КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 17-77-20046

НазваниеМоделирование и разработка технологий для обеспечения устойчивого функционирования почвенных конструкций в мегаполисе

РуководительВасенев Вячеслав Иванович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2017 - 06.2020

, продлен на 07.2020 - 06.2022. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-705 - География почв, геохимия ландшафтов

Ключевые словаУрбанизация, урбоэкосистема, почвенное конструирование, экологические функции почв, потоки и запасы углерода, биоразнообразие, почвенная микробиологическая активность, основная гидрофизическая характеристика, моделирование, радиоуглерод

Код ГРНТИ87.03.15

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Урбанизация – основная современная тенденция изменения землепользования, сопряженная с серьезными социальными, экономическими и экологическими проблемами Согласно прогнозам ФАО ООН (FAO, 2013; UN, 2014) население планеты уже к 2050 году может увеличиться до 9 млрд. человек, около 80% из которых будут проживать в городах. Данная тенденция неизбежно приведет к увеличению антропогенной нагрузки на окружающую среду и снижению качества ее компонентов (плодородие почв, водные ресурсы, баланс париковых газов). Возрастает роль городских экосистем в региональных и глобальных биосферных процессах, включая баланс углерода, элементов питания, воды и климатические изменения. В свою очередь, урбоэкосистемы уязвимы, как к антропогенным нагрузками, так и к глобальным климатическим изменениям. Трансформация естественных и сельскохозяйственных систем в городские приводит к необратимым изменениям потоков вещества и энергии, почвенного и растительного покрова. На смену фоновым растительным сообществам приходит городская зеленая инфраструктура с преобладание газонов, декоративных древесных и кустарниковых форм. Городские почвы принципиально отличаются от естественных не только по основным химическим, физическим и биологическим свойствам, но по способности сохранять устойчивое функционирование в условиях антропогенных нагрузок и климатических изменений. Почвы газонных экосистем представлены преимущественно искусственными почвенными конструкциями, состоящими из одного или нескольких органогенных горизонтов на основе почвогрунтов и торфо-песчаных смесей, подстилаемых минеральными техногенными горизонтами или погребенными горизонтами естественных почв. Мощность, последовательность и состав горизонтов почвенных конструкций городских газонов не достаточно регламентирован. Существующие нормативы качества почвогрунтов (например, ПП-514) сфокусированы на формальных агрономических и санитарно-гигиенических параметрах, нормативные значения которых слабо экологически обоснованы. Например, для создания газонов рекомендуется использовать почвогрунты с минимальным содержанием органического вещества 10%, что в три раза превышает фоновые значения для Московской области. Следствием отсутствия экологически обоснованных стандартов качества почвенных конструкций, создаваемых в процессе городского озеленения и благоустройства, является их низкая устойчивость. В результате почвенные конструкции быстро теряют способность выполнять важные экологические функции, в первую очередь, очищение атмосферы, обеспечение условий для произрастания зеленых насаждений, поглощение и биодеструкцию поллютантов. Принимая во внимание, что газоны занимают до 40% незапечатанных территорий городов и являются наиболее унифицированным компонентом городской зеленой инфраструктуры, низкая устойчивость почвенных конструкций значительно повышает не только экологические, но и экономические риски, связанные в частности, с необходимостью их регулярной замены. Анализ и моделирование экологических функций почвенных конструкций и создание экологически устойчивых почвенных конструкций - приоритетная задача как для научного сообщества, так и для городского хозяйства. Анализ экологических функций почв (Добровольский и Никитин, 1990; 2000; Blum, 2005; EC, 2010) – перспективный метод для интегральной оценки роли почв для человека и окружающей среды, интерпретации и адаптации результатов почвенных изысканий для широкого спектра практических задач. Метод широко применяется в научной, прикладной и правовой практике в США и странах ЕС (Federal Soil Protection Act, 1998; European Soil Strategy, 2006). В России прикладное применение концепции экологических функций почв только начинает использоваться. И в международной практике, и в России, исследований по оценке экологических функций городских почв очень немного. Это объясняется высокой пространственно-временной неоднородностью городских почв, что значительно затрудняет их исследование. Пространственное разнообразие городских почв и почвенных конструкций обусловлена различными условиями и технологиями их формирования (используемые субстраты, мощность и последовательность горизонтов) и контрастной антропогенной нагрузкой (загрязнение, засоление, переуплотнение). Временная динамика – следствие молодого относительного возраста большинства городских почв, нарушения естественного эволюционного развития (например, за счет единовременного формирования профиля почвенных конструкций), а также нестабильности почвенных свойств на ранних стадиях развития (в частности, минерализации органического вещества торф содержащих субстратов в автоморфных условиях). Анализ и моделирование экологических функций городских почв, а также их изменений во времени и пространстве – основа для разработки экологически устойчивых почвенных конструкций. В связи с этим, цель проекта состоит в разработке научных основ технологии конструирования устойчиво функционирующего почвенного покрова для городской среды, обеспечивающего на нормативном уровне качество ее основных компонентов (растительности, атмосферы, природных вод), здоровье, безопасность и комфортность проживания городского населения через реализацию основных почвенно-экологических функций и сервисов. Данный проект ориентирован на последовательное решение следующих научно-практических задач: 1) анализ ключевых экологических функций представительного ряда почвенных конструкций на основании модельного эксперимента; 2) моделирование воздействия контрастной антропогенной нагрузки на устойчивость функционирования городских почв; 3) моделирования динамики экологических функций почвенных конструкций при изменяющихся гидротермических условиях; 4) разработка модельных почвенных конструкций и рекомендаций по наилучшему использованию (best management practice) и 5) апробация устойчивых технологий почвенного конструирования на экспериментальных участках различных функциональных зон; Объектом исследования данного проекта станут представительные почвенные конструкции, создаваемые для задач озеленения и благоустройства г. Москвы, как основного центра урбанизации в России, и одного из крупнейших мегаполисов мира. Среди широкого перечня функций, предлагаемого различными отечественными и зарубежными классификациями (Andrew et al., 2004; Blum, 2005; MEA, 2005; TEEB, 2010; Добровольский и др., 2012) в данном проекте будут исследованы следующие функции: 1) газовая функций и биодеструкция (эмиссия и депонирование парниковых газов); 2) плодородие (субстрат для образования биомассы); 3) биоресурсная (местообитание микроорганизмов); 4) гидрологическая (миграция питательных элементов и поллютантов); 5) ремедиация (поглощение и деструкция поллютантов); Непосредственные объекты исследования будут включать модельные почвенные конструкции в лабораторных и полевых условиях стационаров РГАУ-МСХА и МГУ, экспериментальные площадки, расположенные в САО, ЗАО и ТиНАО г. Москва и дифференцированные по функциональным зонам (рекреационная, общественная, селитебная). Методы исследования будут включать 1) полевые и лабораторные методы анализа параметров функционирования почвенных конструкций, 2) математическое моделирование выбранных функций для различных параметров климатических условий, антропогенной нагрузки и строения почвенных конструкций, 3) методы и технологии почвенного конструирования. Разработка является инновационной, охватывает широкий спектр почвенно-экологических функций и сервисов и по масштабности поставленных задач и их технологическим решениям не имеет пока известных международных аналогов. Фундаментальность и новизна подхода заключается в использовании компьютерного моделирования динамики сложной, нелинейной, пространственно-распределенной системы «почва-растение-атмосфера» для обоснования оптимальных технологических решений при конструировании почвенного покрова, подбора системы функциональных горизонтов (слоев), и пространственной локализации в них используемых почвенных материалов в расчетных дозах, включая природные (торфяные, гуматные почвомодификаторы) и синтетические (наполненные гидрогели с защитными наноструктурными добавками) биополимеры отечественного производства. Впервые для практики озеленения, рекультивации и ремедиации городских земель в технологию закладывается фактор устойчивости почвенного покрова, а не его сиюминутного функционирования. Этим достигается не только экологический (функциональный), но и экономический эффект разработки, внедрение которой будет реально способствовать целевому использованию и экономии муниципальных бюджетных средств. Результаты будут включать представительные базы данных параметров функционирования почвенных конструкций для различных условий Московского мегаполиса; модели почвенных процессов, адаптированные для условий города; полезные модели экологически устойчивых почвенных конструкций; практические рекомендации по оптимизации свойств почвенных конструкций для поддержания устойчивого функционирования в условиях контрастной антропогенной нагрузки.Результаты исследований будут представлены на международных конференциях (EGU-2018; 2019; 2020; AGU- 2019; SUITMA-2019; IUSS-2018 и др.), а также в виде 20 научных публикаций (из них 10 – цитируемых в Scopus и WoS).

