За матеріалами статті на тему «Вплив кліматичних змінних на вміст вуглецю в корені цукрового буряка» («Impact of climatic variables on carbon content in sugar beet root») міжнародного наукового журналу «Агрономія» («Agronomy»), 2018, 8, 147.

Галузь сільського господарства, лісового господарства та інші галузі, пов’язані з землекористуванням, несуть відповідальність лише за чверть антропогенних викидів парникових газів, пов’язаних головним чином із вирубуванням лісів та викидами сільського господарства від розведення ВРХ, обробки ґрунтів та внесення добрив. Тому сільськогосподарське виробництво є головним фактором викидів парникових газів в атмосферу, як безпосередньо в процесі ведення сільського господарства та біохімічних процесів, що відбуваються на сільськогосподарських ґрунтах, так і опосередковано — через використання викопного палива в господарстві або у виробництві агрохімікатів. Тим не менш, галузь сільського господарства має особливість бути не тільки джерелом цих викидів, але й може володіти антропогенною здатністю поглинати CO₂, що має значний потенціал для пом'якшення кліматичних змін.

У процесі фотосинтезу сільськогосподарські культури поглинають вуглець з атмосфери. Вуглекислий газ, виділений рослинами, є результатом різниці між СО₂, засвоєним у процесі фотосинтезу, та СО₂, виділеним у процесі дихання, та становить 40-50% від сухої речовини рослинної біомаси. Отже, так як динаміка росту рослин висока, сільськогосподарські культури можуть вважатися поглиначами вуглецю. Тим не менш, слід враховувати фактори навколишнього середовища (радіацію, температуру, опади, поживні речовини в ґрунті та концентрацію СО₂), а також те, що рослини по різному реагують на різні умови навколишнього середовища.

Діяльність галузі сільського господарства, лісового господарства та інших галузей, пов’язаних із землекористуванням, має двобічний характер як виділення, так і поглинання CO₂. Із цієї причини в останні декілька років, в умовах зеленої економіки, деякі ініціативи, пов'язані з економічною діяльністю галузей, пов’язаних із землекористуванням, воліють посилатися на баланс вуглецю, а не на вуглецевий слід, оскільки перший враховує не лише викиди, але й також вуглець, асимільований агролісовими системами.

Вплив діяльності галузі сільського господарства, лісового господарства та інших галузей, пов’язаних із землекористуванням, визначений методологіями оцінки життєвого циклу, значною мірою залежить від точності та обсягу їх баз даних; однак у більшості випадків доступними є лише загальні або приблизні дані через відсутність досліджень. Таким чином, загальний вміст вуглецю зазвичай визначається шляхом множення цих приблизних даних (отриманих із конструкційного матеріалу, целюлози та вмісту цукру) на біомасу, не враховуючи вплив умов навколишнього середовища, пов'язаних з місцем розташування. Це також стосується цукрових буряків — важливої промислової культури в регіоні Кастилія-Леон (Іспанія), що вирощується в основному для виробництва цукру. Незважаючи на те, що існують численні дослідження вуглецевого сліду цієї культури та її побічних продуктів, експериментальних досліджень вмісту вуглецю замало, натомість використовуються приблизні дані.

За останні декілька десятиліть цукрові буряки зазнали важливих змін, зумовлених поліпшенням сортів та кращою культурологічною практикою: більш рання посівна, більша густота посівів, більш ефективне використання добрив, боротьба зі шкідниками та хворобами тощо. Виробничий потенціал цукрових буряків випливає з їх здатності поглинання сонячного випромінювання у процесі фотосинтезу, тобто здатності максимально швидкого змикання рядків та підтримки зеленого покриву протягом максимально довгого часу, оптимізуючи поглинання сонячного світла. Відомо, що рослинний покрив цукрових буряків досягає свого максимуму з завершенням максимального сонячного випромінювання після повільного розвитку листя навесні. Буряк поглинає СО₂ та накопичує цукор, який використовується рослиною для підтримки метаболізму, розвитку листя, утворення кореневої тканини і, в кінцевому підсумку, для накопичення цукру в коренеплоді. Із ферментної точки зору, чисте накопичення цукру в коренеплоді відбувається на перших стадіях росту при підвищеній активності ферменту сахарозосинтази. Після чого спостерігається сповільнення швидкості збільшення поляризації (вмісту цукру), допоки вона не припиняється або навіть не стає негативною (початок активності інвертази сахарози).

