесом у ґрунті, за допомогою якого прості сполуки вуглецю групуються у складніші і стабільніші, формуючи гумінову структуру ґрунту.

Як сталося, що дерева продовжують перетворювати CO₂ на деревину, але ґрунт більше не перетворює CO₂ на гумус?

Відповідь досить проста. Для того, щоб дерева могли виробити нову деревину з «рідкого вуглецю», вони повинні бути живими та покритими зеленим листям.

Щоб ґрунт зміг виробити новий гумус з «рідкого вуглецю», він також повинен бути живим і вкритим зеленим листям.

Др. Джонс стверджує, що зелений місток, утворений багаторічними рослинами на пасовищах, дозволяє суттєво збільшити вміст вуглецю протягом відносно короткого періоду.

Незважаючи на захист ґрунту завдяки наявній органічній речовині, збільшення вмісту вуглецю відбувається повільно в стерневих, які обробляється хімією, та без багаторічних рослин.

 Виробництво стабільного вуглецю в ґрунті, це - процес із чотирьох стадій, який починається з фотосинтезу і закінчується гуміфікацією. Частина гуміфікації у цьому рівнянні на сьогодні відсутня в більшості систем аграрного виробництва, так само як і обов’язкова цілорічна присутність зеленого листя, як підтримки фотосинтезу та його здатності постачати вуглець у рідкій формі.

Цими факторами секвестрації вуглецю ґрунтом, було знехтувано, в моделях таких як Roth C.

Крістін Джонс відроджує усвідомлення біологічного шляху швидкого збільшення вуглецю у виснажених ґрунтах. За її словами, існуючі моделі не враховують цей шлях і значно недооцінюють потенціал поглинання вуглецю на сільськогосподарських угіддях.

Модель Roth С

Модель Roth C, як і інші моделі схожого типу, була розроблена вченими для математичного прогнозування руху вуглецю всередині ґрунту та ззовні. Вона заснована на припущенні, що більшість вуглецю надходить у ґрунт у вигляді біомаси, тобто шляхом розкладання листя, коренів та пожнивних решток.

Таким чином, модель надає корисні оцінки обігу вуглецю в ґрунтах, що обробляються за традиційною технологією, але не враховує секвестрацію вуглецю в ґрунтах, які активно живляться рідким вуглецем.

Коли вуглець потрапляє у ґрунт через розкладання коріння або у вигляді рослинних решток, він зрештою розкладається і повертається в атмосферу у вигляді CO₂. Звідси походить, – «мій ґрунт з’їдає мульчу», знайомі скарги як невеликих городників, так і професійних фермерів.

Звісно рослинні рештки важливі для трофічної функції ґрунту, для зменшення випаровування та зниження коливання температури, та вони, все ж, не призводять безпосередньо до підвищення рівня стабільного вуглецю.

І навпаки, потік рідкого вуглецю, який циркулює в екосистемі ґрунту через цитоплазму мікоризних грибів, можна швидко стабілізувати шляхом гуміфікації та зберегти на постійній основі, якщо прийнято застосовувати правильні практики вирощування культур.

Вуглецева мікоризна рідина

Типи грибів, які здатні виживати у ґрунтах що обробляються по традиційній технології землеробства, це насамперед – деструктори. Тобто вони отримують енергію з органічної речовини при її розкладанні, як у випадку з рослинними рештками, листям або відмерлим корінням. Як правило, ці типи грибів мають відносно обмежену мережу гіфів. Вони відіграють важливу роль для формування родючості та структури ґрунту, проте дуже незначним чином  впливають на накопичення вуглецю.

Мікоризні гриби істотно відрізняються від грибів-деструкторів тим, що вони отримують енергію в рідкому вигляді, у формі рідкого вуглецю, безпосередньо з коренів рослин, що зростають.

Існує багато типів мікоризних грибів. Види, що мають особливе значення для землеробства, часто називають арбускулярною мікоризою (AM) або мікоризою з везикулами та арбускулами (VAM), що належать до типу Phylum Glomeromycota.

Добре відомо, що мікоризні гриби отримують доступ до поживних речовин, таких як фосфор або цинк, і транспортують їх до коренів своєї рослини-господаря в обмін на рідкий вуглець - свою їжу. Вони також мають здатність з’єднувати рослини між собою та можуть полегшити передачу вуглецю та азоту між різними видами.