Ожидаемые результаты
Данный проект ориентирован на оценку и моделирование экологических функций почвенных конструкций в условиях контрастной антропогенной нагрузки. Полученные результаты станут основой для разработки экологически устойчивых технологий почвенного конструирования, обеспечивающих очищение воздуха и поддержание зеленых насаждений в городе, что особенно актуально для такого крупного и активно развивающегося мегаполиса как Москва. Наиболее значимым фундаментальным результатом проекта будет методология инженерного проектирования и конструрования городских почвенных конструкций, устойчивых к природным и антропогенным факторам мегаполиса. Методология основана на использовании компьютерного моделирования энергомассообмена в системе «почва-растение-атмосфера». Методология обобщает основные закономерности почводинамики и функционирования почвенного покрова в условиях мегаполиса, и она предназначается для городских инженерно-проектных организаций, где до сих пор подобные разработки отсутствовали, а проблема формирования почвенного покрова решалась чисто эмпирическим путем. Практически-значимым результатом проекта будут научно-обоснованные и проверенные на тестовых площадках технологические решения по конструированию устойчивого почвенного покрова, учитывающие многолетние климатические условия и тенденции антропогенного воздействия на почвы в столичном мегаполисе Анализ функций городских почвенных конструкций и их компонентов будет проводиться в полевых и лабораторных условиях. В полевых условиях исследования будут проводиться на реперных монолитах и модельных почвенных конструкциях стационаров длительного мониторинга в САО (объекты сети RusFluxNet) и ЗАО (объекты наблюдений факультета почвоведения МГУ). В лабораторных экспериментах с контролируемыми условиями будет моделироваться динамика газовой, гидрологической и биоресурсной функций городских почв и почвенных конструкций для контролируемых гидротермических условий. Полученные результаты наблюдений будут использованы для моделирования потоков углерода, тепла, воды растворенных веществ (солей, поллютантов) для почвенных конструкций разного строения. По результатам моделирования будут предложены оптимальные почвенные конструкции, обеспечивающие устойчивое выполнение экологических функций. Выбранные конструкции будут апробированы на экспериментальных площадках в различных функциональных зонах САО, ЗАО и ТиНАО г. Москва. Ожидаемые научные результаты: - обоснование представительных индикаторов для мониторинга и оценки экологических функций городских почв и почвенных конструкций; - база данных эмиссии парниковых газов (СО2; CH4; N2O) (газовая функция) и микробиологической активности почвенных конструкций с различным составом профиля; - база данных эмиссии парниковых газов (СО2; CH4; N2O) (газовая функция) и микробиологической активности представительного ряда почвенных конструкций, испытывающих различную антропогенную нагрузку (загрязнение, засоление, переуплотнение); - разделение анализа почвенного и микробного дыхания в зависимости от типа конструкции, типа нагрузки и сезонной динамики; - анализ потоков углерода в системе почвенная конструкция- растение на основании данных изотопного анализа; - анализ динамики запасов углерода в почве и биомассе газонных экосистем на почвенных конструкциях; - прогнозирование воздействия контрастной антропогенной нагрузки на функционирование почв; - почвенно-гидрофизическая модель энергомассопереноса (например, HYDRUS), адаптированная для анализа гидрологической функции и функции ремедиации почвенными конструкциями; - описание и модель динамики свойств и функций (газовая, биоресурсная и плодородие) на ранних стадиях образования почвенных конструкций; - технологические решения почвенного конструирования, обеспечивающие оптимизацию почвенных экологических функций и устойчивых для различных типов антропогенной нагрузки; - результаты апробации предложенных почвенных конструкций на представительных участках в различных функциональных зонах г. Москва Ожидаемые прикладные результаты: - практические рекомендации строению почвенных конструкций для оптимизации отдельных экологических функций и общего функционирования в условиях повышенной антропогенной нагрузки; - практические рекомендации строению почвенных конструкций для оптимизации отдельных экологических функций и общего функционирования в условиях контрастных гидротермических условий ( в частности, повышенной температуры (диапазон + 2-5°С средних и до +30°С - максимальных температур) и пониженной влажности; - нормативные шкалы нагрузки (загрязнение, засоление) на почвы и почвенные конструкции на основании динамического моделирования возможной деградации - рекомендации по рациональному использованию (best management practices) (нагрузке, уходу) городских газонов и объектов зеленой инфраструктуры для обеспечения оптимального функционирования городских почв Технологические решения полностью соответствуют передовому мировому уровню, используют наиболее эффективную компьютерную среду для моделирования энергомассообмена в почвах HYDRUS (США) и предполагают ряд авторских ноу-хау (подвешивание почвенной влаги с разрывом капиллярной связи с подпочвой, слоистая заделка органогенных почвомодификаторов, их экранирование с защитой от биодеструкции, водорастворимых поллютантов и солей-электролитов, алгоритмы смешивания почвенных материалов с приготовлением нормативно-чистых плодородных почвогрунтов, использование ризосферных защитных композиций на базе полимерных гидрогелей, использование ингибиторов микробной деструкции почвенных материалов с элиситорными свойствами, и т.д.), не имеющих пока зарубежных аналогов. Их реализация в условиях столичного мегаполиса будет способствовать решению кардинально важных для мегаполиса, общественно-значимых проблем эффективного озеленения, включая нетрадиционные, новые формы с размещением зеленых насаждений на зданиях, очищения городской атмосферы от вредных газов и ее защиты от приземной пыли, предотвращения геокатастрофических явлений при выпадении экстремальных норм осадков и развитии поверхностных стоков из-за плохой водопроницаемости почвенного покрова. Ориентировочный перечень конкретных научных результатов, полученных в ходе поэтапной реализации проекта включает: 2017 год 1). 2 публикации из перечня WoS и Scopus, включая 1 IF>1.5, 3 публикации в журналах РИНЦ, 1 глава в международной монографии (обобщение и сравнительный анализ подходов к оценке экологических функций городских почв), методологические и методические проработки по проекту) 2018 год 1). 3 статьи в научных журналах из перечня WoS и Scopus (из них одна с IF>3); 4 публикации в журналах РИНЦ (анализ газовой функции и функции плодородия для модельных конструктоземов; результаты первого года моделирования гидрологической функции и функции ремедиации на реперных монолитах); 2019 год 1) 5 статей в научных журналах WoS и Scopus (из них одна с IF>4.5); 5 публикаций в журналах РИНЦ (анализ динамики функционирования почвенных конструкций на ранних стадиях развития; результаты апробации устойчивых почвенных конструкций). 2) 1-2 объекта интеллектуальной собственности (модель почвенной конструкции, адаптированная модель энергомассопереноса) 3). Методические рекомендации по созданию почвенных конструкций, оптимальных для устойчивого функционирования

