ИСТИНА

Разработка научных основ систематизации, хранения и цифровой обработки почвенной информации, а также разработка на их основе рекомендаций по устойчивому управлению почвенными ресурсами в условиях различных антропогенных воздействий (на с-х землях, в мегаполисах и при нефтедобыче)

The goal of this research is aimed at the development of the scientific approach to the systematisation, storing and digital processing of soil information as well as to development of recommendations for the sustainable management of soil resources under different human impacts (under agriculture, in the urban areas and oil mining).

◦ Созданы алгоритмы анализа дистанционной и наземной информации о почвах и почвенном покрове разных природных зон на основе цифровых технологий. ◦ Разработан прототип национального стандарта хранения, представления и обмена почвенными данными в распределенных сетях почвенных дата-центров и в составе природно-эколого-мониторинговых систем. Разработаны научные основы и принципы функционирования почвенных информационных систем федерального и регионального уровней. Разработаны методы и алгоритмы устойчивого управления земельными ресурсами на основе методов анализа и обработки больших данных в распределенных сетях почвенных информационных систем. ◦ На основе наземных исследований будет изучена трансформация почвенного покрова в условиях антропогенной нагрузки и нарушений, в частности: (1) трансформация почв агроэкосистем; (2) трансформация почв и растительности лесопарков мегаполисов, дана количественная оценка индикаторов нарушенности; (3) изучены закономерности образования, поглощения и эмиссии парниковых газов почвами мегаполиса; (4) разработаны подходы к экологической оценке и нормированию загрязненных, в том числе нефтезагрязненных почв земель разного хозяйственного использования; (5) разработаны и апробированы геоботанические, ландшафтные и почвенные индикаторы состояния болотных экосистем севера Западной Сибири и центральной России. ◦ На основе разработанных алгоритмов анализа дистанционной и наземной информации, географических баз данных и подходов к экологической оценке почвенного покрова будет оценено состояние почвенного покрова различных регионов страны и даны рекомендации по оптимизации его использования, в частности: (1) по снижению деградации почв агроэкосистем; (2) по повышению экологического потенциала городских лесных экосистем в условиях антропогенной нагрузки; (3) по оптимизации хозяйственного использования городских территорий и минимизации выбросов в атмосферу; (4) по снижению уровня загрязнения почв и восстановлению их экосистемных функций.

◦ На основе методов цифровой почвенной картографии разработан подход к анализу структуры почвенного покрова солонцовых территорий Прикаспия с использованием детальных космических снимков ◦ Обоснован подход к выявлению закономерностей временной и пространственной (в ответ на загрязнение) изменчивости фотосинтетически активной биомассы на основе анализа данных дистанционного зондирования Земли (Landsat 8, Sentinel-2, Modis) с использованием теоретического уравнения, выведенного ранее в рамках законов сохранения механики и макроскопической химической кинетики живых реагирующих систем. ◦ Создана, функционирует и постоянно развивается Информационная система «Почвенно-географическая база данных России». Она пополняется природно-почвенной информацией дата-центров Агрохимической службы, образующих с ИС ПГБД распределённую сеть. ◦ На основе многолетних исследований в таежной зоне Западной Сибири собран материал, характеризующий основные компоненты почвенно-растительного покрова заболоченных территорий, включая техногенно трансформированные болота. Составлены колонки ботанического состава торфяных залежей, получена информация о структуре почвенного покрова. ◦ Проведены модельные лабораторные эксперименты по водному миграционному, транслокационному, экологическому показателям для ряда почв. ◦ Показано, что естественные экосистемы, находящиеся в условиях городской среды, в основном сохраняют черты своих естественных аналогов по почвенным показателям, биомассе мезопедобионтов, фитомассе и биотической структуре, но претерпевают внутриструктурные преобразования, в том числе изменение доминантного комплекса растительности и мезофауны, увеличение скорости разложения подстилки и целлюлозы, изменение в трофических связях. ◦ Имеется база данных по многолетним наблюдениям эмиссии парниковых газов из городских почв на застроенных территориях рекультивированных полей фильтрации сточных вод, несанкционированных свалок и засыпанных пойм рек

