Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 497, № 1, стр. 96-102

ВВЕДЕНИЕ

Углеродные калькуляторы – программы для расчета эмиссии парниковых газов (ПГ), или так называемого углеродного следа, от сельскохозяйственного производства в масштабах одного предприятия. Обычно они состоят из нескольких программных модулей, посвященных животноводству, растениеводству, управлению отходами, использованию топлива и энергии, и построены по принципу выпадающего меню и введения небольшого количества переменных в фиксированные ячейки. Калькуляторы появились в 2010-х годах после опубликования в 2006 г. методик МГЭИК и начали активно использоваться в мире, начиная с европейских стран. Но в России они не распространены, до сих пор ни одной русскоязычной публикации, посвященной этой теме.

По нашим прогнозам, в ближайшее время применение углеродных калькуляторов в нашей стране должно стать особенно актуальным, поскольку подобные технологии могут помочь уменьшить эмиссию ПГ от животноводства, хотя до нуля она никогда не снизится. По данным Национального доклада о кадастре парниковых газов, более трети эмиссии ПГ от сельского хозяйства составляют выбросы метана от внутренней ферментации домашних животных. В 2018 г. они были равны 49.0 млн т СО₂-экв., при общей эмиссии от сектора 126.7 млн т СО₂-экв. Введение углеродного сбора (в соответствии с принципами Парижского соглашения) негативно скажется на сельскохозяйственных предприятиях и может поставить под угрозу продовольственную безопасность страны [2].

С нашей точки зрения, можно выделить пять преимуществ углеродных калькуляторов:

• работают онлайн, находятся в свободном доступе,

• позволяют рассчитывать, сравнивать потоки между собой и прогнозировать их интенсивность,

• просты в использовании,

• дают оценку на уровне хозяйства,

• могут быть использованы для широкого круга сельскохозяйственных предприятий.

По нашему мнению, следует указать на недостатки углеродных калькуляторов:

• внутренние параметры и встроенные уравнения не могут быть скорректированы,

• учитывают только антропогенные факторы эмиссии,

• не учитывают климатические параметры и особенности природных зон,

• слабо представлены модули поглощения углерода.

На наш взгляд, калькуляторы мало пригодны для оценки эмиссии ПГ от растениеводства, поскольку не позволяют учесть особенности технологий возделывания сельскохозяйственных культур в разных географических зонах (прежде всего, изменения в датах посева и уборки). Тогда как в секторе животноводства усредненный подход вполне допустим, поскольку животные содержатся в помещениях с контролируемыми микроклиматическими условиями и питаются согласно разработанному рациону.

Цель исследования состояла в анализе эффективности применения углеродных калькуляторов для оценки эмиссии ПГ от животноводства и разработке рекомендаций по ее снижению.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве объектов исследования были выбраны четыре наиболее распространенных углеродных калькулятора (табл. 1), которые получили самые высокие оценки по таким критериям, как практичность, полезность, понятность и полнота в британской Программе мониторинга и моделирования окружающей среды и сельских районов [9]: Cool Farm Tool, AgRE-Calc, Farm Carbon Calculator и Ex-Act. Расчеты проводились на примере трех хозяйств, руководство которых любезно разрешило воспользоваться данными о них (табл. 2). В процессе машинных экспериментов для определения наиболее оптимального способа содержания животных с целью снижения эмиссии ПГ исходные реальные параметры комбинировались с теоретически возможными.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Исходя из структуры калькуляторов, вырисовывается два способа их использования:

• расчет углеродного баланса хозяйства с целью определить, является ли оно источником или стоком ПГ для атмосферы,

• расчет эмиссии ПГ для оценки возможных путей ее снижения.

Снижение эмиссии ПГ возможно по трем направлениям:

• уменьшение поголовья домашних животных,

• изменение их рациона, в т.ч. сокращение затрат на производство кормов,

• изменение систем управления навозом.