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Почвы газонных экосистем представлены преимущественно искусственными почвенными конструкциями, преимущественно состоящими из одного или нескольких органогенных горизонтов на основе почвогрунтов и торфо-песчаных смесей, подстилаемых минеральными техногенными горизонтами или погребенными горизонтами естественных почв. Мощность, последовательность и состав горизонтов почвенных конструкций городских газонов не достаточно регламентирован. Существующие нормативы качества почвогрунтов (ПП-514) сфокусированы на формальных агрономических и санитарно-гигиенических параметрах, нормативные значения которых слабо экологически обоснованы. В ходе первого года исследования было проанализировано разнообразие субстратов (почвогрунтов и компонентов), используемых для конструирования почв в Московском мегаполисе. Выявлены наиболее распространенные субстраты (31), для которых получен полный спектр химических, гидрофизических и микробиологических параметров. Полученные данные позволили предложить наиболее информативные индикаторы для оценки функционирования почвенных конструкций, среды которых основная гидрофизическая характеристика (гидрологическая функция), параметры микробного потребления углерода (функция обеспечении обитания микроорганизмов), соотношение общего углерода и азота (функция плодородия) и другие. Разработана новая методика оценки устойчивости органического вещества в почвогрунтах и их компонентах на основе комбинации равновесного центрифугирования, динамической и температурной десорбции влаги и ИФК-спектроскопического анализа эмиссии СО2, что позволяет одновременно оценивать в зависимости от содержания влаги в почвах и органических материалах термодинамический потенциал (pF-кривые водоудерживания), эффективную удельную поверхность и биологическую активность (базальное дыхание). Результаты работы представлены в 5 публикация Scopus/ WoS. Результаты проекта использованы в программе летней школы 3MUGIS (3mugis.org) и при разработке учебного курса MOOC “Modeling urban ecosystems”.