Ріст рослин, як правило, кращий за наявності мікоризних грибів, аніж за їх відсутності. Менш відомий факт того, що під час посухи або стресових ситуаціях (це має місце майже по всій Австралії) мікоризні гриби можуть відігравати надзвичайно важливу роль у динаміці вода/рослина, гуміфікації та процесах ґрунтоутворення. За належних умов більша частина рідкого вуглецю, що переноситься гіфами мікориз, буде гуміфіковано, - процес при якому прості форми вуглецю перетворюються на комплексні полімери. 

Розріз кореня, що показує гіфи мікоризи. Ці ниткоподібні гіфи переносять сонячну енергію у формі рідкого вуглецю до обширного кола мікроорганізмів, які беруть участь у харчуванні рослин і контролі хвороб. В обмін на рідкий вуглець, рослина отримує органічний азот, фосфор, сірку, калій, кальцій, магній, залізо та інші необхідні мікроелементи, такі як цинк, марганець і мідь. Однак при додаванні великої кількості азоту та/або фосфору в неорганічій формі, ці процеси постачання порушуються, як і функціонування мікроорганізмів. Хоча мікоризні організми не виробляють гумус безпосередньо, все ж без них важко буде розпочати процес гуміфікації. Фото Джилл Клеппертон

Гуміфікований вуглець

Такі молекули є великими та з високою молекулярною масою, складаються з вуглецю, азоту, мінералів і ґрунтових агрегатів. Отриманий гумус стає стабільною і невід’ємною частиною матриці ґрунту, яка здатна зберігатися сотні років.

Гуміфікований вуглець відрізняється фізично, хімічно та біологічно від лабільного запасу органічного вуглецю, який зазвичай формується на ґрунтах агровиробництва. Лабільний органічний вуглець в основному походить із сировини у вигляді біомаси (наприклад рослинних решток), яка досить легко розкладається.

І навпаки, більша частина гуміфікованого вуглецю надходить від прямого введення екзудатів та перенесення рідкого вуглецю від коренів рослин до мікоризних грибів та інших симбіотичних чи асоціативних мікроорганізмів.

Коли атмосферний CO₂ секвеструється у вигляді гумусу, він (як і у випадку з лігніном деревини і т.д.) дуже стійкий до мікробного розкладання та окислення.

Умови, необхідні для процесу гуміфікації, порушуються при застосуванні гербіцидів, фунгіцидів та інших пестицидів, фосфорних та азотних добрив. З іншого боку, вони посилюються у присутності гумінових речовин, таких як гумінові та фульвокислоти, а також «компостних чаїв», особливо коли ці речовини поєднуються з мікробними інокулянтами.

Біологічне середовище, сприятливе для утворення гумусу, зазвичай пов’язане з агроекологічними методами, які зберігають ґрунт зеленим та вкритим протягом усього року.

Така гуміфікація можлива і в системах однорічних культур, за умови уникнення тривалих періодів відсутності культури, постійного покриття ґрунту та використання добрив біо-активаторів, аніж продуктів з антимікробною дією.

Перехід від однорічних до багаторічних культур може подвоїти рівень секвестрації вуглецю за відносно короткий період. Це й не дивно, враховуючи, що фотосинтез і «мікоризний шляхопровід вуглецю» є найважливішими факторами формування ґрунту.

Пасовища (прямий посів в пасовище в період спокою)

Саме в багаторічних пасовищах активний період фотосинтезу найдовший протягом року. Крім того, постійна присутність живої рослини-господаря є стабільним джерелом рідкого вуглецю, а також забезпечує ідеальне середовище проживання мікоризних грибів.

Практика «вирощування культур по пасовищі» (прямий посів в законсервоване пасовище), метод, при якій однорічна культура, посіяна бажано без гербіцидів, буде розвиватися поза фазою активного розвитку присутніх багаторічних рослин, що дозволить ефективнішому формуванню ґрунту, навіть у  порівнянні із  постійним пасовищем окремо.

Це явище можна пояснити активним надходженням рідкого вуглецю протягом всього року підтримуючи процес гуміфікації в період спокою багаторічних культур.

Вирощування культур на пасовищі: овес, культура типу С3, у процесі проростання – було посіяно в пасовище типу С4 у період спокою. Зображення надано Ulrich Schreier.

Цікава деталь: розвиток однорічної культури в такій системі може бути однаковим або навіть перевершувати розвиток у порівнянні з монокультурою.