Існує певна невизначеність щодо того, чи обмежується приріст та накопичення цукру в цукрових буряках зовнішніми умовами, а саме кліматом, добривами, ґрунтом тощо, або чи таке обмеження є онтогенетичним. Мілфорд та ін. заявляли, що температура є основним фактором для росту цукрових буряків і що тепловий час пояснює зміни, які відбуваються на різних стадіях їх розвитку. Вільяріас-Мораділло, де Ліньян та Вісент стверджували, що в Кастилія-Леоні (Іспанія) кількість необхідного тепла для появи сходів становить 120-130°С · днів (10-12 днів). Халл та Вебб зазначили, що тривалість вегетаційного періоду має значний вплив на врожайність цукрових буряків.

Існують дослідження, які підтверджують те, що потенційна врожайність цукрових буряків залежить в основному від місця їх вирощування та впливу року вирощування (погодні умови під час вегетаційного періоду), тоді як вплив агрономії є не таким значущим.

Інші важливі фактори, які потребують подальших досліджень, пов'язані з потребами рослин у воді, які, в свою чергу, пов'язані з опадами, температурою, випаровуванням та вологоутримуючою здатністю ґрунту, хоча Таннер та Сінклер зазначали, що буряк є «ефективним користувачем» води. Крім того, Фабейро та ін. повідомляли, що цукровий буряк — посухостійка рослина, яка може забезпечувати промисловий урожай, навіть, в умовах обмеженого зрошення. Вирішальним фактором для отримання хорошого врожаю є зрошення в період проростання насіння та появи сходів, а вміст води в ґрунті при оптимальній природній вологоємності ґрунту в Іспанії складав 12-15%.

Іншим фактором, який також слід враховувати, є роль азоту в розвитку листя буряка для забезпечення поглинання сонячного світла (радіації). Концентрація азоту в листі, органах рослини, що відповідають за фіксацію СО₂, вважається елементом, який суттєво змінює темпи росту як листя, так і кореня. Відомо, що концентрація азоту в листі збільшується протягом перших 70 днів, а потім починає зменшуватися. Було проведено багато досліджень внесення оптимальної кількості добрив, взаємозв’язку добрив та зрошення, а також впливу внесення вуглецю на цукрові буряки. Окрім того, також було досліджено фактори, які можуть впливати на склад кореня буряка, який є критичним фактором для промислової якості коренеплоду та, зокрема, для процесу екстракції цукру. Під час збирання врожаю корінь буряка містить 77% води та 23% сухої речовини, 70-76% сахарози, 18% жому та 6% інших речовин, таких як бетаїн. Жом складається з усіх компонентів, які залишаються нерозчинними після екстрагування гарячою водою (при 80°С), а саме целюлози, геміцелюлози, пектинових речовин, сапонінів, ліпідів, лігнінів тощо. Концентрація жому залежить від культивованої площі та сорту цукрових буряків.

Незважаючи на безліч досліджень впливу вищезазначених факторів, бракує польових досліджень різниці відсоткових значень вуглецю, що міститься в біомасі цукрових буряків, вирощених на різних ділянках. Насправді, дослідження світового циклу вуглецю та екологічної стехіометрії стверджують, що зміни вмісту вуглецю в рослині пояснюються більше біологічною формою та органом рослини, ніж кліматичними чинниками.

Основною метою даного дослідження є поглиблення розуміння різних факторів, які впливають на ріст цукрових буряків та з’ясування чи залежить вміст вуглецю під час збирання врожаю (та, в свою чергу, загальна кількість СО₂, поглинутого цукровими буряками) від місця їх вирощування. Інакше кажучи, чи змінюється вміст вуглецю в рослинах у залежності від різних місць їх вирощування, ґрунтів та кліматичних умов? Для цього визначався вплив погодних/екологічних умов на кількість вуглецю, виділеного рослинами у чотирьох різних місцевостях регіону Кастилія-Леон із використанням аналізу ANOVA, а також факторного та кластерного аналізу. На частку обраного регіону припадає 90% іспанського виробництва цукрових буряків — 26 573 га. Крім того, північ Іспанії — це територія Європейського Союзу, де досягають найвищих показників урожайності — 33,7% фермерів отримують більше 120 т/га.

Матеріали та методи

Польові випробування

Польові випробування цукрових буряків проводилися на фермерських полях на 3 ділянках у 2011 році (1-й рік вирощування) та на 4-х ділянках у 2012 році (2-й рік вирощування) в регіоні Кастилія-Леон, на північному заході Іспанії (Графік 1). Періоди вирощування, від посівної до збирання врожаю, зазначені в Таблиці 1.