Публикации

1. Бхубан Б., Васенев В.И., Смагин А.В., Госсе Д.Д., Ермаков А., Волкова В.С. Hydrophysical properties of substrates used for Technosols’ construction in Moscow megapolis Urbanization: Challenge and Opportunity for Soil Functions and Ecosystem Services Springer Geography, pp 260-266 in Urbanization: Challenge and Opportunity for Soil Functions and Ecosystem Services Springer Geography (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1007/978-3-319-89602-1_31

2. В.И. Васенев, С. Касталди, М.М. Визирская, Н.Д. Ананьева, А.С. Щепелева, И.М. Мазиров, К.В. Иващенко, Р. Валентини, И.И. Васенев Urban Soil Respiration and its Autotrophic and Heterotrophic Components Compared to Adjacent Forest and Cropland within the Moscow Megapolis Megacities 2050: Environmental Consequences of Urbanization - Proceedings of the VI International Conference on Landscape Architecture to Support City Sustainable Development. Springer Geography, p. 20-36 in V.I. Vasenev et al. (eds.), Megacities 2050: Environmental Consequences of Urbanization, Springer Geography. (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1007/978-3-319-70557-6_4

3. Ромзайкина О.Н., Васенев В.И., Хакимова Р.Р., Гаджиагаева Р., Стурфогель Е., Довлетярова Э.А. Spatial variability of soil properties in the urban park before and after reconstruction Soil Environ, 2075-1141 (год публикации - 2017)

4. Васенев В.И., Кузяков Я.В. Urban soils as hotspots of anthropogenic carbon accumulation: Review of stocks, mechanisms and driving factors Land Degradation and Development, - (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1002/ldr.2944

5. Lepore E., Ivashchenko K., Sushko S., Hajiaghayeva R., Dolgikh A. C-use efficiency by microorganisms of various substrates applied for urban soils construction МГУ имени М.В. Ломоносова МАКС Пресс, 9-13 апреля 2018, Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова МАКС Пресс, Москва, 2018. С. 70-71. (год публикации - 2018)