Це, безсумнівно, ознака інтенсивнішої біологічної активності, покращення структури ґрунту, ефективнішого живлення, оптимального водного балансу (кращого підйому і перерозподілу вологи) та інших переваг, пов’язаних з мікрокліматом, які додаються при спільному зростанні з багаторічними рослинами.

Ні однорічні культури, ні пасовища, які вирощуються за відсутності багаторічних рослин, не мають таких переваг. Насправді, коли багаторічний рослинний покрив недостатній, найчастіше ґрунти погіршуватимуться, що призводе до проблем структурності, токсичності, перезволоження, дисбалансу мінералів, засолення, ерозії та заселення бур’янами.

Звісно є докази того, що однорічні культури, як і багаторічні можуть отримувати користь від спільного зростання. Знадобиться час, щоб знайти найоптимальніші комбінації для різноманітних варіацій ґрунтів, що зустрічаються в аграрних регіонах східної, південної та західної Австралії.

Поки що Гвінейська трава (Panicum maximum) була найпривабливішою багаторічною травою для асоціацій культур. Ця трава зростає у дивовижно різноманітних середовищах, починаючи від центрального Квінсленда до північного, східної та центральної частини Нового Південного Уельсу, Вікторії та аграрних регіонів південної, центральної та північної частини Західної Австралії.

Листя і стебла Гвінейської трави (Panicum maximum) містять кілька природних ендофітів, які можуть фіксувати азот, що сприяє здоровому живленню культури.

Суттєве зростання вмісту вуглецю у ґрунті

За хороших умов від 40% до 60% вуглецю, засвоєного зеленим листям, заходить у ґрунт у вигляді кореневих екзудатів та швидко гуміфікується. Таке надходження дозволяє секвеструвати від 5 до 20 тон CO₂ на гектар протягом року.

В окремих випадках без будь-якого внесення зовнішнього джерела біомаси,  спостерігалося поглинання понад 20 тон/га CO₂ протягом року. Це явище свідчить про те, що в цих ситуаціях «мікоризний шляхопровід вуглецю» був основним важілем формування ґрунту.

При переході від землеробства яке базується виключно на однорічних рослинах, до систем, які також містять багаторічні рослини, можна за три-п’ять років подвоїти вміст вуглецю у верхньому шарі ґрунту, особливо, якщо на початку цей показник буде нижчим ніж 2%.

В аграрних регіонах східної, південної та західної Австралії збільшення вмісту вуглецю на 0,5-1% можна досягти досить легко за допомогою лише кількох простих змін у практиці вирощування культур.

Майже 60% австралійського континенту зараз призначено для виробництва харчових продуктів.

Однак у наступні десятиліття стійкість агроресурсів перед новими кліматичними викликами набуватиме все більшого значення, як на національному, так і на міжнародному рівнях. Кожні 27 тонн біологічно секвестрованого вуглецю відповідають 100 тоннам CO₂, поглинутого з атмосфери. Бонусом цього досягнення буде набагато стабільніше і рентабельніше виробництво харчових продуктів.

У ґрунтах що експлуатуються за традиційними методами, переважає процес заробки та розкладання біомаси – вивільнення CO₂. Проте, якщо нам не вдасться досягти успіху та відійти від цієї моделі, яка продовжує спричиняти деградацію наших ґрунтів, - вирощувати культури ефективно та продуктивно буде все важче. Ця дилема є особливо гострою в дедалі спекотніших  та сухіших умовах.

Доктор Крістін Джонс, еколог ґрунтів та польовий агроном, працює з інноваційними фермерами та власниками ранчо, які впроваджують практики регенерації своїх ґрунтів, збільшення біорізноманіття, кращого кругообігу поживних речовин, збільшення секвестрації вуглецю та продуктивності, а також покращення якості води, включаючи ресурси питної води (захист вододолів).

Вона заснувала організацію Amazing Carbon (amazingcarbon.com), щоб ділитися своїм баченням і надихати на зміни в методах ведення землеробства. У 2005 році Доктор Джонс провела перший із п'яти форумів «Управління циклом вуглецю», щоб сприяти розумінню переваг пов’язаних з вуглецем, який накопичується в ґрунті. Нині вона всесвітньо визнана як науковець, викладач і доповідач конференцій.

Джерела:
http://vernoux.org/agronomie/Liquid_Carbon_Pathway_Unrecognised_Dr._Christine_Jones.pdf
http://www.amazingcarbon.com/PDF/JONES-LiquidCarbonPathway(July08).pdf
Translation and adaptation by = Переклад та адаптація: Павло Котляр