Этап 1. Использование и охрана почвенного покрова является одной из сложнейших проблем современного почвоведения. Ее решение возможно лишь на основе глубоких и разнообразных научных знаний и должной организации практических мероприятий. И то и другое невозможно без достоверной информации о состоянии почв. Сбор такого материала, обмен опытом использования почв и их охраны является целью настоящего исследования. Сегодня крайне важно получить возможность быстро и просто извлекать необходимые массивы данных и использовать их в аналитических и прогностических целях на разных уровнях. Результат - превращение исходных данных в полезную информацию. Для достижения этой цели важно решить задачи систематизации собранных данных и их обработки. Кафедра географии почв ведет разноплановые исследования в этом направлении. Большое внимание уделяется изучению городских почв. Было показано, что скорость разложения лесного опада величина изменяющаяся во времени и пространстве, зависящая как от локальных условий, в том числе микрорельефа, так и от межгодовых погодных колебаний в вегетационный период. Сравнение данных по скорости разложения опада за несколько лет позволило установить увеличение ее при нагрузке по азоту на уровне критических значений. Работы по изучению эмиссии парниковых газов из городских почв показали, что она в кадастрах не учитывается, хотя может быть значительна. В исследованиях кафедры молодые реплантоземы характеризовались наибольшей метаногенерирующей способностью среди почв селитебной зоны. Максимальная скорость потенциального окисления метана наблюдалась в урбостратоземах. Эмиссия метана происходила из реплантоземов, а слаборазвитые, серогумусовые техногенные почвы. Урбостратоземы и почвы парка по медианным значениям выступали стоком атмосферного метана. Проведены предварительные подсчеты выбросов метана и углекислого газа в атмосферу из почв поселка Коммунарка в летний период (площадь исследованных почв 0,5 км2). По медианным значениям 2020 года из почв в атмосферу поступило 680 т СО2 экв углеродсодержащих парниковых газом, по максимальным оценкам на основе трехлетнего мониторинга могло выделиться до 1430 т СО2 экв. Исследования торфяных почв выявили, что в настоящее время обширные гомогенные ареалы торфяных почв верховых болот в результате загрязнения нефтью, а нередко и под воздействием других факторов антропогенного воздействия, преобразовались в сложные неоднородные структуры, включающие следующие основные компоненты: - торфяные хемозёмы; - торфяные техно-топяные хемозёмы; - торфяные хемозёмы поверхностно переосушенные; - торфяные хемозёмы вторично эвтрофицированные. При этом каждая из названных групп торфяных хемозёмов различается по степени, глубине, химизму углеводородного загрязнения, засолённости, механической нарушенности (в т.ч. при фрезеровании и воздействии тяжёлой болотоходной техники), характеру растительного покрова. Установлено, что лизиметрические исследования могут быть рекомендованы как подход к установлению норматива допустимого остаточного содержания нефти в почве (далее в тексте ДОСНП) по водному миграционному показателю, исключающему воздействие на водные среды. Критерием установления норматива ДОСНП могут служить такие показатели как концентрация нефтепродуктов, оценка содержания моноароматических соединений по изменению оптической плотности фильтрационных вод и токсичность их для гидробионтов. Превышение нормативных значений ДОСНП в почвах нарушает их функционирование, а именно гидросферные функции, обеспечивающие защитный барьер для водных объектов, что приводит к миграции нефтепродуктов, в том числе легких фракций, их возможному попаданию в водную среду и, как следствие, изменению качества воды водных объектов. Показано, что торфяные почвы, обладая высокой сорбционной способностью, адсорбировали большое количество НП, выступая как геохимический барьер. Высокие концентрации НП, выше, чем максимальная сорбционная емкость (~60 - 80 г кг-1), приводили к изменениям внешней гидросферной функции торфяной почвы, и компоненты нефтепродуктов мигрировали вниз по профилю почв, а также в латеральном направлении. Активность каталазы, активность дыхания почвы (BR, Cmic, qCO2), показатели выживаемости и размножения Enchytraeus albidus показали значительную отрицательную корреляцию с концентрациями нефтепродуктов (НП), и, таким образом, они могут быть использованы в качестве индикаторов для установления допустимого остаточного содержания НП в торфяных почвах. Активность каталазы и дыхания являются первыми биоценотическими функциями экосистемы, которые реагировали на загрязнение почв НП. Базальное