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Проект посвящен анализу, оценке и моделированию экологических функций конструктоземов - почвенных конструкций, создаваемых для задач озеленения и благоустройства и играющих все большую роль в почвенном покрове современных городов. Цель данного проекта – через экологические функции охарактеризовать и оценить роль почвенных конструкций для человека и окружающей среды. Для анализа были выбраны функции, представляющие фундаментальный научный интерес, но при этом имеющие перспективы практического использования (например, для задач экологического мониторинга, оценки и проектирования): 1) газовая функция и биодеструкция (эмиссия и депонирование парниковых газов); 2) плодородие (субстрат для образования биомассы); 3) биоресурсная (местообитание микроорганизмов); 4) гидрологическая (миграция питательных элементов и поллютантов); 5) ремедиация (поглощение и деструкция поллютантов). Изучение городских почвенных конструкций через функции позволяет не только охарактеризовать протекающие в них процессы, но и описать конструктоземы как динамично развивающиеся системы, что особенно важно на ранних стадиях их развития, когда в искусственно созданном почвенном объекте начинаются процессы почвообразования. Скорость и направленность этих процессов во многом определяется свойствами конструкции (используемые субстраты, их мощность и последовательность), а также испытываемой антропогенной нагрузкой (загрязнение, засоление, переуплотнение). Изучение этих процессов определяет фундаментальную составляющую проекта. С практической точки зрения, оценка экологических функций почвенных конструкций, умение их прогнозировать (т.е. понимать, какие функции можно ожидать от конструкций с определенными характеристиками) и моделировать (т.е. подбирать характеристики конструкции для реализации определенной функции) – важная часть городского планирования. Исследования, проведенные на второй год проекта, включили серию лабораторных и полевых экспериментов, позволяющих обособленно оценить как влияние отдельных субстратов (конструкций), так и отдельных условий (антропогенных факторов). Для анализа газовой и беоресурсной функции почвенных конструкций были заложены два стационарных эксперимента. В первом случае, были изучены 5 различных вариантов субстратов, используемых для почвенного конструирования в Московском мегаполисе и 3 варианта мощности органогенного горизонта. Во втором эксперименте рассматривалась на примере одного типа конструкции (торфо-песчаная смесь, мощность 10 см) изучались различные варианты антропогенной нагрузки – загрязнение тяжелым металлом (кадмий), засоление противогололедным средством и переуплотнение. Мониторинг эмиссии парниковых газов проводился с использование инфракрасного газового анализатора, а для анализа биоресурсной функции были рассмотрены базовые параметры микробиологической активности. Было показано, что конструктивные особенности (характер субстрата и мощность) оказывали значимо большее воздействие на параметры функционирования, чем антропогенная нагрузка. Функции конструкций четко подразделялись на три группы в зависимости от содержания торфа в используемых субстратах – максимальная эмиссия показана для торфа и смесей на его основе, а минимальная – для смесей на основе котлованного грунта. Вывод о доминирующем воздействии выбора субстрата на функционирование почвенных конструкций подтвердился более детальным изучением биоресурсной и гидрологической функции. Так применение наиболее современных методов анализа структуры и разнообразия почвенного микробного сообщества (анализ ферментативной активности методом флуорогенно меченых субстратов, анализ экофизиологического профиля микробного сообщества методом MicroResp) показал уменьшение микробной доступности углерода и значимое уменьшение активности фосфатазы и сульфатазы. Для смесей с содержанием торфа более 40% показан низкий потенциал в разложении сложных органических соединений, в частности, минерализации труднодоступного органического вещества. Наибольшим потенциалом для выполнения биоресурсной функции обладала трехкомпонентная смесь с содержанием торфа 30% - для нее содержание микробной биомассы и функциональное разнообразие микробного сообщества были выше по сравнению с другими изученными субстратами. Анализ и моделирование гидрологической функции с использованием реперов – монолитов и обработкой данных при помощи модели HYDRUS 1D-4 также подтвердил важность выбора типа субстрата. В данном случае, была показана высокая роль торфа в поглощении воды – субстраты, содержащие торф, выполняли гидрологическую функции заметно хуже (пропускали воду гораздо медленнее) по сравнению со всеми другими субстратами, в том числе, содержащими глину. Более детально влияние одного из типов антропогенной нагрузки – засоления противогололедными средствами было изучено на примере двух экспериментов, проведенных совместно с Институтом изучения наземных экосистем в Италии и позволивших оценить воздействия контрастного засоления на основные физиологические процессы и круговорот углерода в системе почва – растение (чистая первичная продукция, экосистемное дыхание, распределение запасов углерода в различных пулах). Для этого проводился мониторинг фотосинтетической активности с использованием системы Li-6400, анализ базального дыхания с применением респирометра OxiTop OC110, анализ углерода и азота микробной биомассы. Влияние засоления на перераспределение углерода в системе атмосфера – растениe – почвa был изучен в ходе эксперимента с применением импульсного мечения. Эксперимент был проведен в лабораторных условиях, что дало возможность варьировать один или несколько наиболее интересных параметров, потенциально влияющих на функционирование городских газонов, оставляя неизменными другие параметры (экспериментальное манипулирование). После двух месяцев регулярного полива соленым раствором и при достижении максимальной сезонной продукции, газоны были помечены СО2 обогащенным 13С в камерах для импульсного мечения. Перераспределение метки между наземной и корневой биомассой, листовым и почвенным дыханием, и микроорганизмами отслеживалось в течение недели. Изотопный состав газовых образцов определялся на лазерном спектрометре Picarro G2201i, твердых образцов - на массовом спектрометре ISOPRIME. Было показано, что в засоленных почвах биомасса нового прироста долгое время не переходит в полноценную автотрофную фазу и нуждается в дополнительном углероде, который поступает из других частей растения. Повышение листового дыхания в стрессовых условиях засоления увеличивало потребление углерода из запасов, накопленных на предыдущих стадиях. Показано доминирующие накопление углерода нового поступления в корнях. Полный баланс углерода и концептуальная модель влияния вторичного засоления на распределение углерода в городских травянистых системах будут получены на третий год проекта. По результатам исследований, проведенных в течение второго года проекта, подготовлены и опубликованы (или поданы в печать) 7 статей, в том числе 2 статьи в журналах Q1.