Можно заметить, что AgRE-Calc и Ex-Act выдают более высокие показатели эмиссии, тогда как Cool Farm Tool и Farm Carbon Calculator их занижают (табл. 3). Разница между результирующими значениям составляет 2.0–2.5 раза для коров и 2.4–3.0 раза для овец. Для лошадей она не превышает 40%.

По данным машинных экспериментов, наиболее эффективный тип хозяйствования для снижения эмиссии – это полный выпас, при котором навоз остается на полях, а также нет трат на производство дополнительных кормов. Согласно оценкам с использованием Cool Farm Tool, в этом случае эмиссия снижается для коров на 2.45 т СО₂-экв./гол.-год (рис. 1), для лошадей – на 0.84 т СО₂-экв./гол.-год (рис. 2). Оценки на основе Farm Carbon Calculator соответствуют снижению эмиссии на 0.53 т СО₂-экв./гол.-год для коров и на 0.42 т СО₂-экв./гол.-год для лошадей (рис. 4). Но этот вариант предполагает экстенсивное ведение хозяйства, необходимость расширения площадей пастбищ, снижение продуктивности, что в конечном итоге будет вести к экономическим убыткам. По данным AgRE-Calc (рис. 3), оставление навоза на полях, наоборот, приведет к увеличению эмиссии ПГ на 0.73 т СО₂-экв./гол.-год по сравнению с его твердым хранением.

Рис. 1.

Результаты расчетов для коров на основе Cool Farm Tool, т СО₂-экв./гол.-год. 1 – исходный вариант (полный рацион, навоз компостируется); 2 – половина поголовья; 3 – без зеленого корма (силос, зерно, солома); 4 – без зеленого корма и силоса (зерно, солома); 5 – без зеленого корма, силоса, зерна (солома); 6 – полный выпас; 7 – хранение навоза в твердом виде; 8 – 50% навоза хранится, 50% разбрасывается; 9 – разбрасывание навоза на полях.

Рис. 2.

Результаты расчетов для лошадей и овец на основе Cool Farm Tool, т СО₂-экв./гол.-год. Лошади: 1 – исходный вариант (полный рацион, навоз остается на полях); 2 – половина поголовья; 3 – полный выпас; 4 – навоз компостируется; 5 – 50% навоза хранится, 50% разбрасывается; Овцы: 6 – исходный вариант (выпас с подкормкой, навоз остается на полях); 7 – половина поголовья; 8 – полный выпас.

Рис. 3.

Результаты расчетов для коров и овец на основе AgRE-Calc, т СО₂-экв./гол.-год. Коровы: 1 – полный рацион, хранение навоза в твердом виде; 2 – полный рацион, разбрасывание навоза по полям; 3 – полный рацион, 50% навоза хранится, 50% разбрасывается; 4 – без зеленого корма (силос, зерно, солома); 5 – без зеленого корма и силоса (зерно, солома); 6 – без зеленого корма, силоса, зерна (солома); 7 – половина поголовья; Овцы: 8 – выпас с подкормкой; 9 – полный выпас.

Рис. 4.

Результаты расчетов с помощью Ex-Act (желтые столбцы) и Farm Carbon Calculator (FCC) (синие столбцы), т СО₂-экв./гол.-год. 1 – Ex-Act, коровы; 2 – FCC, коровы, навоз компостируется; 3 – FCC, коровы, навоз остается на пастбище; 4 – FCC, коровы, навоз разбрасывается по полям; 5 – Ex-Act, лошади; 6 – FCC, лошади, навоз компостируется; 7 – FCC, лошади, навоз остается на пастбище; 8 – FCC, лошади, навоз разбрасывается по полям; 9 – Ex-Act, овцы; 10 – FCC, овцы.