дыхание является ключевым критерием функции почвы в регулировании газов (особенно на торфяниках) и связующим звеном для регулирования экосистемных услуг. Изменения в функциях этих почв, вызванные изменениями физико-химических свойств почвы и условий окружающей среды, в конечном итоге приведут к потере экосистемных услуг. Биологические параметры могут быть использованы в качестве основы для оценки загрязненных НП почв и способствовать сохранению экологического баланса в окружающей среде. С другой стороны, способность прогнозировать функции почвы при различных нагрузках при нефтедобыче может быть использована для анализа рисков и регулирования деятельности по добыче нефти и, таким образом, обеспечивать устойчивое развитие общества при одновременной защите экосистемных услуг. По результатам исследования дана пространственно распределенная оценка экологического состояния земель Европейской части России на объективной основе детальной космической съемки всей ее территории в качестве эталона для дальнейшего мониторинга земель и контроля эффективности национальных мероприятий по землепользованию. Методика оценки экологического состояния земель по индикаторам состояния растительности и почв, получаемым с использованием облачной технологи на основе платформы Google Earth Engine и обработкой материалов дистанционного зондирования Земли из космоса (аппаратами AVHRR и MODIS), обеспечивает результаты, адекватные действительному состоянию земель и рекомендована к применению на всей территории Европейской части России. Получены карты распределения значений индикаторов, характеризующих для каждого пикселя направление изменения, качество функционирования, продукционную способность и смену типов растительного покрова, а также запасы углерода органического вещества почв. Получены карты распределения значений обобщающего индикатора деградации земель, характеризующие экологическое состояние земель за опорный период. Выявлены основные факторы деградации земель на территории Европейской части России и дана оценка рисков деградации земель. Усовершенствованы разработанные архитектурно-организационные принципы для построения информационных систем агроэкологического почвенного мониторинга и, более широко, пространственно-природных данных сочетающие в себе как типовые принципы Big Data, так и особенности пространственно- распределенных мониторинговых сетей. Для почвенных данных (также как и для геологических, ботанических и водных) разрабатываются специальные стандарты описания и обмена данными эти почвенные стандарты близки с стандартам ISO 28258, и также не являются законченным продуктом, а развиваются по мере развития исследования в целом. Сформированы принципы объединения национальных узлов (GeoNode) в глобальную почвенную систему GloSIS. В ИС ПГБД РФ Национальный узел обмена почвенными данными подготовлен (аппаратно-системные работы) на базе суперкомпьютера Ломоносов-2 – в виде тестового комплекса https://datacenter.soil.msu.ru/app-platform/edu/. Проведен анализ использования подходов почвенной спектроскопии (soil spectroscopy), которая в мировой практике становится одним из ведущих методов оперативного анализа почв и составления почвенных карт, в особенности при работе в детальном масштабе на уровне поля и хозяйства. Подходы почвенной спектроскопии предлагаются в мировой практике в качестве основы для мониторинга состояния почв и решения современных вызовов, связанных с изменением климата, устойчивым управлением и продовольственной безопасностью. Как показывает проведенный анализ литературы по спектроскопическим исследованиям почв, на настоящее время наиболее успешно с помощью спектроскопического оборудования, выполняющего сканирование в инфракрасном диапазоне (visNIR, MIR), можно успешно анализировать следующие свойства почв: рН, содержание органического углерода, общий углерод, содержание карбонатов, общий азот, гранулометрический состав, влажность завядания, емкость катионного обмена, засоление почв. Глобальная спектральная почвенная библиотека создана под руководством австралийского специалиста Р. Вискарра Росселя и содержит, по данным на 2016 год, 23631 почвенных спектра (Vis-NIR диапазон) из почв 92 стран. Независимо от этой глобальной библиотеки, ряд организаций собирают собственные национальные почвенные спектроскопические библиотеки согласно собственным стандартам и списку анализируемых почвенных свойств. Проведенные исследования соответствуют запланированному техническому заданию и выполнены полностью. Полученные результаты могут быть использованы в решении задач в области почвоведения, экологии и сельского хозяйства.