Публикации

1. Брянская И.П., Васенев В.И., Гаджиагаева Р.А., Морев Д.В. Evaluation of Peat Stability Under Various Temperature and Moisture Conditions Urbanization: Challenge and Opportunity for Soil Functions and Ecosystem Services. Springer Geography, стр. 153-159 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1007/978-3-319-89602-1_19

2. Гавричкова О.В., Гаджиагаева Р.А., Д. Либерати, Е. Паллоцци, С. Кальфапьетра, Васенев В.И. Effects of the Road Deicing Practices on Gas Exchange Parameters in Urban Lawn Ecosystems Springer Geography, Netherlands, стр. 45-51 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1007/978-3-030-16091-3_7

3. Демина С.А., Васенев В.И., Иващенко К.В., Ананьева Н.Д., Плющиков В., Гаджиагаева Р.А., Довлетярова Э.А. Microbial Properties of Urban Soils With Different Land-Use History in New Moscow Soil Science (SOIL SCI), Том 183 - Выпуск 4 - С. 132-140 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1097/SS.0000000000000240

4. Ерофеева В.В., Васенев В.И. Inﬂuence of Environmental Factors on the Development and Survival of Toxocara Sp. Eggs in Various Soil Substrates Springer Geography, Netherlands, стр. 52-57 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1007/978-3-030-16091-3_8

5. Слуковская М.В., ⁠Васенев В.И., Иващенко⁠⁠ К.В., Морев Д.В.⁠, Дрогобужская С.В., Иванова Л.А., Кременецкая И.П. Technosols on mining wastes in the subarctic: Efficiency of remediation under Cu-Ni atmospheric pollution International Soil and Water Conservation Research, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.iswcr.2019.04.002

6. Сушко С., Ананьева Н., Иващенко К., Васенев В., Кудеяров В. Soil CO2 emission, microbial biomass, and microbial respiration of woody and grassy areas in Moscow (Russia). Journal of Soils and Sediments, - (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1007/s11368-018-2151-8

7. Васенев, В. И., Ауденховен, А. П., Ромзайкина, О. Н., Гаджиагаева, Р. А. Экологические функции и экосистемные сервисы городских и техногенных почв: от теории к практическому применению (обзор). Почвоведение, №10, 1177-1191 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S0032180X18100131 en: 10.1134/S1064229318100137