Интересно отметить, что по результатам расчетов с помощью Cool Farm Tool снижения эмиссии ПГ можно добиться изменением принципов кормления животных. Исключение из рациона силоса приведет к снижению эмиссии на 0.96, а исключение зеленых кормов – на 0.14 т СО₂-экв./гол.-год (рис. 1). Таким образом, отказ от этих двух типов кормов и использование только зерна и соломы позволяют уменьшить эмиссию примерно в той же степени, как и сокращение поголовья в два раза. Хотя при этом может ухудшиться сбалансированность рациона, что приведет к снижению продуктивности животных. Напротив, в AgRE-Calc существенной разницы между вариантами рационов не прослеживается (исключение из рациона зеленых кормов при стойловом содержании животных позволит снизить эмиссию ПГ лишь на 0.05 т СО₂-экв./гол.-год), т.е. фактически затраты на производство 1 кг любых кормов, а следовательно, и интенсивность эмиссии ПГ, эквивалентны друг другу.

В рассматриваемых хозяйствах или нет стоков углерода, или данных по ним недостаточно. Поэтому в качестве примера компенсации эмиссии ПГ от животноводства была приведена стандартная удельная секвестрация углерода лесами. Farm Carbon Calculator оценивает возможное поглощение хвойными, смешанными и широколиственными лесами в 5.66; 5.84 и 6.19 т СО₂-экв./га-год, соответственно, а многолетними насаждениями – в 3.80 т СО₂-экв./га-год. Таким образом, каждый гектар леса компенсирует эмиссию ПГ от 1.4–2.3 коров или 22.3–36.4 овец. Кроме того, по данным этого калькулятора, увеличение содержания органического углерода в почве на каждые 0.1% соответствует секвестрации 255.2 т СО₂-экв./га-год.

AgRE-Calc оценивает секвестрацию углерода хвойными и широколиственными лесами в 10.89 т СО₂-экв./га-год, что эквивалентно эмиссии ПГ от 1.6 коров и 27.2 овец. Еx-Act, как было сказано выше, не оценивает текущее состояние хозяйства, а рассчитывает изменения эмиссии в результате выполнения некого проекта. По этому принципу нами было определено, что при переводе пахотных земель в луговые поглощается 12 т СО₂-экв./га-год, деградированных земель в многолетние насаждения – 20 т СО₂-экв./га-год, лугов в леса – 68 т СО₂-экв./га год и пашен в леса – 81 т СО₂-экв./га-год. Это соответствует компенсации эмиссии ПГ от 2.1–75.2 коров или 24.5–165.3 овец.

ОБСУЖДЕНИЕ

Выше была отмечена значительная разница между результатами расчетов по четырем выбранным калькуляторам. Сложно определить, какие из этих оценок точнее, поскольку в других источниках диапазон значений еще более широкий. Так, в ГОСТ Р 56267–2014 “Газы парниковые. Определение количества выбросов парниковых газов в организациях и отчетность” оценочный коэффициент выбросов для одной коровы составляет 1.89 т СО₂-экв./год, что гораздо ниже цифр, полученных в данной работе. По данным российских исследователей, в нашей стране содержание молочной коровы приводит к эмиссии ПГ в среднем в размере 5.13 т СО₂-экв./год, или 0.64 кг СО₂-экв./кг молока [1]. Эти оценки наиболее близки к результатам Ex-Act. По зарубежным данным, молочная корова местной породы выделяет в атмосферу 1.54 кг СО₂-экв./кг молока, корова высокопродуктивной породы – 2.63 кг СО₂-экв./кг молока [7], что в 1.5–2.0 раза выше, чем результаты настоящего исследования (0.44–1.03 кг СО₂-экв./кг молока).

С точки зрения сокращения эмиссии ПГ в атмосферу оптимален вариант свободного содержания животных на пастбище, хотя это неприемлемо с позиции построения интенсивного хозяйства и поддержания необходимого уровня производства продукции, а также несет опасность деградации почв в результате перевыпаса. Учитывая то, что результаты расчетов разных калькуляторов по системам управления навозом носят противоречивый характер, а снизить эмиссию в результате внутренней ферментации на сегодняшний день не представляется возможным, следует признать, что для уменьшения эмиссии ПГ от животноводства необходимо постепенно снижать численность домашних животных. С одной стороны, это может быть неэффективно с экономической точки зрения. С другой, это позволит снизить затраты на производство продукции растениеводства, поскольку именно домашние животные используют 60% мирового урожая фитомассы [10].