Графік 1. Оглядова карта місць експерименту. LN: Лагуна де Негрільйос; M: Мосгаз де Посеред; P: Памплієга; V: Вертавільйо; VV: Віллавія. 

Таблиця 1. Терміни посівної та збирання, період вирощування для чотирьох досліджуваних ділянок

Щоденні дані про погоду протягом періоду вирощування (Таблиця 2) надходили з шести місцевих автоматичних метеостанцій, що належать до мережі SIAR (Агрокліматичної інформаційної системи зрошення) MAPAMA (Міністерства сільського господарства, продовольства та довкілля Іспанії). Усі метеостанції знаходилися в радіусі 20 км від місць проведення експерименту.

Таблиця 2. Дані про погоду за 2011 та 2012 роки місцевих метеостанцій SIAR. T: середня температура (°С); P: загальна кількість опадів (мм); ETo: загальна евапотранспірація (мм); R: загальна радіація (МДж · м⁻²) у період вирощування. Детальна інформація про евапотранспірацію та дози зрошення (мм) протягом періоду зрошення (який розпочався 2 червня та 3 травня в 2011 році; 2 червня та 3 травня в 2012 році).

Погодні дані Таблиці 2, а саме температура (T), опади (P), евапотранспірація (ETo) та радіація (R), були використані як вхідні дані для обчислення 12 додаткових кліматичних змінних, узагальнених у Таблиці 3.

Таблиця 3. Розрахункові кліматичні змінні

a.e. — після проростання, a.s. — після посівної. Дата проростання вказує на день появи 50% сходів.

За даними Кентера, Гофмана та Мерландера, існує позитивна кореляція між ростом кореня та листя та середньою температурою протягом перших днів росту (0-65 днів після посівної (а.s.)). В останньому періоді  розвитку рослин (через 175 днів після посівної (a.s.)) найбільший вплив на їх ріст має сонячна радіація.

Отже, беручи до уваги, що температура та радіація є важливими факторами для розвитку сільськогосподарських культур, було розраховано шість кумулятивних змінних радіації (R1-R6) та три середніх температурних змінних (T1-T3), враховуючи кількість днів після посіву. Таким чином, можна було відрізнити накопичену радіацію або температуру на ранніх стадіях вирощування (R2, R4, T1, T2), від кінця перших етапів до збирання врожаю (R3) та на завершальних стадіях вегетативного життя ( R5, R6).

Крім того, 18°C було взято за ідеальну середню температуру для росту коренеплодів у літні місяці (Т3), припускаючи, що втрата накопичення сухої речовини відбувається при відхиленнях від цієї оптимальної температури.

Змінні, що відносяться до теплового періоду (GDD — збільшення суми активних температур), розраховувалися щодня та на загальній основі з використанням базової температури 3°C. Збільшення суми активних температур було тісно пов'язане з фенологічним розвитком та стадією росту рослин.

Попередні роботи Мілфорда та ін. припускали, що бл. 750°C · днів необхідні буряку для повного змикання рядків, тоді як Малну, Джаггард та Спаркс повідомляли, що для змикання 85% рядків потрібно 900°C · днів та 100 кг N · га⁻¹. Кентер, Гофман і Мерландер дійшли до висновку, що суха речовина листя збільшується лінійно, тоді як суха речовина кореня збільшується експоненціально — до 1200°С · днів.

Характеристики ґрунту та внесення добрив досліджуваних ділянок представлені в Таблиці 4. Терміни посівної та збирання врожаю, внесення добрив, зрошення та інші агрономічні практики фермери визначали та проводили згідно з рекомендаціями AIMCRA (Іспанської дослідницької асоціації підтримки виробництва цукрових буряків). Отже, так як ділянки отримували повну рекомендовану норму живильних елементів та зрошення, погодні умови були головним фактором, який мав значний вплив на ріст рослин та кінцеву врожайність. Вважається, що доступність живильних речовин та води не є обмежуючими факторами для росту буряків.

Таблиця 4. Дані аналізу ґрунтів та внесення добрив у 2011 та 2012 роках. LN: Лагуна де Негрільйос; M: Мосгаз де Посеред; P: Памплієга; V: Вертавільйо; VV: Віллавія. 

AW — доступна вода (виражена у відсотках від сухої біомаси); SOM — ґрунтова органічна речовина; P — фосфор; К — калій; Mg — магній; Са — кальцій; Na — натрій; CO₃²⁻ — карбонати; N — рекомендована доза азоту. I і II стоять на 2011 і 2012 роки відповідно.