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Развитие зелёной инфраструктуры в условиях города подразумевает поиск наиболее выгодных и рациональных решений для оптимального функционирования ее компонентов. Одним из таких компонентов являются почвенные конструкции, созданных на основе широкого спектра почвогрунтов и их компонентов. Свойства этих смесей могут определять развитие и функционирование почвенных конструкций. Третий год реализации проекта № 17-77-20046 был посвящен систематизации и обобщению полученных экспериментальных данных об экологических функциях почвенных конструкций, в том числе с использованием математических моделей. Проведенные исследования можно разделить на 3 блока: 1) полевые мониторинговые исследования на экспериментальном стационаре; 2) вегетационные эксперименты по оценке фитотоксичности тяжелых металлов и легкорастворимых солей; 3) обобщение данных экспериментальных наблюдений для апробации эмпирических моделей Romul и HYDRUS 1D. В рамках мониторинговых исследований на экспериментальном стационаре были изучены газовая, биопродукционная и биоресурсная функции шести вариантов почвенных конструкций, созданных с использованием наиболее распространенных вариантов почвогрунтов, а также с применением послойной технологии маскировки слоя низинного торфа под слоем песка. Наблюдаемые параметры включали потоки и запасы углерода (почва и биомасса), температуру и влажность почвы, активность и структуру микробной биомассы, в частности, функциональных групп, участвующих в минерализации органического вещества. Эмиссия СО2 из почвенных конструкций за наблюдаемый период составила от 0.21 до 2.33 г∙м-2∙ч-1. Ее динамика определялась в основном температурой верхнего 10-см слоя, для которой непрерывные наблюдения выявили высокую амплитуду суточных и сезонных колебаний – от -5 до +45ºС. Различия усредненной эмиссии СО2 между конструкциями значимо зависела от химических свойств составляющих их почвогрунтов, в первую очередь от содержание С и N и их микробной доступности. Изменение надземной биомассы растений среди разных по составу почвенных конструкций также на 70% обусловлено содержанием N, при этом корневая биомасса превышала надземную в 3-11 раз и составила в среднем 315-604 г м-2. Расчет баланса углерода показал, что все изученные конструкции после года функционирования являются источником СО2 в атмосферу, поскольку эмиссия углерода значительно превышает его депонирование (в 2-4 раза). Высокая почвенная эмиссия CO2 связана с активной минерализацией органического вещества в верхнем 10-см слое, что подтверждается резким снижением содержания углерода от 10-15% и выше до фоновых 4% уже за первый год функционирования. Также в течение первого года во всех почвенных конструкциях отмечена существенная перестройка физиологического профиля микробного сообщества. Повышенная скорость минерализации органического вещества в течение первого года функционирования почвенных конструкций, способствовала накоплению низкомолекулярных органических соединений, например, щавелевой и лимонной кислот. Выявлено также снижение активности ферментов с течением времени в среднем в 1.3-5.9 раз). Возможно, такая тенденция связана с изменением качества органического вещества вследствие его трансформации в процессе развития конструкций. Функциональное разнообразие микроорганизмов, рассчитанное на основе физиологического профиля, в основном также уменьшилось. Эксперимент наглядно продемонстрировал, что газоны, созданные на почвенных конструкциях с высоким содержанием органических субстратов, являются источником эмиссии углерода, по крайней мере в первые годы после создания. Этот вывод ставит под сомнение существующую практику регулярного обновления газонов дворовых и придорожных территорий за счет подсыпок грунта, т.к. при такой технологии газоны не могу выполнять функцию «легких города», а наоборот способствуют усилению парникового эффекта. Вегетационные фитотоксикологические эксперименты позволили выявить критические дозы тяжелых металлов (Cu и Zn) и легкорастворимых солей, приводящих к утрате экологических функций почвенных конструкций. Основываясь на результатах исследования физиологических откликов растений под воздействием Cu и Zn, сухая биомасса растений была наиболее чувствительным показателем фитотоксичности для растений L. perenne – значения эффективных концентраций (EC50) были почти в 5 раз ниже, чем для других показателей. Анализ порогов токсичности Cu и Zn показал большую чувствительность L. perenne к содержанию Cu в почве – наблюдалось 10, 20 и 50% ингибирование роста растений при более низких концентрациях элемента. Сравнение состояния фотосинтетического аппарата листьев L. perenne под воздействием Cu и Zn показало угнетение содержания фотосинтетических пигментов при избытке ионов Zn. Также было выявлено, что независимо от формы вносимого Zn, хлорофилл b является более чувствительным по сравнению с хлорофиллом а, суммы каротиноидов и ксантофиллов. Изучение функциональных показателей микробного сообщества, показало большую устойчивость микроорганизмов к высоким концентрациям тяжелых металлов по сравнению с растениями L. perenne. Изучение влияния засоления на перераспределение углерода в системе атмосфера-газон-почвенная конструкция с использованием изотопной метки показало сдвиг аллокации углерода в сторону подземных пулов за счет увеличения аллокации С в почву в условиях засоления. Меченный С оставался в равных частях в биомассе нового прироста и в старой биомассе ниже высоты стрижки. Это согласуется с наблюдением более высоких концентраций Cl- и Na- в старой биомассе по сравнению с биомассой нового прироста и может свидетельствует о накоплении осмолитов в ответ на осмотический стресс. Полученные данные экспериментальных наблюдений экологических функций почвенных конструкций были использованы для настройки и апробации эмпирических моделей Romul (газовая функция и биодеструкция, биопродукционная и биоресурсная функции) и HYDRUS 1D (гидрологическая функция и функция ремедиации). Модель Romul адекватно воспроизводила тренды динамики эмиссии СО2 в течение вегетационного периода. Тем не менее, уменьшение эмиссии СО2 к концу вегетационного периода для экспериментальных данных было значительнее по сравнению с моделью. Прогнозируемая динамики запасов углерода верхнего слоя почвенных конструкций указывает на его значительные потери уже в первый год после формирования (до 2-3 раз) вне зависимости от выбранного сценария (сохранение и уборка растительных остатков). При этом в почвенной конструкции на основе поликомпонентной смеси запасы будут стабильно выше (в среднем на 25%) по сравнению с остальными почвенными конструкциями. Моделирование распределения воды и раствора технической соли в почвенной конструкции показала принципиальные отличия типовых вариантов, в котором органической горизонт находится на поверхности, и слоистой конструкции, в которой слой низинного торфа маскируется слоем песка. В первом случае поливная вода достаточно быстро (менее чем за сутки) распределяется между слоями, при этом объемная влажность на глубине 20 см в 3-4 раза выше, чем на глубинах 2 и 10 см соответственно. Во втором варианте перераспределение воды шло гораздо медленнее (около 5 суток) и максимальная объемная влажность установилась на глубине 10 см. В целом по запасам продуктивной влаги вариант слоистой конструкции в 5 раз превышает остальные. Аналогично шло распределение раствора технической соли. Применение слоистой конструкции способствовало накоплению легкорастворимых солей в верхних горизонтах и препятствовало их попаданию в грунтовые воды, что свидетельствует об эффективной реализации функции ремедиации. Тем не менее, многократное поступление легкорастворимых солей в такую конструкцию может привести к критически большим концентрациям в корнеобитаемом слое и оказать негативное воздействие на развитие газона. Полученные модельные результаты были верифицированы по экспериментальным данным и использованы при разработке практических рекомендация по созданию многофункциональных почвенных конструкций. По результатам исследований, проведенных в течение третьего года проекта, подготовлены и опубликованы (или поданы в печать) 2 статьи в журналах Q1 и 6 выступлений на международных конференциях