Отдельный аспект связан с оценкой возможных стоков ПГ в данном хозяйстве или в соседних экосистемах. Нами было определено, что каждый гектар леса способен секвестрировать углерод в количестве, равном тому, которое выделяют 1.4–2.3 коровы (при загонном содержании) или 22.3–36.4 овец (при содержании на пастбище). Но выходные значения калькуляторов значительно превышают цифры из официальных документов. Так, по данным о площади земель, покрытых лесом [3], и поглощении ПГ лесными землями [4], можно определить приблизительный удельный сток углерода в леса. Например, в 1998 г. секвестрация составила 0.72 т СО₂-экв./га-год, а в 2008 г. – 0.81 т СО₂-экв./га-год, что значительно меньше, чем выходные данные трех калькуляторов, в которых присутствует блок поглощения ПГ (AgRE-Calc, Farm Carbon Calculator, Ex-Act). Таким образом, углеродные калькуляторы значительно завышают интенсивность поглощения ПГ лесами.

Важно понимать, что калькуляторы не дают советов и не предлагают модификаций в ведении хозяйства. Более того, они по-разному реагируют на вводимые пользователем изменения в моделируемой системе, поэтому их оценки могут значительно варьировать. Даже в тех случаях, когда показатели разных калькуляторов на уровне хозяйства кажутся одинаковыми, составляющие этих оценок могут различаться. Вследствие этого следует с осторожностью относиться к рассчитанным стратегиям снижения эмиссии ПГ и смягчения климатических изменений [11].

По удобству использования, возможности представить результаты в виде потоков ПГ, учету различных аспектов и широте охвата технологических особенностей животноводства, лучшими, на наш взгляд, следует признать два углеродных калькулятора – Cool Farm Tool и AgRE-Calc. К  небольшим недостаткам последнего следует отнести невозможность учесть особенности выпаса животных, а также отсутствие модуля, посвященного лошадям.

Cool Farm Tool интересен тем, что дает возможность вводить и анализировать данные, выходящие за рамки стандартных методов инвентаризации [8]. Он широко используется в мире. Например, с его помощью была проведена оценка эмиссии ПГ в Индии [12], определено необходимое количество азотных удобрений для кукурузы в Кении и Эфиопии [5], на 25% снижена эмиссия ПГ при производстве яиц в Великобритании [13]. Однако он не дает возможности оценить поглощение ПГ.

Farm Carbon Calculator упрощенно подходит к оценке углеродного следа, не разделяет его по парниковым газам, не учитывает особенности кормления и выпаса животных. Это может представлять определенные трудности для сельскохозяйственного производителя в процессе принятия управленческих решений, поскольку не понятно, какой поток с какой технологической операцией связан. Хотя его безусловной положительной особенностью является наличие модуля секвестрирования углерода лесами и многолетними насаждениями.

Ex-Аct мало применим в отрасли животноводства, поскольку ориентирован на оценку изменений землепользования. Он рассчитывает углеродный баланс от выбросов ПГ и их секвестрации, причем принцип его работы строится на сравнении ситуации до и после внедрения проекта [6]. Ex-Аct берет во внимание некоторые характеристики выращивания животных (практики кормления, использование пищевых добавок, селекция), но пользователь должен вводить в качестве входных данных их влияние на эмиссию ПГ в процентном выражении, что конечно же будет вызывать затруднения.

ВЫВОДЫ

Для оценки эмиссии ПГ от животноводства на уровне хозяйства наиболее приемлемым следует признать использование углеродного калькулятора Cool Farm Tool. В AgRE-Calc и Farm Carbon Calculator недостаточно полно представлены технологические особенности выращивания животных. Ex-Act мало пригоден для сектора животноводства, поскольку базируется на изменении землепользования.

Вследствие несовпадения оценок между калькуляторами, касающихся корректировки рациона и управления навозом, их необходимо применять комплексно. Исходя из особенностей каждого хозяйства для снижения эмиссии ПГ могут быть рекомендованы перевод на пастбищное содержание, изменение рациона или постепенное сокращение поголовья домашних животных.