Публикации

1. Гавричкова О.В., Брыкова Р.А., Калфапьетра К., Ченг Д., Кузяков Я.В., Либерати Д., Москателли М., Паллоцци Э., Васенев В.И. Secondary salinization in urban lawns: microbial functioning, vegetation state and implications for C balance Land Degradation & Development, - (год публикации - 2020)

2. Григорита Г., Неаман А.А., Брыкова Р.А., Брыков В.А., Довлетярова Э.А., Морев Д.В., Гиноччио Р., Пальцева А.А. Thresholds of Zn toxicity to perennial ryegrass in acidic peat spiked with zinc carbonate Journal of Soil Science and Plant Nutrition, - (год публикации - 2020)

3. Иващенко К.В., Лепоре Э., Васенев В.И., Ананьева Н.Д., Хабибулина Ф., Васенева И.З., Селезнева А., Долгих А.В., Сушко С.В., Брянская И.П., Маринари С., Довлетярова Э.А. Microbial functional capacity and diversity of materials used for urban soils’ construction in Moscow megapolis Journal of Environmental Management, - (год публикации - 2020)

4. Брянкая И.П., Гаджиагаева Р.А., Васенев В.И. Soil organic carbon stability of urban soils under different hydrothermal conditions Wageningen soil conference. Book of abstracts, - (год публикации - 2019)

5. Либерати Д., Брыкова Р., Москателли М., Москателло С., Паллоцци Э., Гавричкова О. Diffusive limitation to photosynthesis and plant-microbe N competition dominate the urban lawn response to secondary salinization EGU General Assembly 2020, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.5194/egusphere-egu2020-11475

6. - ОАЗИС НА ЛУНЕ КАК РОССИЙСКИЕ УЧЕНЫЕ ВОЗВРАЩАЮТ К ЖИЗНИ ТОКСИЧНУЮ ПОЧВУ В ЗАПОЛЯРЬЕ nplus1, Партнерский материал/ Экология и климат 09:34 22 ноября 2019 (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Устойчивое развитие городов – одна из современных целей современного общества. Экологические функции и сервисы городских экосистем и, в первую очередь, городской зеленой инфраструктуры – один из определяющих компонентов устойчивого развития города. Газоны составляют до 40% от незапечатанных поверхностей и являются характерной чертой практически для любого города в независимости от климата, размера и степени благоустройства. Результаты трех лет проекта показали на примере Московского мегаполиса – одного из крупнейших урбанизированных центров мира,- что применяемые технологии почвенного конструирования, основанные на регулярном внесении обогащенных легко разлагаемой органикой субстратов, не обеспечивают устойчивые показатели ни по одной из исследованных экологических функций. Предложены альтернативные решения, в том числе 1) использование поликомпонентных смесей, содержащих субстраты с содержанием органического вещества, не превышающих фоновое; 2) использование слоистых конструкций, где органогенные горизонты на основе торфа маскируются с поверхностью нейтральным слоем на основе песка; 3) минимизация подсыпок свежего органического вещества при увеличении срока эксплуатации газона за счет улучшения агротехники и, в первую очередь, соблюдения норм полива. Внедрение данных технологических решений в практику городского озеленения и благоустройства может не только снизить расходы на регулярные мероприятия по ремонту и замене газонных покрытий, но и увеличит их глобальную экологическую роль, в первую очередь за счет изменения баланса углерода с отрицательного на положительный. В рамках продления проекта планируется адаптация полученных технология для иных климатических условий и для более долго периода наблюдения жизни почвенных конструкций, использую метод хронологических рядов.